Up with ultrafine aerosol particles Ultrafine aerosol particles (smaller than 50 nanometers in diameter) have been thought to be too small to affect cloud formation. Fan et al. show that this is not the case. They studied the effect of urban pollution transported into the otherwise nearly pristine atmosphere of the Amazon. Condensational growth of water droplets around the tiny particles releases latent heat, thereby intensifying atmospheric convection. Thus, anthropogenic ultrafine aerosol particles may exert a more important influence on cloud formation processes than previously believed. Science , this issue p. 411

Abstract. The Amazon Basin plays key roles in the carbon and water cycles, climate change, atmospheric chemistry, and biodiversity. It has already been changed significantly by human activities, and more pervasive change is expected to occur in the coming decades. It is therefore essential to establish long-term measurement sites that provide a baseline record of present-day climatic, biogeochemical, and atmospheric conditions and that will be operated over coming decades to monitor change in the Amazon region, as human perturbations increase in the future. The Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) has been set up in a pristine rain forest region in the central Amazon Basin, about 150 km northeast of the city of Manaus. Two 80 m towers have been operated at the site since 2012, and a 325 m tower is nearing completion in mid-2015. An ecological survey including a biodiversity assessment has been conducted in the forest region surrounding the site. Measurements of micrometeorological and atmospheric chemical variables were initiated in 2012, and their range has continued to broaden over the last few years. The meteorological and micrometeorological measurements include temperature and wind profiles, precipitation, water and energy fluxes, turbulence components, soil temperature profiles and soil heat fluxes, radiation fluxes, and visibility. A tree has been instrumented to measure stem profiles of temperature, light intensity, and water content in cryptogamic covers. The trace gas measurements comprise continuous monitoring of carbon dioxide, carbon monoxide, methane, and ozone at five to eight different heights, complemented by a variety of additional species measured during intensive campaigns (e.g., VOC, NO, NO2, and OH reactivity). Aerosol optical, microphysical, and chemical measurements are being made above the canopy as well as in the canopy space. They include aerosol light scattering and absorption, fluorescence, number and volume size distributions, chemical composition, cloud condensation nuclei (CCN) concentrations, and hygroscopicity. In this paper, we discuss the scientific context of the ATTO observatory and present an overview of results from ecological, meteorological, and chemical pilot studies at the ATTO site.

Abstract. A global vertically resolved aerosol data set covering more than 10 years of observations at more than 20 measurement sites distributed from 63° N to 52° S and 72° W to 124° E has been achieved within the Raman and polarization lidar network PollyNET. This network consists of portable, remote-controlled multiwavelength-polarization-Raman lidars (Polly) for automated and continuous 24/7 observations of clouds and aerosols. PollyNET is an independent, voluntary, and scientific network. All Polly lidars feature a standardized instrument design with different capabilities ranging from single wavelength to multiwavelength systems, and now apply unified calibration, quality control, and data analysis. The observations are processed in near-real time without manual intervention, and are presented online at http://polly.tropos.de/. The paper gives an overview of the observations on four continents and two research vessels obtained with eight Polly systems. The specific aerosol types at these locations (mineral dust, smoke, dust-smoke and other dusty mixtures, urban haze, and volcanic ash) are identified by their Ångström exponent, lidar ratio, and depolarization ratio. The vertical aerosol distribution at the PollyNET locations is discussed on the basis of more than 55 000 automatically retrieved 30 min particle backscatter coefficient profiles at 532 nm as this operating wavelength is available for all Polly lidar systems. A seasonal analysis of measurements at selected sites revealed typical and extraordinary aerosol conditions as well as seasonal differences. These studies show the potential of PollyNET to support the establishment of a global aerosol climatology that covers the entire troposphere.

