L'armonia è uno stato di accordo e cooperazione.

Questo stato dell'essere è necessario anche per i sistemi di osservazione degli aerosol (AOS) gestiti dall'Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Facility, una struttura per utenti scientifici per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Alcuni anni fa, gli esperti di ARM hanno scoperto differenze nei prodotti di dati finali collegati a un set di strumenti AOS in vigore prima del 2010, e un altro set progettato e distribuito dopo.

In risposta, ARM ha avviato un progetto intensivo tre anni fa per armonizzare gli strumenti di osservazione dell'aerosol e i flussi di dati archiviati che hanno origine da essi. Questo progetto di armonizzazione dell'AM, in divenire per tre anni complicati e impegnativi, sarà in gran parte fatto entro questo autunno.

"Lo scopo dell'armonizzazione è unificare l'elaborazione in modo che il prodotto dei dati finali possa essere confrontato con la cronologia delle misurazioni di ARM, " afferma il direttore tecnico di ARM Jim Mather, uno scienziato atmosferico presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Elaborazione di prima generazione

Al centro del problema ci sono due generazioni di sistemi di misura, entrambi finanziati dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ma ciascuno di essi progettato da diversi appaltatori.

La disarmonia nei dati sugli aerosol derivava in gran parte dalle differenze nell'elaborazione, dice Mater. Elaborazione di prima generazione, ad esempio, media di tutti i dati grezzi su un minuto sul campo, e poi ha applicato ulteriori correzioni.

Prima dello sforzo di armonizzazione, c'era anche un altro fattore di confusione:una quantità significativa di elaborazione manuale. "Uno dei problemi, forse un problema chiave, "dice Mater, "è che questo trattamento manuale non veniva comunicato agli utenti o svolto in modo uniforme tra i due tipi di sistemi".

Tutti questi incroci storici "hanno reso necessario automatizzare e descrivere quanto più possibile questa elaborazione, in modo che ciò che veniva fatto ai dati fosse coerente e ben descritto, " dice. "L'idea di armonizzazione era avvicinarsi a una formattazione uniforme in tutti i nostri siti. E l'obiettivo è sempre quello di migliorare la scienza degli utenti".

Aerosol:grande importanza, e più dati

L'armonia tra i dati e l'elaborazione dei dati è importante perché gli aerosol stessi sono importanti. sono piccoli, misurato in micrometri e nanometri, ma collettivamente queste particelle atmosferiche esercitano un'influenza significativa sulla Terra.

Interagendo con la radiazione solare attraverso la riflessione, assorbimento, e dispersione, gli aerosol influenzano direttamente le radiazioni. Inoltre, gli aerosol influenzano indirettamente il bilancio energetico della Terra attraverso il loro impatto sulla formazione delle nubi.

All'inizio degli anni '90, aerosol da combustione di biomasse, eruzioni vulcaniche, e altre sorgenti erano ampiamente riconosciute per la loro influenza sul trasferimento di radiazioni nell'atmosfera, ma c'erano pochi dati sulla loro massa, proprietà ottiche, distribuzione, o altri fattori.

Da allora, misurare gli aerosol, Madre dice, "è una capacità fondamentale" in ARM, che da 25 anni raccoglie, elaborato, qualità controllata, e archiviato un'ampia gamma di misurazioni relative all'atmosfera terrestre.

Quantità sempre crescenti di dati AOS

Incrementalmente, a partire dal 1996, ARM ha raccolto quantità crescenti di dati sugli aerosol. Oltre alla raccolta di dati quotidiana, il PSC è stato nel 2003 il sito di un completo periodo di osservazione intensiva di aerosol. Nel 2005, anche a SGP, è arrivato l'Esperimento di Validazione del Lidar Aerosol (ALIVE). Quello stesso anno, la struttura mobile ARM, dotato di un sistema AOS, era pronto per essere distribuito in tutto il mondo per 6-18 mesi alla volta. La sua portabilità ha permesso di catturare la variabilità regionale dei dati sugli aerosol.

Entro il 2012, ARM aveva capacità AOS nei suoi siti fissi, presso due strutture mobili, e un impianto aereo ARM che ha effettuato misurazioni di aerosol in alto nella colonna d'aria.

Tutti questi dati AOS erano in streaming e nel 2010 da due diversi tipi di sistemi. Come sembrava?

Gli esperti di ARM hanno iniziato a confrontarsi con la necessità di un'armonizzazione dell'AM nel 2014, sapendo che esistevano due sistemi funzionanti ma distinti. Uno—chiamiamolo "originale AOS"—è stato costruito dal DOE e subito dopo è stato seguito dal personale finanziato da ARM presso la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). L'altro, chiamalo "prossima generazione, o di seconda generazione, AOS"—è stato progettato e seguito dal Brookhaven National Laboratory (BNL) del DOE.

"Non esiste un modo giusto per eseguire il campionamento dell'aerosol, "dice Doug Sisterson, ARM Instrument Coordinator e uno scienziato atmosferico con sede presso l'Argonne National Laboratory.

La tipica piattaforma AOS ha un nucleo di almeno 10 strumenti e un centinaio o più flussi di dati provenienti da ciascuno. Il compito di armonizzazione - come tradurre i dati sugli aerosol in un linguaggio comune - "si è rivelato un'impresa piuttosto imponente, " dice Mather. "Più complessi sono gli strumenti, più queste cose sono difficili".

