Argonne giver en hånd til klima- og vejrforståelse

På sommeraftener, højt over overfladen af ​​de sydlige store sletter, der opstår et fænomen, der bidrager væsentligt til klimadynamikken i regionen. Kaldes lav-niveau jetfly, disse vinde kan nå hastigheder op til 55 mph, og de spiller en rolle i transporten af ​​varme og fugt ind i regionen og bidrager til udviklingen af ​​tornadoer og generering af vindenergi.

Få løbende vindprofiler, temperatur og luftfugtighed forbundet med disse lavtliggende jetfly er vigtig for at forbedre nøjagtigheden af ​​atmosfæriske modeller som National Oceanic and Atmospheric Administrations (NOAA) High-Resolution Rapid Refresh-model, som giver prognoser forbundet med farligt vejr.

NOAA og lignende organisationer rundt om i verden er afhængige af Atmospheric Radiation Measurement (ARM) User Facility til at levere disse typer af langsigtede observationer af atmosfæren – hvad enten det er i Oklahoma eller Oliktok Point, Alaska. Sponsoreret af US Department of Energy (DOE) Office of Science, ARM's mission er at fremme vores forståelse af cloud, aerosol, nedbørs- og strålingsprocesser og levere data til bedre at repræsentere disse fænomener i modeller i global skala.

ARM tjener som en eksemplarisk illustration af DOE-samarbejde. Ni DOE nationale laboratorier, herunder Argonne National Laboratory, er involveret i driften eller ledelsen af ​​tre faste og tre mobile atmosfæriske observatorier, samt drift og vedligeholdelse af 400 meteorologiske instrumenter, og et luftanlæg, der omfatter et fly og ubemandede luftsystemer.

"Jeg tror, ​​at fordelene ved et så stort samarbejde er domæneekspertisen på de forskellige laboratorier, samt regional ekspertise, " sagde James Mather, ARM teknisk direktør ved Pacific Northwest National Laboratory. "Og med ARM, der er mulighed for at udnytte mulighederne i hvert laboratorium. Jeg er meget stolt af, hvordan det hele hænger sammen, " tilføjede han. "ARM-faciliteten bliver ofte holdt frem som, hvordan et multilaboratorieprogram kan fungere."

Hvor i alverden er de?

ARM's tre faste stationer er placeret på punkter rundt om på kloden, der taler til mangfoldigheden af ​​Jordens klima:North Slope of Alaska observatorium er nær byen Utqiagvik; det østlige nordatlantiske observatorium ligger på Graciosa Island, på Azorerne, Portugal; og Southern Great Plains (SGP) faciliteterne er placeret i Oklahoma og Kansas.

De mobile observatorier og deres brugere får se lidt mere af verden, men de forbruger meget af ARMs interne aktiviteter. Som at flytte et mega rock n' roll band på tværs af landet, ARM-personale indsætter ti 20 fod lange skibscontainere lastet med cirka 50 instrumenter til områder af klimamæssig interesse, fra Antarktis og Stillehavet, til Afrika, Europa og Kina.

Disse feltkampagner varer ofte et år, og den videnskabelige indvirkning varierer baseret på placering og andre faktorer, som hvor godt det indsatte udstyr fungerer, finansiering og, godt, natur.

"Når du laver laboratorieforsøg, du kan sætte tingene op, som du vil, du kan lave så mange gentagelser som du vil, " bemærkede Mather. "Men når du laver en atmosfærisk undersøgelse, du stoler på, hvad naturen bringer."

Længere kampagner giver efterforskere mulighed for at observere lignende typer tilstande flere gange for at afgøre, om en begivenhed var en anomali eller en del af et større mønster, og for bedre at forstå variabiliteten af ​​visse fænomener.

Argonne går mod vest

Ud over at dets forskere udfører klimaforskning ved hjælp af ARM-data, Argonne leder også SGP-observatoriet. Den ældste og største af de faste ARM -websteder, SGPs centrale facilitet ligger i Lamont, Oklahoma - hvor, ikke så ironisk nok, vinden kommer fejer ned ad sletten - dens 17 udvidede faciliteter drysser rigeligt ud over det nordlige centrale Oklahoma og det sydlige Kansas.

