LASSO-casestudie—tapping af ARMs Doppler-lidarer

Cumulus skyer, lavt og regnfrit, få deres navn fra det latinske ord for "dynge". Med flade bunde og hævede overflader, sådanne skyer ser ud til at boble ind i himlen, bliver grå forneden og strålende hvid foroven.

Hvordan disse skyer dannes, er af stor interesse for videnskabsmænd. De reflekterer meget sollys og spiller en vigtig rolle i, hvordan varme og vanddamp fordeler sig i den nedre atmosfære, påvirker overfladetemperaturen, og jordfugtighed.

Disse skyer og andre dannes, når varme og fugt stiger fra jordens overflade til den køligere atmosfære. Updrafts er motoren i denne bevægelse, sammen med den nedadgående og blandende bevægelse skabt af konkurrerende downdrafts.

"Lavvandede cumulusskyer er den visuelle manifestation af opstrømningen, " forklarer Pavlos Kollias, en atmosfærisk videnskabsmand ved Brookhaven National Laboratory (BNL) på Long Island, New York. (Han har også en fælles aftale på det nærliggende Stony Brook University.)

Tidlige undersøgelser af, hvordan sådanne skyer fungerer, brugte profileringsskyradarer. Disse instrumenter, typisk indsat på jordbaserede steder, tage hurtige højopløselige målinger af forhold (inklusive vindhastighed) i en smal søjle lige over radaren.

Kollias huskede sine kandidatstudier i lavvandet cumulus ved University of Miami med mentor Bruce Albrecht. "Dengang, " han siger, "at bruge en profileringsradar var alt, hvad vi kunne håbe på."

I dag, skyprofileringsinstrumentering er fremtrædende placeret ved Southern Great Plains (SGP) atmosfæriske observatorium, drives af U.S. Department of Energy's (DOE's) brugerfacilitet for atmosfærisk strålingsmåling (ARM).

Fastgør lodret hastighed

Kollias er en del af et BNL-baseret team, der udvider de anvendte instrumenter ved at inkludere Doppler lidar for at forbedre evalueringen af ​​modeller. Dette fører til bedre skøn over størrelsen og rækkevidden af ​​skydannende op- og nedløb ved og under skybasen.

Den lodrette hastighed ved skybasen, han siger, "er en meget vigtig parameter" for at forstå udviklingen af ​​atmosfærens grænselag og skyers livscyklusser. Mere nøjagtigt at repræsentere vertikal hastighed og dens interaktion med skyer ville forbedre den forudsigelige nøjagtighed af jordsystemmodeller.

"Skybasen er der, hvor skyer genereres, og der går en masse energi ind i det, siger hans kollega, Satoshi Endo, en videnskabelig medarbejder hos BNL, hvis ekspertise er højopløsningsmodellering, skyfysik, og grænselagsmeteorologi.

Det gør "skybasens vertikale hastighed til en væsentlig egenskab for at forstå dannelsen og udviklingen af ​​skyer, " tilføjer han. "Det kvantificerer også udvekslingen af ​​luft mellem grænselaget og atmosfæren ovenover, og repræsenterer lodret transport af skyer."

Alligevel er modeller og observationer ofte ikke enige om den lodrette hastighed ved skybasen.

BNL-forskerne mener, at en forbedring af modelleringen af ​​skallen ved kanten af ​​disse skyer i det mindste delvist kan forklare, hvorfor observationer og modeller varierer.

Tilføjelse af Doppler lidar

Kollias og kolleger hos BNL og andre steder bringer Doppler-lidarer ind i måle- og modelevalueringsskemaet. De mener, at dets målestyrker kunne hjælpe med at lukke kløften mellem modeller og observationer i karakteriseringen af ​​skybasen.

Det primære team er en tværfaglig gruppe af observationalister og modelbyggere. Endo og Damao Zhang, en forskningsmedarbejder, der studerer skyens fysiske egenskaber og specialiserer sig i genfindingsalgoritmer, laver det tunge løft.

BNL's Andrew Vogelmann runder hovedholdet med Kollias, projektets hovedefterforsker.

Doppler lidar er en fjernregistreringsteknologi, der ligner radar, der sender en laserimpuls op i luften og ser efter, hvilket lys der spredes tilbage af små partikler. Denne information bruges derefter analytisk til at se, om partiklerne bevæger sig mod eller væk fra enheden, blandt andre detaljer.

I modsætning til radar, Doppler lidar kan "se" vinde, når der ikke er skyer; den fornemmer, hvordan aerosoler spredes og fortolker disse signaler.

Og i modsætning til radar, lidar er heller ikke forvekslet af atmosfærisk biota (hovedsagelig insekter).

Indførelse af koncentrerede Doppler-lidar-data blev muligt for to år siden. Det var da ARM tilføjede et netværk af fire lidarer i en ring omkring en, der allerede kører på SGP's centrale facilitet. Lidar-netværket er opstillet i nordvest, nordøst, sydvest, og sydøstlige hjørner af et område på 90 kilometer (56 miles) i diameter.

