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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.14.2022.tde-20052022-164530
Document
Author
Full name
Pedro Augusto Sampaio Messias Ribeiro
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Rodriguez, Carlos Augusto Morales (President)
Cohen, Julia Clarinda Paiva
Mattos, Enrique Vieira
Title in Portuguese
Influência do cisalhamento vertical do vento na estrutura das tempestades elétricas na América do Sul
Keywords in Portuguese
Cisalhamento do Vento
Densidade de raios
Eletricidade Atmosférica
Meteorologia com radar
Microfísica de Nuvens
Precipitação Tridimensional
Tempestades Elétricas
TRMM
Abstract in Portuguese
Diversos estudos experimentais e teóricos mostraram uma correlação entre o cisa-lhamento vertical do vento e a intensidade da corrente ascendente no desenvolvimento das tempestades elétricas. A intensidade da corrente ascendente, por sua vez, está relacionada com a formação de graupel e granizo, que são importantes nos processos de eletrificação e na intensificação da atividade elétrica. Para testar estas relações, este trabalho irá explorar se as medidas do radar de precipitação (PR) do TRMM podem ser usadas para extrair as assina-turas da precipitação vertical que estão relacionadas as assinaturas do cisalhamento do vento e explorar como a atividade dos raios na América do Sul responde ao cisalhamento vertical do vento estimado. Este estudo utiliza as medidas do fator refletividade do radar do TRMM-PR 2A25 e os flashes colocalizados observados pelo TRMM-LIS durante o período de 1998-2011 para mostrar a relação entre o cisalhamento vertical e a densidade de raios. Para computar esta relação, estruturas 3D das tempestades foram extraídas com base em um limiar de 35 dBZ e foram classificadas em três categorias: células isoladas (11703 células), bicelulares (7609 células) e policelulares (94177 células). O cisalhamento foi inferido a partir dos histogramas de frequência de extensão horizontal e vertical das células de tempestade. As células isoladas mostram a predominância da estrutura cônica vertical: estruturas verticalmente alinhadas cuja extensão horizontal diminui com a altura. Echotops tão altos quanto 12,5 km foram observados no centro da Argentina, entre 9,0 e 11,0 km para a maioria das regiões no interior do continente. Para regiões litorâneas e marítimas, NE do Brasil e Amazônia ocidental, entre 7,0 e 8,0 km. No nível de 5 km de altura a mediana (75%) de ex-tensão horizontal foi de 15 (25) km para as células observadas no centro da Argentina e 12,5 km (15~20 km) para as demais regiões. Em termos de densidades de raios, as taxas foram menores que 2,5 flashes/100 km², variando entre as regiões: 2,0 fl/100 km² no sul do Peru, Bolívia, interior e sul do Brasil e Paraguai; 1,1 fl/100 km² no Atlântico Sul; 1,8 fl/100 km² na Amazônia Oriental e 1,7 fl/100 km² no centro da Argentina. Células de sistemas bicelulares também exibiram estrutura cônica vertical na maioria das regiões, exceto no centro da Argentina onde um perfil de extensão horizontal constante é observado para o percentil 25% e mediano, com o percentil 75% tendo mais de 40 km de extensão a 14 km de altura. As distribuições das densidades de raios foram semelhantes as observadas para as células isoladas. As células dos sistemas policelulares exibiram estrutura cônica vertical em todas as regiões, porém com diferentes taxas de decaimento da extensão horizontal: mais lento em 40°- 20° S, 70°- 40° W (SE e S Brasil, Paraguai, Uruguai, centro e norte da Argentina) e mais rápido nas demais regiões, resultando em volumes maiores na primeira. A densidade de raios foi sistematicamente menor que para as células isoladas e bicelulares, com medianas de cerca de 1,0 fl/100 km². Por fim, ressalta-se que o TRMM-PR pode ser usado para observar o efeito do cisa-lhamento nas estruturas das tempestades elétricas e nas densidades de raios das tempestades, isto é, de organizar a convecção em sistemas maiores na região subtropical da América do Sul em relação ao restante do continente. Este tipo de análise pode ser estendido para toda a região tropical para estudar os mecanismos que controlam a atividade elétrica das tempesta-des.
Title in English
Influence of vertical wind-shear on thunderstorms structure in South America
Keywords in English
Atmospheric Electricity
Cloud physics
Flash density
Radar Meteorology
Thunderstorms
Tridimensional Precipitation
TRMM
Wind-shear
Abstract in English
Several experimental and theoretical studies showed a correlation between vertical wind shear and updraft intensity on thunderstorm development. Vertical velocity strength in turn is related to the formation of graupel and hail, that are important to the electrification processes as well as to the intensification of the lightning activity. To put these relations to test, this work will explore if precipitation radar (PR) measurements from TRMM can be used to extract the vertical precipitation signatures that are related to wind shear signatures and explore how the lightning activity in South America responds to the vertical wind shear retrieved. This study uses TRMM-PR 2A25 radar reflectivity factor measurements and collo-cated lightning flashes observations from TRMM-LIS during the period of 1998-2011 to de-pict the relationship between vertical shear and lightning flash density. To compute this rela-tionship, 3D thunderstorms structures were extract based on 35 dBZ thresholds and have been classified in three categories: isolated cells (11703 cells), bicellular (7609 cells) and polycellular convective systems (94177 cells). The windshear has been inferred from histo-grams of horizontal radius and height frequency. Isolated cells show predominance of conic upright structure: upright structure whose width dwindles with height. Echotops heights as high as 12.5 km were observed in central Argentina, between 9.0-11.0 km for the most inland regions. For coastal and maritime re-gions, NE Brazil and western Amazonia, echotops heights were lower, between 7.0-8.0 km. At the 5 km-height the median (75%) horizontal radius was 15 (25) km in central Argentina, and 12.5 (15~20 km) elsewhere. In terms of median flash densities, rates were lower than 2.5 fl/100 km², varying between regions: 2.0 fl/100 km² on southern Peru, Bolivia, inland and southern Brazil and Paraguay; 1.1 fl/100 km² on southern Atlantic; 1.8 fl/100 km² on eastern Amazonia and 1.7 fl/100 km² on central Argentina. Bicellular systems cells also exhibits conic upright structure at most regions, except at central Argentina where a mostly constant radius profile is observed for 25% percentile and median profiles, with 75% percentile profile having larger than 40 km width at 14 km-height. Flash densities distributions were like observed in isolated cells. Polycellular system cells exhibit conic upright structure in all regions, however with different width shrinking rates: slower in 40°- 20° S, 70°- 40° W (SE and S Brazil, Paraguay, Uruguay, central and northern Argentina) and faster elsewhere; resulting in larger volumes at the first. The flash density was systematically lower than for isolated and bicellular systems cells, about 1.0 fl/100 km² medians. Finally, it is emphasized that TRMM-PR can be used to observe the effect of wind-shear on thunderstorm structures and storm lightning density, that is, to organize convection in broader systems in subtropical South America in relation to smaller ones everywhere else. This type of analysis can be extended to the whole tropical region for evaluating mecha-nisms that control storms electrical activity.
 
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Publishing Date
2022-05-23
 
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