For de bedste aerosoldata, ARM omfavner harmoni

Harmoni er en tilstand af enighed og samarbejde.

Denne tilstand er også nødvendig for aerosolobservationssystemer (AOS), der drives af Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Facility, en videnskabelig brugerfacilitet for det amerikanske energiministerium (DOE).

Et par år siden, eksperter hos ARM opdagede forskelle i de endelige dataprodukter knyttet til ét sæt AOS-instrumenter på plads før 2010, og et andet sæt designet og implementeret derefter.

Som svar, ARM udløste et intensivt projekt for tre år siden for at harmonisere aerosolobservationsinstrumenter og de strømme af arkiverede data, der stammer fra dem. Dette AOS-harmoniseringsprojekt, undervejs i tre komplicerede og travle år, vil stort set være færdigt til efteråret.

"Formålet med harmonisering er at forene behandlingen, så det endelige dataprodukt kan sammenlignes over ARM's målehistorie, " siger ARMs tekniske direktør Jim Mather, en atmosfærisk videnskabsmand ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Første generations behandling

Kernen i problemet er to generationer af målesystemer, begge finansieret af det amerikanske energiministerium, men hver af dem er designet af forskellige entreprenører.

Disharmoni i aerosoldata skyldtes i høj grad forskelle i behandling, siger Mather. Første generations behandling, for eksempel, gennemsnittet af alle rådata over et minut i marken, og anvendte derefter yderligere rettelser.

Forud for harmoniseringsindsatsen der var også en anden forvirring:en betydelig mængde manuel behandling. "Et af problemerne - måske et nøglespørgsmål, " siger Mather, "er, at denne manuelle behandling ikke blev kommunikeret til brugerne eller blev udført på en ensartet måde mellem de to typer systemer."

Alle disse historiske krydsstrømme "gjorde det nødvendigt at automatisere og beskrive så meget af denne behandling som muligt, så det, der blev gjort med dataene, var konsistent og godt beskrevet, " siger han. "Idéen med harmonisering var at komme tættere på ensartet formatering på tværs af alle vores websteder. Og målet er altid at forbedre brugervidenskaben."

Aerosoler:stor betydning, og flere data

Data- og databehandlingsharmoni er vigtig, fordi aerosoler i sig selv er vigtige. De er små, målt i mikrometer og nanometer, men tilsammen udøver disse atmosfæriske partikler betydelig indflydelse på Jorden.

Ved at interagere med solstråling gennem refleksion, absorption, og spredning, aerosoler påvirker direkte stråling. Ud over, aerosoler påvirker Jordens energibalance indirekte gennem deres indvirkning på skydannelsen.

I begyndelsen af ​​1990'erne, aerosoler fra biomasseafbrænding, Vulkanudbrud, og andre kilder var bredt anerkendt for deres indflydelse på strålingsoverførsel i atmosfæren, men der var få data om deres masse, optiske egenskaber, fordeling, eller andre faktorer.

Siden da, måling af aerosoler, Mather siger, "er en kerneegenskab" hos ARM, som i 25 år har indsamlet, behandlet, kvalitetskontrolleret, og arkiverede en lang række målinger, der er relevante for Jordens atmosfære.

Stadig stigende mængder af AOS-data

Trinvist, fra 1996, ARM har indsamlet stigende mængder aerosoldata. Ud over den daglige dataindsamling, SGP var i 2003 stedet for en omfattende aerosolintensiv observationsperiode. I 2005, også hos SGP, kom Aerosol Lidar Validation Experiment (ALIVE). Samme år, ARM Mobile Facility, udstyret med et AOS-system, var klar til at blive udsendt rundt om i verden i 6 til 18 måneder ad gangen. Dens portabilitet gjorde det muligt at fange den regionale variabilitet af aerosoldata.

I 2012 ARM havde AOS-funktioner på sine faste steder, ved to mobile faciliteter, og et ARM Aerial Facility, der tog aerosolmålinger højt op i luftsøjlen.

Alle disse AOS-data strømmede ind - og i 2010 fra to forskellige typer systemer. Hvordan så det ud?

Eksperter hos ARM begyndte at kæmpe med behovet for AOS-harmonisering i 2014, vel vidende, at to brugbare, men adskilte systemer var på plads. Den ene - kald det "oprindelige AOS" - blev bygget af DOE og blev kort efter vejledt af ARM-finansieret personale ved National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Den anden - kald det "næste generation, eller anden generation, AOS" - blev designet og vejledt af DOE's Brookhaven National Laboratory (BNL).

"Der er ingen rigtig måde at tage aerosolprøver på, " siger Doug Sisterson, ARM Instrument Coordinator og en atmosfærisk videnskabsmand baseret på Argonne National Laboratory.

