Op zomeravonden, hoog boven het oppervlak van de zuidelijke Great Plains, doet zich een fenomeen voor dat in belangrijke mate bijdraagt ​​aan de klimaatdynamiek van de regio. Low-level jets genoemd, deze winden kunnen snelheden bereiken van meer dan 55 mph, en ze spelen een rol bij het transport van warmte en vocht naar de regio en dragen bij aan de ontwikkeling van tornado's en het opwekken van windenergie.

Het verkrijgen van continue windprofielen, temperatuur en vochtigheid in verband met deze lage jets is belangrijk om de nauwkeurigheid van atmosferische modellen zoals de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) High-Resolution Rapid Refresh-model te verbeteren, die voorspellingen geeft die verband houden met gevaarlijk weer.

NOAA en soortgelijke organisaties over de hele wereld vertrouwen op de Atmospheric Radiation Measurement (ARM) User Facility om dit soort langetermijnobservaties van de atmosfeer te leveren - of het nu in Oklahoma of Oliktok Point is, Alaska. Gesponsord door het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science, De missie van ARM is om ons begrip van cloud, aërosol, neerslag- en stralingsprocessen en de gegevens leveren om deze verschijnselen beter weer te geven in modellen op wereldschaal.

ARM dient als een voorbeeldige illustratie van DOE-samenwerking. Negen DOE nationale laboratoria, waaronder Argonne National Laboratory, zijn betrokken bij de exploitatie of het beheer van drie vaste en drie mobiele atmosferische observatoria, evenals de bediening en het onderhoud van 400 meteorologische instrumenten, en een antennefaciliteit die een vliegtuig en onbemande antennesystemen omvat.

"Ik denk dat de voordelen van zo'n grote samenwerking de domeinexpertise bij de verschillende laboratoria zijn, maar ook regionale expertise, " zei James Mather, Technisch directeur van ARM bij Pacific Northwest National Laboratory. "En met ARM, er is een mogelijkheid om de mogelijkheden van elk laboratorium te benutten. Ik ben erg trots op hoe het geheel in elkaar steekt, " voegde hij eraan toe. "De ARM-faciliteit wordt vaak voorgehouden als hoe een multi-laboratoriumprogramma kan functioneren."

Waar in de wereld zijn ze?

De drie vaste stations van ARM bevinden zich op punten over de hele wereld die spreken over de diversiteit van het klimaat op aarde:het observatorium North Slope van Alaska ligt in de buurt van de stad Utqiagvik; het oostelijke Noord-Atlantische observatorium bevindt zich op het eiland Graciosa, op de Azoren, Portugal; en de faciliteiten van de Southern Great Plains (SGP) bevinden zich in Oklahoma en Kansas.

De mobiele observatoria en hun gebruikers krijgen iets meer van de wereld te zien, maar ze verbruiken veel van de interne activiteiten van ARM. Zoals het verplaatsen van een mega rock n' roll band door het land, ARM-personeel zet tien 20-voet lange zeecontainers geladen met ongeveer 50 instrumenten in naar gebieden van belang voor het klimaat, van Antarctica en de Stille Oceaan, naar Afrika, Europa en China.

Deze veldacties duren vaak een jaar, en de wetenschappelijke impact varieert op basis van locatie en andere factoren, zoals hoe goed de ingezette apparatuur functioneert, financiering en, goed, natuur.

"Als je laboratoriumexperimenten doet, je kunt alles instellen zoals je wilt, je kunt zoveel iteraties doen als je wilt, " merkte Mather op. "Maar als je een atmosferische studie doet, je vertrouwt op wat de natuur brengt."

Langere campagnes bieden onderzoekers de mogelijkheid om soortgelijke soorten omstandigheden meerdere keren te observeren om te bepalen of een gebeurtenis een anomalie was of deel uitmaakt van een groter patroon en om de variabiliteit van bepaalde verschijnselen beter te begrijpen.

Argonne gaat naar het westen

Naast de wetenschappers die klimaatonderzoek doen met behulp van ARM-gegevens, Argonne beheert ook het SGP-observatorium. De oudste en grootste van de vaste ARM-sites, De centrale vestiging van SGP bevindt zich in Lamont, Oklahoma - waar, niet zo ironisch, de wind komt over de vlakte waaien - de 17 uitgebreide faciliteiten strooien royaal over noord-centraal Oklahoma en zuidelijk Kansas.