Abstract. The Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon (GoAmazon2014/5) Experiment was carried out in the environs of Manaus, Brazil, in the central region of the Amazon basin for 2 years from 1 January 2014 through 31 December 2015. The experiment focused on the complex interactions among vegetation, atmospheric chemistry, and aerosol production on the one hand and their connections to aerosols, clouds, and precipitation on the other. The objective was to understand and quantify these linked processes, first under natural conditions to obtain a baseline and second when altered by the effects of human activities. To this end, the pollution plume from the Manaus metropolis, superimposed on the background conditions of the central Amazon basin, served as a natural laboratory. The present paper, as the introduction to the special issue of GoAmazon2014/5, presents the context and motivation of the GoAmazon2014/5 Experiment. The nine research sites, including the characteristics and instrumentation of each site, are presented. The sites range from time point zero (T0) upwind of the pollution, to T1 in the midst of the pollution, to T2 just downwind of the pollution, to T3 furthest downwind of the pollution (70 km). In addition to the ground sites, a low-altitude G-159 Gulfstream I (G-1) observed the atmospheric boundary layer and low clouds, and a high-altitude Gulfstream G550 (HALO) operated in the free troposphere. During the 2-year experiment, two Intensive Operating Periods (IOP1 and IOP2) also took place that included additional specialized research instrumentation at the ground sites as well as flights of the two aircraft. GoAmazon2014/5 IOP1 was carried out from 1 February to 31 March 2014 in the wet season. GoAmazon2014/5 IOP2 was conducted from 15 August to 15 October 2014 in the dry season. The G-1 aircraft flew during both IOP1 and IOP2, and the HALO aircraft flew during IOP2. In the context of the Amazon basin, the two IOPs also correspond to the clean and biomass burning seasons, respectively. The Manaus plume is present year-round, and it is transported by prevailing northeasterly and easterly winds in the wet and dry seasons, respectively. This introduction also organizes information relevant to many papers in the special issue. Information is provided on the vehicle fleet, power plants, and industrial activities of Manaus. The mesoscale and synoptic meteorologies relevant to the two IOPs are presented. Regional and long-range transport of emissions during the two IOPs is discussed based on satellite observations across South America and Africa. Fire locations throughout the airshed are detailed. In conjunction with the context and motivation of GoAmazon2014/5 as presented in this introduction, research articles including thematic overview articles are anticipated in this special issue to describe the detailed results and findings of the GoAmazon2014/5 Experiment.

One of the least understood aspects in atmospheric chemistry is how urban emissions influence the formation of natural organic aerosols, which affect Earth's energy budget. The Amazon rainforest, during its wet season, is one of the few remaining places on Earth where atmospheric chemistry transitions between preindustrial and urban-influenced conditions. Here, we integrate insights from several laboratory measurements and simulate the formation of secondary organic aerosols (SOA) in the Amazon using a high-resolution chemical transport model. Simulations show that emissions of nitrogen-oxides from Manaus, a city of ~2 million people, greatly enhance production of biogenic SOA by 60-200% on average with peak enhancements of 400%, through the increased oxidation of gas-phase organic carbon emitted by the forests. Simulated enhancements agree with aircraft measurements, and are much larger than those reported over other locations. The implication is that increasing anthropogenic emissions in the future might substantially enhance biogenic SOA in pristine locations like the Amazon.

Abstract The Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon 2014–2015 (GoAmazon2014/5) experiment took place around the urban region of Manaus in central Amazonia across 2 years. The urban pollution plume was used to study the susceptibility of gases, aerosols, clouds, and rainfall to human activities in a tropical environment. Many aspects of air quality, weather, terrestrial ecosystems, and climate work differently in the tropics than in the more thoroughly studied temperate regions of Earth. GoAmazon2014/5, a cooperative project of Brazil, Germany, and the United States, employed an unparalleled suite of measurements at nine ground sites and on board two aircraft to investigate the flow of background air into Manaus, the emissions into the air over the city, and the advection of the pollution downwind of the city. Herein, to visualize this train of processes and its effects, observations aboard a low-flying aircraft are presented. Comparative measurements within and adjacent to the plume followed the emissions of biogenic volatile organic carbon compounds (BVOCs) from the tropical forest, their transformations by the atmospheric oxidant cycle, alterations of this cycle by the influence of the pollutants, transformations of the chemical products into aerosol particles, the relationship of these particles to cloud condensation nuclei (CCN) activity, and the differences in cloud properties and rainfall for background compared to polluted conditions. The observations of the GoAmazon2014/5 experiment illustrate how the hydrologic cycle, radiation balance, and carbon recycling may be affected by present-day as well as future economic development and pollution over the Amazonian tropical forest.

