Relações entre assinaturas polarimétricas de radar e atividade elétrica das tempestades

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Enrique Vieira Mattos
• Orientador(a): Luiz Augusto Toledo Machado
• Banca de defesa: Antonio Carlos Varela Saraiva, Earle Williams, Rachel Ifanger Albrecht
• Tipo de documento: Tese
• 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 main objective of this research was to analyze the relationship between polarimetric signatures from thunderstorms and lightning. The work was divided into two parts. In the first part we evaluated how the polarimetric signatures for the different regions of the thunderstorms changes as a function of lightning frequency. Data from X-band radar and sources emitted by lightning in Very Higher Frequency (VHF) were used during the CHUVA-Vale campaign. A merged dataset between radar information and lightning was created and nine million of the vertical profiles were analyzed. The following variables were used: horizontal reflectivity (Z$_{h}$), differential reflectivity (Z$_{dr}$), specific differential phase (K$_{dp}$) and correlation coefficient ($\rho$$_{hv}$). The warm phase region presented the greater variability as a function of the lightning frequency. This region was characterized with an enhanced positive Z$_{dr}$ (+4 dB) and K$_{dp}$ (+5$^{°}$ km$^{-1}$), related for higher Z$_{h}$ (40 dBZ) for the strongest thunderstorms. These results indicated the formation of flattened large raindrops for the thunderstorms with the highest lightning frequency. In contrast, the mixed and cold phase region showed lower variability as a function of the lightning frequency. For the mixed phase region Z$_{h}$ and K$_{dp}$ showed the greater variability with values up to 45 dBZ and +1$^{°}$ km-1, respectively for the strongest thunderstorms. These signatures suggested the existence of supercooled rain drops and graupel in this region. However, the remarkable signatures was the enhanced negative K$_{dp}$ (- 0.5$^{°} $km$^{-1}$) in the cold phase region in higher electrification situations. It was suggested higher concentration of ice particles aligned vertically by strong electric field and suggested this signature as an important parameter for the lightning nowcasting. These previous results showed a good opportunity for the development of the second part of this work. In the second part we evaluated the lightning and microphysics characteristics before of the first lightning in compact/isolated thunderstorms. A total of 53 thunderstorms were analyzed through Plan Position Indicator (PPI) volumes, intra-cloud (IC) and cloud-to-ground (CG) flashes and VHF sources. In the first step of this part we found that the majority (90 \%) of the first CG flash in incipient thunderstorms showed a remarkable single-stroke behavior and negative polarity. The results of the second step showed a remarkable decreased in Z$_{dr}$ before the first CG flash suggesting signatures from graupel in the mixed phase region and ice particles aligned vertically by strong electric field in the cold phase region. A thunderstorm that occurred close to LMA center was selected to evaluate the electrical structure. A tripolar structure was observed with positives centers close to 6 km and 11-12 km. These flashes initiated close to 7 km (-17$^{°}$C) on the top of column with higher reflectivity ($sim$ 50 dBZ) and positive Z$_{dr}$ ($\sim$ +3 dB). This work provides an important knowledge to the contribution for the lightning nowcasting.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/06.03.14.50

O objetivo principal desta pesquisa foi o de avaliar a relação entre as assinaturas polarimétricas das tempestades e a produção de relâmpagos. Para tanto, a pesquisa foi dividida em duas etapas principais. Na primeira etapa foi avaliado como as assinaturas polarimétricas em diferentes camadas das tempestades (fase quente, mista e fria) variam em função da frequência de relâmpagos. Para isto, foram utilizados dados volumétricos do radar polarimétrico banda X e as fontes emitidas pelos relâmpagos em \emph{Very Higher Frequency} (VHF) durante a campanha CHUVA-Vale. De maneira inédita, foi criada uma base de dados extensa com aproximadamente nove milhões de perfis verticais das variáveis: refletividade horizontal (Zh), refletividade diferencial (Z$_{dr}$), fase diferencial específica (K$_{dp}$) e o coeficiente de correlação ($\rho$$_{hv}$), que foram combinadas em sinergia com as fontes de VHF em três dimensões. A camada de fase quente foi a que apresentou maior sensibilidade à mudança na frequência de relâmpagos. Valores positivos altos de Z$_{dr}$(+4 dB) e K$_{dp}$ (+5$^{°}$ km$^{-1}$) e de Z$_{h}$ (40 dBZ) foram predominantes para as tempestades mais intensas e indicaram um processo de formação de gotas de chuva grandes e oblatas eficiente. Em contrapartida, as camadas de fase mista e fria apresentaram uma sensibilidade menor em relação à frequência de relâmpagos. Para a primeira camada Z$_{h}$ e K$_{dp}$ apresentaram as maiores variabilidades, possuindo valores de até 45 dBZ e +1$^{°}$ kmS$^{-1}$, respectivamente, para as tempestades mais intensas. Estes resultados foram interpretados como uma forte intrusão de água líquida super-resfriada e a existência de graupel nesta camada. No entanto, a assinatura mais marcante foi um K$_{dp}$ (- 0,5$^ {°}$ km-1) negativo na camada de fase fria apenas para as tempestades mais intensas. Esta assinatura indicou a existência de alta concentração de partículas de gelo alinhadas verticalmente por um campo elétrico forte e evidenciando-se como um importante parâmetro para previsão de relâmpagos. Estes importantes resultados abriram perspectivas para a realização da segunda etapa do trabalho. Na segunda etapa foram avaliadas as características microfísicas e elétricas antes do primeiro relâmpago em 53 tempestades compactas (< 20 km). Esta etapa foi realizada em três partes e foram utilizados dados volumétricos de radar, relâmpagos nuvem-solo (NS) e intra-nuvem (IN) e fontes de VHF. Na primeira parte desta etapa foi observado que o primeiro relâmpago NS das tempestades em sua maioria (90 \% das tempestades) apresenta uma multiplicidade baixa e com predominância de polaridade negativa. Nos resultados da segunda parte observou-se uma marcante diminuição do Z$_{dr}$ antes da ocorrência do primeiro relâmpago NS, o que foi interpretado como assinaturas de \emph{graupel} na camada de fase mista e partículas de gelo alinhadas verticalmente na camada de fase fria. Por fim, observou-se uma típica estrutura tripolar para as tempestades com um centro de cargas positiva positivo inferido em 6 km e outro em 11-12 km. A principal região de formação desses relâmpagos IN e NS foram em torno de 7 km (-17 $^{°}$C). Além disso, esta região foi caracterizada por uma alta refletividade ($\sim$ 50 dBZ) e Z$_{dr}$ positivo ($\sim$ +3 dB). Assim, o conhecimento adquirido neste trabalho apresenta uma contribuição científica inédita para a previsão de relâmpagos e de tempo severo.