Relação entre raios e microfísica para potencial uso em assimilação de dados

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Carolina de Souza Araujo
• Orientador(a): Luiz Augusto Toledo Machado, Jean-François Ribaud
• Banca de defesa: Christian Kummerow
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Meteorologia
• País: BR
• Resumo em Inglês: The occurrence of lightning in storms is a result of an electric field strong enough to break the dielectric strength of air allowing the discharge. The most accepted explanation for the development of such intense field is based on the charge exchange between the collision of ice particles in the cloud, especially graupel and ice crystals, and the subsequent transport of these charged particles into different regions forming different poles inside the cloud. This relationship between the lightning and cloud microphysics is the main aspect on which the work is based. The main goal is to elaborate average vertical profiles of polarimetric variables for different classes of lighting density according to the GLM grid and then, evaluate the potential use of these profiles for data assimilation in models of high spatial and temporal resolution. The data was based on a X-band polarimetric radar located in the city of Campinas-SP and on the Brazilian Network for the Detection of Atmospheric Discharge (GLM proxy). In addition to that, GLM pixels over the region were used to calculate the lightning density. The main differences between each class averaged profiles for the four variables ZH, ZDR, KDP e ρHV was in the region between the surface and the melting layer. For more intense classes, it was observed signatures related with higher concentration of ice particles in altitudes, the presence of supercooled drops above the freezing level and with the occurrence of larger and more oblate raindrops. However, to better observe the microphysical aspects of the cloud, a hydrometeor classification algorithm, based on the fuzzy logic, was used to elaborate a percentage distribution of the hydrometeors according to the density class. Observing the classification results is possible to notice, for example, the presence of graupel and ice crystals at higher elevations associated with more electric activity. It was also observed an increase in the distance between the region of higher concentration of these two particles in more intense systems, which is coherent with the presence of a stronger electric field and therefore greater number of lightning. Aiming to analyze the impact of the reflectivity profiles on the assimilation process as a possibility to indirectly correlated them with lighting information, it was made a study for the December 3th 2016 case. Using the Weather Research and Forecast (WRF) model three different forecasts were x generated: without assimilation, assimilating radar reflectivity and wind data and assimilating the reflectivity profiles. In general, the forecast obtained with profiles assimilation presented better results than without assimilation and, comparing to radar data assimilation, the reflectivity fields generated with the profiles had a better performance apart from the first hour of forecasting and they also allocated better more intense precipitation systems. Considering the results obtained in this work and all the possibilities offered by the recently launched GLM, especially regarding its spatial coverage, it can be interesting to better understand and optimize the use of the mean profiles aiming to improve nowcasting.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2018/05.30.22.01

A manifestação de raios em tempestades é resultante da presença de um campo elétrico suficientemente intenso para romper a rigidez dielétrica do ar e permitir a ocorrência da descarga. A explicação mais aceita para formação de tal campo tem por base a troca de carga que se dá durante a colisão entre as partículas de gelo presente na nuvem, especialmente graupel e cristais de gelo, e a e posterior transporte dessas partículas carregadas para diferentes regiões formando os polos de carga. Essa relação existente entre a descarga e os elementos microfísicos da nuvem é o principal aspecto no qual se baseia o trabalho. Seu objetivo principal consiste em elaborar perfis verticais médios das variáveis polarimétricas para diferentes classes de densidade de descargas elétricas de acordo com a grade do GLM e, analisar o uso potencial desses perfis no processo de assimilação de dados em modelos de alta resolução espacial e temporal. As principais ferramentas utilizadas foram o radar de dupla polarização de banda X localizado na cidade Campinas-SP e a Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (GLM proxy), além disso, os pixels do GLM sobre a região foram usados para calcular a densidade de descargas elétricas. As diferenças observadas entre os perfis médios de cada classes para as variáveis ZH, ZDR, KDP e ρHV foram mais notáveis entre à superfície e a camada de derretimento. Nas classes maiores foi possível notar assinaturas que podem estar associadas a uma maior concentração de partículas de gelo em regiões mais altas, a presença de gotas super-resfriadas acima do nível de congelamento e a ocorrência de gotas de chuva maiores e mais oblatas. No entanto, para se observar mais detalhadamente os aspectos microfísicos da nuvem o algoritmo de classificação de hidrometeoros, com base na lógica fuzzy, foi utilizado para elaborar uma distribuição percentual dos hidrometeoros de acordo com a classe permitindo notar, por exemplo, a presença das partículas de graupel e cristais de gelo em maiores altitudes em classes maiores. Além disso, observou-se que a distância entre a região com mais concentração dessas duas partículas também é significativamente maior em sistemas mais intensos, o que é coerente com a presença de um campo elétrico mais forte e a ocorrência de um maior número de raios. Os perfis convectivos médios de refletividade foram utilizados para analisar o seu possível uso como forma de relacionar, mesmo que indiretamente, as informações de descargas elétricas no processo de assimilação e verificar o seu impacto. Foi selecionado um evento no dia 3 de dezembro de 2016 e três rodadas do modelo Weather Research viii and Forecast (WRF) foram geradas: sem assimilação, assimilando os dados de refletividade e vento do radar e, assimilando os perfis médios de refletividade associados às densidades de descargas elétricas. De maneira geral, a previsão obtida assimilando os perfis apresentou resultados melhores do que sem assimilação e, em relação à assimilação com os dados de radar, os campos gerados com os perfis tiveram um desempenho mais positivo a partir da a primeira hora de previsão e alocaram melhor sistemas precipitantes um pouco mais intensos. Diante dos resultados obtidos nesse trabalho, e da grande possibilidade oferecida pelo recém lançado GLM, especialmente no que diz respeito à sua cobertura espacial, buscar estudar e otimizar o uso dos perfis no processo de assimilação pode contribuir com a previsão de curto tempo.