Den typiske AOS-platform har en kerne på mindst 10 instrumenter og hundrede eller flere datastrømme fra hver. Harmoniseringsopgaven - hvordan man oversætter aerosoldata til et fælles sprog - "viste sig at være en ganske massiv virksomhed, " siger Mather. "Jo mere komplekse instrumenterne er, jo mere udfordrende er disse ting."

Det første system, og så to

Den første AOS gik i drift i april 1996 ved Southern Great Plains (SGP) atmosfæriske observatorium i Oklahoma. Anbragt i en selvstændig trailer, det integrerede system med fem instrumenter var udviklet af DOE's Environmental Measurement Program. En vedhæftet indtagsstabel udtaget fra 10 meter over jorden, en højde beregnet for at undgå uklarhed i overfladen. Inden længe, NOAA instrument mentorer, finansieret af ARM, tog ansvaret.

Ud over, ARM begyndte også at behandle AOS-data fra et NOAA-ejet system i Barrow, støder op til ARM's North Slope of Alaska (NSA) websted. Disse Barrow AOS-data er kendt som NSA X1 i ARM Data Center. (NOAA har drevet et AOS-system hos NSA siden 1976.) Hos SGP og hos NSA, NOAA mentorer vedligeholdt systemkalibreringer, overvåget hede og tilstand, og indtog data, før de videresendes til ARM.

I 2009 ARM har indgået kontrakt med BNL om at designe, bygge, og betjene flere nye AOS-systemer. Anden generations systemer præsenterede nye muligheder for driftstilstande og behandlingsinstrumentering sammenlignet med de originale instrumentsuiter til AOS. I dag, de repræsenterer en betydelig udvidelse af nye instrumenter og nye målinger.

AOS mentorer fra BNL omfatter nu Stephen R. Springston, Art Sedlacek, Chongai Kuang, Tom Watson, og andre. (Springston er ledende AOS-mentor for alle de BNL-designede AOS-systemer.)

Efter at næste generations systemer blev implementeret, ARM erkendte, at forskellene i behandling mellem første- og andengenerationssystemer skulle harmoniseres for at levere datasæt, som brugerne lettere kunne sammenligne på tværs af websteder og år. Ud over, fremskridt inden for beregningshastighed og algoritmer havde også muliggjort automatisering af behandlingen af ​​aerosoldataene, hvilket ikke var muligt i 1996. AOS-harmoniseringsprojektet blev igangsat for at gøre brugerne tryg ved at bruge data fra de forskellige systemer til deres videnskabelige forskning.

"Harmonisering søger at sætte målingerne fra alle systemer på lige fod, " siger Springston, "og at gøre forskelle uvæsentlige for slutbrugeren i bedste fald - og i værste fald for at dokumentere forskellene. En spredningsmåling fra et sted i Oklahoma i 1999 skulle kunne sammenlignes med en spredningsmåling i Antarktis i 2016."

Flynn-faktoren

Da DOE sagde "Løs dette, " Connor Flynn trådte ind. PNNL-medarbejderen, instrumenteringsekspert, og ARM Aerosol Working Group Translator har brugt meget tid i de sidste tre år på at arbejde direkte med AOS instrumentmentorerne hos BNL og NOAA; med Josh King på ARM Data Quality Office; og med udviklerne Annette Koontz og Brian Ermold på ARM's Data Management Facility på PNNL.

"Dette har været et konsensusprojekt lige fra begyndelsen, " siger Flynn.

Sisterson mener, at Flynns "storhed forstærkes, når man indser, hvor stort et problem (harmonisering) var."

Springston roser ham for at kæmpe med den "algoritmiske konsistens", der kræves af harmonisering, og siger, at "Connor har knoklet for at forstå forskelle på tværs af alle ARM-platforme, mentorer, operatører, og endda instrumentmodeller."

Flynn startede med teamwork. Han faciliterede partnerskaber mellem mentorer og andre for at nå frem til en tilstand af AOS-harmoni:ensartet automatiseret behandling, et ensartet dataformat, og en målt tillid til at sammenligne resultater fra begge systemer.

Indtil nu, det går godt. Flere elementer i opgaven er allerede afsluttet, herunder harmonisering af de fleste af AOS-aerosoloptiske egenskaber, aerosoletæthed (kondensationspartikeltællere, eller CPC, familie), koncentrationer af skykondensationskerner (CNN-familien), og nogle AOS sporgasmålinger.

Der arbejdes stadig på de mere komplekse instrumenter, inklusive dem, der måler partikelstørrelsesfordelinger, hygroskopisk vækst, og aerosolsammensætning.

De to med en højere prioritet for harmonisering omfatter enkeltpartikelsodfotometer (SP2), bruges til at måle koncentrationen og massen af ​​sodpartikler produceret af kilder såsom naturbrande ned til nanometerområdet, og Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM).