SGP's ekspansive karakter og det arbejde, den udfører, er tæt knyttet til dets geografi. Beliggende i nærheden af ​​andre forskningsinstitutioner, ligesom National Weather Service Storm Prediction Center og National Severe Storms Laboratory, det omfatter en række forskellige landlige miljøer og, måske endnu vigtigere, er beliggende i en klimatisk overgangszone.

"Det er der, du har fire sæsoner, "forklarede Argonnes Mike Ritsche, SGP site manager. "At være i stand til at måle, hvad der sker over dit hoved hver dag i disse overgangsperioder er vigtigt, fordi vejret altid er anderledes."

For at give en løbende registrering af denne overgangszone, SGP-personale udfører fire vejrballonopsendelser om dagen, hver sjette time, 365 dage om året. Ballonerne måler temperatur, relativ luftfugtighed, vindhastighed og retning og atmosfærisk tryk, giver en krævende vertikal profil af atmosfæren, fra overfladen gennem det laveste lag af atmosfæren, hvor der er mest vejr.

Den mest instrumenterede af ARM-faciliteterne, SGP er udstyret med næsten 200 instrumenter, som Doppler lidarer og skyradarer, der giver brugerne yderligere måder at visualisere atmosfæren vertikalt og, mere specifikt, den lodrette fordeling af skyer.

Denne variation i klimaet og geografien i regionen, kombineret med SGP's store værktøjssæt, skaber et naturligt laboratorium til måling af dynamikken i skyer og aerosoler, og hvordan de interagerer med jordens overflade, som SGP-forskere også måler og karakteriserer.

"Fugtprofilen, der kommer fra en hvedemark versus en græsgang versus et skovområde er alle forskellige, "sagde Nicki Hickmon, ARM associeret direktør for drift. "Den forskel, sammen med andre variabler, afgør, om vi får skyer eller bare noget dis. Hvordan vil det påvirke solstrålingen, der kommer ind og ud? Det er det vi måler det er en af ​​de ting, vi prøver at komme frem til."

Leverancerne, hun sagde, er kvalitetsdata og -observationer – usikkerheder og kvalitetsproblemer behørigt bemærket – tilgængelige for klimaforskere over hele kloden for at hjælpe med at udvikle og validere globale klima- og vejrmodeller.

En brugers perspektiv

I 2018, 1, 173 brugere fik enten adgang til data fra ARM, erhvervet fjernadgang til højtydende computerressourcer fra sit datacenter ved Oak Ridge National Laboratory eller udført et vist niveau af feltarbejde på et af ARM-observatorierne.

En af dem er den selverklærede strømbruger Dave Turner, leder af NOAA's Atmospheric Science for Renewable Energy (ASRE) program i dets Earth System Research Laboratory, og leder af Model Assessment Section i Assimilation Development Branch i laboratoriets division Global Systems.

Associeret med ARM i en vis kapacitet siden 1994, hans arbejde drejer sig, delvis, omkring forbedring af prognosemodeller, ligesom NOAA's High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) model, at hjælpe energiselskaber med at estimere den daglige energiproduktion fra vedvarende energikilder.

"Udfordringen er, hvis de forventer at producere 10 megawatt fra solenergi til i morgen, men i morgen er det overskyet, og de får kun en megawatt, de skal stadig finde ud af, hvordan de skal forsyne de andre ni, " bemærkede Turner.

Turner forsøger at bruge ARM-observationer, især dem fra SGP-stedet, at hjælpe energiselskaber med at skabe mere præcise forudsigelser - forståelse for, hvordan potentielle skyegenskaber påvirker solenergiprognoser, mens den verificerer, om HRRR nøjagtigt forudsiger disse lavniveau-jetfly på tværs af de centrale sletter, hvilket er vigtigt ud fra et vindenergiperspektiv.

"SGP er måske det bedste atmosfæriske observatorium i verden, og jeg har været hos mange af dem, " sagde Turner. "De måler flere variabler med forskellige instrumenter og giver et mere komplet billede af, hvad der sker i atmosfæren, end du kunne finde andre steder."