De expansieve aard van het SGP en het werk dat het doet, is nauw verbonden met zijn geografie. Gelegen in de buurt van andere onderzoeksinstellingen, zoals het National Weather Service Storm Prediction Center en het National Severe Storms Laboratory, het omvat een verscheidenheid aan landelijke omgevingen en, misschien nog belangrijker, ligt in een klimaatovergangszone.

"Daar heb je vier seizoenen, " legde Mike Ritsche van Argonne uit, SGP-sitebeheerder. "Het is belangrijk om tijdens deze overgangsperioden elke dag te kunnen meten wat er boven je hoofd gebeurt, omdat het weer altijd anders is."

Om een ​​continu overzicht te krijgen van deze overgangszone, SGP-personeel voert vier weerballonlanceringen per dag uit, elke zes uur, 365 dagen per jaar. De ballonnen meten de temperatuur, relatieve vochtigheid, windsnelheid en -richting en atmosferische druk, het verstrekken van een veeleisend verticaal profiel van de atmosfeer, van het oppervlak door de onderste laag van de atmosfeer, waar het meeste weer voorkomt.

De zwaarst geïnstrumenteerde van de ARM-faciliteiten, SGP is uitgerust met bijna 200 instrumenten, zoals Doppler-lidars en wolkenradars die gebruikers aanvullende manieren bieden om de atmosfeer verticaal te visualiseren en, specifieker, de verticale verdeling van wolken.

Deze variabiliteit in het klimaat en de geografie van de regio, gecombineerd met de uitgebreide toolkit van SGP, creëert een natuurlijk laboratorium voor het meten van de dynamiek van wolken en aerosolen en hoe ze interageren met het aardoppervlak, die SGP-onderzoekers ook meten en karakteriseren.

"Het vochtprofiel van een tarweveld versus een weiland versus een bosgebied is allemaal verschillend, " zei Nicki Hickmon, ARM associate director voor operaties. "Dat verschil, samen met andere variabelen, bepaalt of we wolken of alleen wat nevel krijgen. Hoe gaat dat de in- en uitgaande zonnestraling beïnvloeden? Dat is wat we meten, dat is een van de dingen die we proberen te bereiken."

de leveringen, ze zei, zijn kwaliteitsgegevens en observaties - onzekerheden en kwaliteitsproblemen die naar behoren worden genoteerd - toegankelijk voor klimaatonderzoekers over de hele wereld om te helpen bij het ontwikkelen en valideren van wereldwijde klimaat- en weermodellen.

Het perspectief van een gebruiker

in 2018, 1, 173 gebruikers hadden toegang tot gegevens van ARM, verwierf externe toegang tot krachtige computerbronnen vanuit het datacenter in het Oak Ridge National Laboratory of voerde een bepaald niveau van veldwerk uit bij een van de ARM-observatoria.

Een daarvan is de zelfverklaarde power-user Dave Turner, manager van NOAA's Atmospheric Science for Renewable Energy (ASRE) -programma in het Earth System Research Laboratory, en hoofd van de Model Assessment Section van de Assimilation Development Branch in de Global Systems-divisie van het lab.

Sinds 1994 in enige hoedanigheid verbonden aan ARM, zijn werk draait, gedeeltelijk, rond het verbeteren van voorspellingsmodellen, zoals NOAA's High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) -model, om energiebedrijven te helpen bij het inschatten van de dagelijkse energieproductie uit hernieuwbare energiebronnen.

"De uitdaging is als ze voor morgen 10 megawatt uit zonne-energie verwachten te produceren, maar morgen is het bewolkt en krijgen ze maar één megawatt, ze moeten nog bedenken hoe ze de andere negen gaan bevoorraden, " merkte Turner op.

Turner probeert ARM-waarnemingen te gebruiken, vooral die van de SGP-site, om energiebedrijven te helpen nauwkeurigere voorspellingen te doen - begrijpen hoe potentiële cloudeigenschappen de voorspellingen van zonne-energie beïnvloeden, terwijl we verifiëren of de HRRR die lage jets over de centrale vlaktes nauwkeurig voorspelt, wat belangrijk is vanuit het oogpunt van windenergie.

"De SGP is misschien wel het beste atmosferische observatorium ter wereld, en ik ben bij veel van hen geweest, "zei Turner. "Ze meten meer variabelen met verschillende instrumenten en geven een completer beeld van wat er in de atmosfeer gebeurt dan je ergens anders zou kunnen vinden."