Hyrde sky 'kvæg'

BNL-teamets indsats er en del af DOE's Climate Model Development and Validation (CMDV) "Coupling Mechanistically the Convective Motions and Cloud Macrophysics in a Climate Model" (CM4) projekt.

Formålet med CM4 er dramatisk at forbedre repræsentationen af ​​lav konvektion gennem avancerede observationsanalyser af lavvandet cumulus. CM4 udvikler avancerede metoder til modellering af parametrisering.

Holdleder for CMDV-CM4 er David Romps ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Hans medefterforskere er fra BNL (inklusive Kollias, Vogelmann, og meteorolog Michael Jensen), sammen med samarbejdspartnere fra University of Washington og University of Texas, Austin.

Projektet, støttet af DOE's Atmospheric System Research-program, blev officielt lanceret i 2016. Den bruger en ny pakke af instrumenter i søgen efter indsigt i lavsky-adfærd. Denne suite inkluderer nu SGPs forbedrede række af Doppler-lidarer.

Målet for den forbedrede repræsentation er DOE's Energy Exascale Earth System Model (E3SM), som lægger vægt på at modellere hele jordsystemet med henblik på at udnytte DOE's næste generation af exascale computing.

Det er vanskeligt at repræsentere konvektiv bevægelse i modeller, fordi updrafts og downdrafts er komplekse turbulente hvirvler, der bobler op og ned.

Tænk på turbulente skyer, der dannes opad som en "flok kvæg på vej i samme retning, siger Vogelmann, "selvom hver ko måske bevæger sig lidt anderledes end de andre."

Vogelmann og hans team kæmper med, hvordan man repræsenterer skybaseret vertikal hastighed ved at evaluere forskellen mellem observationer og simuleringer.

Doppler lidar placeret ved SGP gav Vogelmann og de andre forskere en måde at få data om den turbulente flok kvæg, der havde travlt med at danne skyer.

Derfra, BNL-teamet formulerede en udvidet strategi til vurdering af modeller ved at tilføje i det nyligt tilgængelige arkiv af ARM-rutine large-eddy simulations (LES), der er designet til at komplementere ARM-observationer.

Simuleringsbiblioteket, baseret på daglige rutinemålinger hos SGP, kaldes LASSO, som står for LES ARM symbiotisk simulering og observation arbejdsgang.

LASSO laver 3-D modellerede skyfelter, Statistikker, og modelindgange, der er let tilgængelige, giver forskere mulighed for at teste modeller ved at bruge statistiske tilgange ud over enkeltsager.

Dens rutinemodelsimuleringer fanger aktiviteten af ​​lavvandede cumulusskyer under LES-forhold ved SGP - den slags robuste, observationsbaserede simuleringer, som modelbyggere har brug for. Dataene er pakket i datapakker fra et bibliotek med overskyede dage, nøje udvalgt af LASSO-administratorer.

LASSO gør det også nemt at få disse data.

"Det er ikke trivielt, siger Vogelmann, da det tager så lang tid at samle en lignende datapakke for en enkelt dag, meget mindre en række dage. "Der sker en masse ting i baggrunden."

Han er co-principal investigator på LASSO-projektet, sluttet sig til William Gustafson fra Pacific Northwest National Laboratory.

Brug af LASSO databundter slår opsætning af en model baseret på "bare en sej dag", som måske ikke repræsenterer himmelmiljøet godt i en model, siger Vogelmann. "Du skal køre modellen med en realistisk atmosfære."

Lidar-LASSO synergi

Vogelmann og de andre havde et glimt af, hvad de kunne gøre for et år siden. Det er gradvist kommet i fokus siden da under et par offentlige samtaler, begyndende med et sidste efterår ved American Geophysical Union-mødet. Seneste, de præsenterede en tale på juli American Meteorological Society Cloud Physics møde.

Der er ikke noget papir endnu siger Vogelmann (en er i gang), men responsen på samtalerne fra modelmiljøet har hidtil været god. Det inkluderer interesse for, hvad han kalder de "forbløffende robuste" resultater, og hvor godt "miljøet er sat ind i modellen."

Baseret på de fem Doppler lidarer, forskerne satte sig for at observere statistikker over skybaseret vertikal hastighed ved SGP og at teste LES ved hjælp af LASSO.

De brugte SGP lidar observationer fra maj til september 2016 og 2017, identificeret lavvandet cumuli i godt vejr, og både observeret og simuleret skybaseret lodret hastighed.

Deres LASSO-simuleringer trak på en række 2016-cases, der blev kørt med fællesskabets Weather Research and Forecasting (WRF) model inden for et 14,5 kilometer langt domæne af himlen.

Yderligere arbejde forude omfatter kontrol af vertikale hastighedsobservationer fra flyforskningskampagner og afprøvning af interaktive land-overflademodeller.

"Vi har investeret meget tid i at forstå og analysere observationerne, siger Kollias, opsummering. "Den igangværende indsats er på ingen måde nedslående. Det er alt, hvad vi håbede på."