Abstract Between 1 September and 4 October 2014, a combined airborne and ground-based measurement campaign was conducted to study tropical deep convective clouds over the Brazilian Amazon rain forest. The new German research aircraft, High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO), a modified Gulfstream G550, and extensive ground-based instrumentation were deployed in and near Manaus (State of Amazonas). The campaign was part of the German–Brazilian Aerosol, Cloud, Precipitation, and Radiation Interactions and Dynamics of Convective Cloud Systems–Cloud Processes of the Main Precipitation Systems in Brazil: A Contribution to Cloud Resolving Modeling and to the GPM (Global Precipitation Measurement) (ACRIDICON– CHUVA) venture to quantify aerosol–cloud–precipitation interactions and their thermodynamic, dynamic, and radiative effects by in situ and remote sensing measurements over Amazonia. The ACRIDICON–CHUVA field observations were carried out in cooperation with the second intensive operating period of Green Ocean Amazon 2014/15 (GoAmazon2014/5). In this paper we focus on the airborne data measured on HALO, which was equipped with about 30 in situ and remote sensing instruments for meteorological, trace gas, aerosol, cloud, precipitation, and spectral solar radiation measurements. Fourteen research flights with a total duration of 96 flight hours were performed. Five scientific topics were pursued: 1) cloud vertical evolution and life cycle (cloud profiling), 2) cloud processing of aerosol particles and trace gases (inflow and outflow), 3) satellite and radar validation (cloud products), 4) vertical transport and mixing (tracer experiment), and 5) cloud formation over forested/deforested areas. Data were collected in near-pristine atmospheric conditions and in environments polluted by biomass burning and urban emissions. The paper presents a general introduction of the ACRIDICON– CHUVA campaign (motivation and addressed research topics) and of HALO with its extensive instrument package, as well as a presentation of a few selected measurement results acquired during the flights for some selected scientific topics.

Abstract The precipitation trend patterns in South America (SA) are determined using trend empirical orthogonal function analysis for the 1951–2016 period. The associated large‐scale tropical and extratropical anomalous circulation patterns are also examined. The words “total” and “residual” refer to the monthly anomalies and monthly anomalies without the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) effects, respectively. The total precipitation features a positive trend in southeastern SA (SESA, southern Brazil, Uruguay, most of eastern Argentina) and northern Chile, and a negative trend over central‐eastern Brazil and central Amazonia. The residual precipitation shows an increased positive trend over most of the coastal extension of northern SA and Colombia; a weak positive trend over southern Brazil, northeastern Argentina, and northern Chile; and a negative trend over central‐eastern SA and western Amazonia. The differences between the total and residual precipitation trend patterns in tropical SA is explained as responses to total and residual zonally asymmetric anomalous sea surface temperature (SST) patterns, respectively. The total SST pattern along the equatorial Pacific configures the Pacific Decadal Oscillation, which impacts ENSO variability and as response intensifies the Walker circulation. Without the ENSO, the Walker cell is mainly driven by the tropical Indian and Atlantic Oceans, which configure residual asymmetric anomalous warming. Furthermore, the warming in the equatorial Indian and eastern Pacific Oceans, in the presence of ENSO, induces a Rossby wave train‐type anomalous pattern that extends across the South Pacific into SA and modulates the atmospheric anomalous circulation over SESA. In this region, an anomalous anticyclonic accompanied by an intensified South American Low‐Level Jet induces a moisture transport to SESA. This anticyclone is also observed in the absence of ENSO but is weaker. The results suggest the importance of ocean warming in the western Pacific‐Indian in the modulation of extratropical teleconnections to SESA in the tropical ocean warming scenario.

ABSTRACT The mechanisms associated with the transitions of strong El Niño (EN) events and their implications for the South American precipitation were investigated for the 1950–2023 period. Strong EN events exhibit cyclic or episodic characteristics in their transitions. Cyclic EN events are both preceded and followed by La Niña (LN) conditions, whereas episodic EN events are preceded by neutral conditions, with a more uncertain transition following. For cyclic EN, tropical Pacific mechanisms initiates and peak warming in the eastern tropical Pacific from austral winter to early summer. In contrast, for episodic EN, coupled subtropical and tropical Pacific mechanisms, respectively, initiate and peak warming in the central tropical Pacific from autumn to late summer. The Pacific Decadal Oscillation (PDO) mean state modulates EN's decay stage. During the +PDO mean state, cyclones in the eastern subtropical Pacific of both hemispheres sustain the warming of episodic EN, whereas during the −PDO mean state, anticyclones in the eastern subtropical Pacific accelerate the decay of cyclic EN, favouring its transition to an LN. These mechanisms explain why episodic EN initiates earlier, peaks later, is more intense and decays more slowly than cyclic EN. During an episodic EN summer, the strengthened atmospheric circulation maintains the Atlantic Intertropical Convergence Zone (ITCZ) north of the equator, causing persistent negative precipitation anomalies in north–northeastern South America (SA) until the following winter, while positive precipitation anomalies in southeastern SA are driven by south–southeastward moisture transport from equatorial Atlantic. Conversely, during a cyclic EN summer, negative (positive) precipitation anomalies impact north–northwestern (southeastern) SA; however, the anomalous atmospheric circulation and precipitation in SA quickly return to normal conditions in the autumn, and positive precipitation anomalies appear in northern SA in the following winter. Understanding these mechanisms is crucial for predicting EN's future changes and, consequently, their potential socio‐economic impacts globally.