Observações de Nuvens

Transcrição

1 Observações de Nuvens

2 Como e por que as nuvens se formam? Quais são suas características?

3 Por quê?

4 O principal culpado pelas nuvens é o Sol Sistemas naturais geralmente buscam estado de energia baixo Logo, o acúmulo de energia (calor) é um problema! Acúmulo de energia

5 Como resolver? Transporte horizontal

6 Como resolver? Transporte vertical

7 Como resolver? Aquecimento superfície

8 Como resolver? Transformações Ex. evaporação

9 Qual o papel das nuvens? Contribuir para a diminuição dos níveis de energia Podem ser entendidas como resposta às instabilidades

10 Como? Efeito líquido: resfriamento superfície, aquecimento do ar acima Redução da instabilidade

11 Diferentes sistemas meteorológicos compensam a instabilidade em diferentes escalas

12 Características observacionais das nuvens Dimensões horizontais: < 1km a > 1000 km Dimensões verticais: alguns 100 m a ~15 km

13 Características observacionais das nuvens Macroescala ou escala sinótica: trata dos maiores sistemas meteorológicos observados centenas/milhares de km (ex. furacões e sistemas frontais) Microescala: 1 km ou menos inclui pequenas nuvens individuais, padrões em partes das nuvens (ex. rugosidade) e os processos microfísicos (ex. formação e crescimento de gotas) No meio das duas escalas (1 km a centenas de km): Mesoescala inclui uma variedade de tipos de nuvens, tanto isoladas quanto organizadas em sistemas

14 Classificação: formas Cumulus Stratus Cirrus Nuvens com chuva: nimbus Há diversas outras classificações baseado em combinações dessas 4. Ex.: Cumulonimbus, Stratocumulus, Cirrocumulus

15 RELEMBRANDO OS TIPOS DE NUVENS ❶ cirrus ❿ cumulonimbus ❸ cirrocumulus ❷ cirrostratus ❹ altocumulus ❺ altostratus ❻ nimbostratus ❽ stratocumulus ❾ cumulus ❼ stratus

16 Quais são os tipos de hidrometeoros? -60 o C ❶ ❿ ❸ -40 o C ❷ ❹ ❺ 0 o C 6 o C ❻ ❽ ❾ ❼

17 Além da forma, podemos classificar por...? Em termos de altitude Desenvolvimento vertical

18 Nuvens stratus Grande extensão horizontal (centenas de km) Relativamente finas verticalmente quanto mais espessas, maior a chance de produzirem chuva (ou neve) São geradas pelo levantamento de ar em meso- ou macroescala Ex. convecção em larga escala, levantamento por frentes ou orografia Próximo à superfície: nevoeiros Se formam por resfriamento radiativo ou por mistura de massas

19 Nuvens cumulus Se formam a partir da convecção em uma atmosfera instável Escalas vertical e horizontal comparáveis Profundidade depende tanto da espessura da camada instável como do nível de instabilidade Escala de comprimento: ~3 km Mas começam em pequena escala em correntes termais, podendo se desenvolver até a tropopausa (algumas até penetram alguns km na estratosfera)

20 Cumulonimbus são de grande interesse, visto que produzem tempestades e raios Cumulus congestus Cumulus humilis Cumulus mediocris

21 Cumulonimbus são de grande interesse, visto que produzem tempestades e raios Se persistirem por ~1 hora ou mais, podem cobrir áreas da ordem de 100 km Cumulonimbus

22 A convecção também pode ser organizada por sistemas de maior escala, tais como linhas de instabilidade ou sistemas frontais Veja que diversos tipos de nuvens podem coexistir em sistemas meteorológicos! No caso da LI: nuvens convectivas (cumulonimbus/congestus) na dianteira, seguidas por nuvens estratiformes (numbostratus/stratus)

23 O quê define e qual é a microestrutura das nuvens convectivas? De modo geral, depende primariamente de 4 fatores 1) Temperatura da base espessura da fase líquida 2) Tipo e concentração de CCN (Cloud Condensation Nuclei Núcleos de Condensação de Nuvens) e IN (Ice Nuclei Núcleos de Gelo) 3) Perfis de T e RH determinando a instabilidade/velocidade vertical inicial 4) Forçantes dinâmicas (cisalhamento vertical do vento, convergência de larga escala)

24 Qual a ordem de grandeza das gotas de nuvem/chuva?... Mas modelos geralmente usam D = 50 µm para essa separação Fonte: W-H