SP2 kræver stadig manuel behandling, siger Flynn, "men gennem harmonisering har vi udviklet autonome rutiner for at give et niveau af real-time operationel sundhed og status."

ACSM, et andet komplekst instrument, måler i realtid den kemiske sammensætning af sub-mikron partikler. Som et massespektrometerinstrument, siger Flynn, dens data "er ret komplicerede at behandle." Det endelige produkt kan altid indeholde en manuel gennemgang, tilføjer han, "men vi arbejder med ACSM mentor, Tom Watson, og instrumentleverandøren, Aerodyne, at forbedre både operationel sundhed og status i realtid, samt kvaliteten af ​​de autonome kemiske arters massekoncentrationer."

Migreringen af ​​AOS-målingerne involverer integration af mentoraktiviteter og databehandling inden for de etablerede normer for ARM-operationer og dets datakvalitetskontor. Før du udvikler disse automatiske indtagelser, kalibreringer, og dataprodukter, siger Flynn, "Næsten alle AOS-data rejste en omstændelig rute, der inkluderede manuel mentorbehandling af data før 'genlevering' af dataene til ARM."

Tre behandlingstrin harmonisering

At tage disse integrations- og automatiseringstrin er kun det første af tre potentielle behandlingstrin til harmonisering, siger Flynn.

Den anden er at lette sammenligningen af ​​AOS-målinger fra forskellige instrumentsuiter - dem designet af både NOAA og BNL. Endelige dataprodukter har nu "dokumenterede niveauer af sammenlignelighed, " siger Flynn, samt præcise og omfattende metadata og et ensartet "look and feel" for slutproduktet.

Det tredje behandlingstrin i harmoniseringen, siger Flynn, "forbedrer synergien mellem samlokaliserede instrumenter inden for den samme AOS-suite."

For eksempel, tre målinger er i øjeblikket taget individuelt for aerosol optisk spredning, udryddelse, og absorption. Et nyt dataprodukt, AOS Aerosol Optical Properties (AOS AOP), evalueres nu, der vil kombinere alle tre samlokaliserede målinger. En lignende indsats vil kombinere målinger af aerosolstørrelsesfordeling fra flere instrumenter til en fælles ramme. Disse nye dataprodukter vil gøre det lettere for brugere at arbejde med ARM-data for at studere aerosolprocesser.

Intercomparison tests på samlokaliserede ARM-instrumenter er allerede blevet udført i Oklahoma og Brasilien.

Harmonisering indtil videre har ført til store forbedringer. Før, sammenligninger mellem optiske egenskaber rapporteret af samlokaliserede AOS-systemer kan vise skævheder på så meget som 25 til 50 procent. Når behandlingen var harmoniseret, siger Flynn, målinger fra de samme instrumenter viser "fremragende overensstemmelse, " med bias så lav som 2 til 3 procent.

De tidligere uoverensstemmelser skyldtes "algoritmiske forskelle i behandlingen af ​​de to systemer, " sagde Springston. "At identificere disse forskelle var et afgørende skridt i harmoniseringen."

De fleste af de vigtigste elementer i harmoniseringsprojektet vil blive udført i efteråret, herunder harmonisering af målinger af aerosolstørrelsesfordeling. "Imidlertid, disse produkter repræsenterer fundamenter, der sandsynligvis vil blive tilføjet i fremtiden, " siger Flynn.

Og hvad med historiske datasæt? Disse kan gøres fra sag til sag, han siger, ved hjælp af en ARM-teknisk anmodning.

Mather, Søster, og Flynn var alle i harmoni på ét punkt:at ARM-databrugere og deres behov kommer først. Alle AOS mentorer "tror også på dette, " siger Springston.

Under harmoniseringsprocessen, siger Flynn, brugere bør især bruge og evaluere AOS AOP C-niveau-produktet. ("C-niveau" betragtes som det bedste niveau af data i ARM.) I mellemtiden, ARM-faciliteten vil anbefale (og arkivere) det højeste behandlingsniveau for hvert instruments datastrøm.

Der er et større billede at overveje, Flynn siger:at få aerosoldata rigtigt er meget vigtigt i den nuværende tilstand af atmosfærisk videnskab. "En af de største usikkerheder er virkningen af ​​aerosoler på strålingsbudgettet, " siger han. Det budget er solbalancen, der påvirker både forandring og ligevægt i planetens atmosfære.

En endnu større usikkerhed i de nuværende modeller er dannelsen af ​​skyer, de meget store flygtige vektorer af skygge, regn, afkøling, opvarmning, og planetarisk albedo, der er frøet af meget små aerosoler. Så at binde vigtige aerosoler data sammen på en harmoniseret måde, siger Flynn, "er enorm."