25 Houze Jr. (1993) Parcelas de tamanho finito (esquerda) associação com nuvens convectivas

26 Cotton e Anthes (1989)

27 O que acontece quando a nuvem cruza a isoterma de 0 C? Fonte: W-H

28 O que acontece quando a nuvem cruza a isoterma de 0 C? Formação de gelo ocorre de forma significativa para T < -5 C (oceano) ou T < -10 C (continente) Fonte: W-H

29 Formação de gelo também afeta a termodinâmica da nuvem Updraft central Aceleração pela formação de gelo Fonte: Bushnell (1972)

30 Ciclo de vida de uma Cb

31 Parâmetros importantes para a microfísica T e suas flutuações q e suas flutuações w (esses três parâmetros definem SS) Conteúdo de água líquida (LWC) Concentração numérica de gotas (N d ) Diâmetro efetivo (D eff ) Distribuições de tamanho de: Gotas de nuvem (DSD) Gotas de chuva (RSD) Partículas de gelo (PSD) Fábio Rachel

32 LWC: mede a quantidade de água condensada em gotas de nuvens e/ou chuva Parâmetro primário da microfísica de nuvens Dado em gm -3 Como medir LWC? Fonte: Wendisch e Brenguier (2013)

33 Valores típicos de LWC por tipo de nuvem (ou TWC para nuvens com gelo) Fortes correntes ascendentes podem elevar LWC a valores mais altos (ex. 5 gm -3 ou até > 10 gm -3 em casos extremos) 0,03 gm -3 0,2 0,5 gm -3 0,2 3,0* gm -3

34 Todas as propriedades dos hidrometeoros podem ser obtidas a partir da DSD (ou RSD ou PSD) Medida da concentração numérica de gotas por unidade de volume de ar e intervalo de diâmetro (ex. #/m 3 mm) # gotas dd D Assim a integral de DSD fornece a concentração total de gotas (#/volume)

35 Todas as propriedades dos hidrometeoros podem ser obtidas a partir da DSD (ou RSD ou PSD) Medida da concentração numérica de gotas por unidade de volume de ar e intervalo de diâmetro (ex. #/m 3 mm)

36 A partir da DSD podemos obter outras propriedades tais como o volume e a área total ocupadas pelas gotas # gotas A i V i dd D

37 Como LWC varia na nuvem (cumulus)? Limiar mínimo de LWC usualmente define a extensão visual da nuvem Nuvem de 2 km de espessura Medidas em 1 km Sem precipitação w é a condição primária para a formação de nuvens! Fonte: W-H

38 Aerossóis: outra condição primária para a formação de nuvens Forte associação com N d ao menos nos níveis mais baixos das nuvens Fonte: W-H

39 Experimento GoAmazon2014/5 Fev/Mar e Set/Out de 2014 G-1 Americana, voa até 7 km, autonomia ~4 horas HALO Alemã, voa até 15 km, autonomia ~9 horas

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42 Fonte: Martin et al. (2016) Fonte: Wendisch et al. (2016)

43 Efeito da pluma de Manaus Fonte: Cecchini et al. (2016)

44 Fonte: Cecchini et al. (2016) 1) Por quê N d é maior na pluma? 2) Por quê D eff é menor na pluma?

45 Fonte: Cecchini et al. (2016) 1) Por quê LWC é maior na pluma?

46 Fonte: Cecchini et al. (2017b) 1) Por quê LWC aumenta com a altura? 2) Por quê a diferença LWC ad LWC aumenta com a altura? 3) Por quê D eff cresce com a altura? - Estima-se que a formação de chuva é efetiva para D eff > 28 μm

47 Fonte: W-H

48 Fonte: Bailey e Hallet (2009) Diversas formas de gelo Alguns padrões dependendo das condições no interior das nuvens

49 Cristais observados no dia 22/Fev/2014 nuvens Cu isoladas Predominância de colunares Pouca presença de plates Também foram observados cristais com formas irregulares (não só em Cu, mas também em estratiformes)

50 Cristais observados no dia 19/Mar/2014 Nuvens estratiformes, com chuva desde manhã Há presença de colunares, mas o regime de crescimento de plates é mais eficiente Casos com crescimento de plates nas extremidades de colunas transição de regimes de crescimento

51 Convectivo Estratiforme Fonte: Bailey e Hallet (2009)