Primo un sistema, e poi due

Il primo AOS è entrato in funzione nell'aprile 1996 presso l'osservatorio atmosferico delle Grandi Pianure Meridionali (SGP) in Oklahoma. Ospitato in un rimorchio autonomo, il sistema integrato a cinque strumenti era stato sviluppato dal programma di misurazione ambientale del DOE. Un camino di aspirazione annesso campionato da 10 metri dal suolo, un'altezza calcolata per evitare la torbidità della superficie. In poco tempo, Mentori di strumenti NOAA, finanziato da ARM, preso in carico.

Inoltre, ARM ha anche iniziato a elaborare i dati AOS da un sistema di proprietà della NOAA a Barrow, adiacente al sito del North Slope of Alaska (NSA) di ARM. Questi dati Barrow AOS sono noti come NSA X1 nel Data Center ARM. (NOAA gestisce un sistema AOS alla NSA dal 1976.) Alla SGP e alla NSA, I mentori NOAA hanno mantenuto le calibrazioni del sistema, salute e stato monitorati, e dati importati prima di inoltrarli ad ARM.

Nel 2009, ARM ha incaricato BNL di progettare, costruire, e gestire diversi nuovi sistemi AOS. I sistemi di seconda generazione hanno presentato nuove opportunità per le modalità operative e la strumentazione di elaborazione rispetto alle suite di strumenti originali per AOS. Oggi, rappresentano una significativa espansione di nuovi strumenti e nuove misurazioni.

I mentori dell'AM di BNL ora includono Stephen R. Springston, Arte Sedlacek, Chongai Kuang, Tom Watson, e altri. (Springston è il mentore principale dell'AOS per tutti i sistemi AOS progettati da BNL.)

Dopo l'implementazione dei sistemi di nuova generazione, ARM ha riconosciuto che le differenze nell'elaborazione tra i sistemi di prima e seconda generazione dovevano essere armonizzate per fornire set di dati che gli utenti potessero confrontare più facilmente tra siti e anni. Inoltre, i progressi nella velocità di calcolo e negli algoritmi avevano anche consentito l'automazione dell'elaborazione dei dati sugli aerosol che non era possibile nel 1996. Il progetto di armonizzazione AOS è stato avviato per consentire agli utenti di utilizzare i dati dei diversi sistemi per la loro ricerca scientifica.

"L'armonizzazione mira a mettere le misurazioni di tutti i sistemi su un piano di parità, "dice Springston, "e nel migliore dei casi rendere le differenze irrilevanti per l'utente finale e, nel peggiore dei casi, documentare le differenze. Una misurazione di dispersione da un sito in Oklahoma nel 1999 dovrebbe essere paragonabile a una misurazione di dispersione in Antartide nel 2016".

Il fattore Flynn

Quando il DOE ha detto "Risolvi questo, " Connor Flynn è intervenuto. Lo scienziato dello staff del PNNL, esperto di strumentazione, e ARM Aerosol Working Group Translator ha trascorso molto tempo negli ultimi tre anni lavorando direttamente con i mentori dello strumento AOS presso BNL e NOAA; con Josh King presso l'ARM Data Quality Office; e con gli sviluppatori Annette Koontz e Brian Ermold presso il Data Management Facility di ARM al PNNL.

"Questo è stato un progetto di consenso fin dall'inizio, "dice Flynn.

Sisterson sostiene che "la grandezza di Flynn è amplificata quando ti rendi conto di quanto fosse grande un problema (l'armonizzazione)".

Springston lo loda per essere alle prese con la "coerenza algoritmica" richiesta dall'armonizzazione, e afferma che "Connor ha lavorato duramente per comprendere le differenze tra tutte le piattaforme ARM, mentori, operatori, e persino modelli di strumenti."

Flynn ha iniziato con il lavoro di squadra. Ha facilitato le collaborazioni tra mentori e altri per arrivare a uno stato di armonia dell'AM:elaborazione automatizzata uniforme, un formato dati uniforme, e una misurata confidenza nel confrontare i risultati di entrambi i sistemi.

Finora, le cose stanno andando bene. Diversi elementi dell'attività sono già stati completati, compresa l'armonizzazione della maggior parte delle proprietà ottiche dell'aerosol AOS, densità del numero di aerosol (i contatori di particelle di condensazione, o CPC, famiglia), concentrazioni di nuclei di condensazione delle nuvole (la famiglia CNN), e alcune misurazioni di gas traccia AOS.

Sono ancora in lavorazione gli strumenti più complessi, compresi quelli che misurano le distribuzioni granulometriche, crescita igroscopica, e composizione dell'aerosol.

I due con una priorità più alta per l'armonizzazione includono il fotometro per fuliggine a particella singola (SP2), utilizzato per misurare la concentrazione e la massa delle particelle di fuliggine prodotte da fonti come gli incendi boschivi fino alla gamma dei nanometri, e l'Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM).

L'SP2 richiede ancora l'elaborazione manuale, dice Flynn, "ma attraverso l'armonizzazione abbiamo sviluppato routine autonome per fornire un livello di salute e stato operativo in tempo reale".

L'ACSM, un altro strumento complesso, misura in tempo reale la composizione chimica delle particelle submicroniche. Come strumento di spettrometro di massa, dice Flynn, i suoi dati "sono piuttosto complicati da elaborare". Il prodotto finale può sempre includere una revisione manuale, Aggiunge, "ma stiamo lavorando con il mentore ACSM, Tom Watson, e il venditore di strumenti, aerodinamico, per migliorare sia la salute che lo stato operativo in tempo reale, così come la qualità delle concentrazioni di massa delle specie chimiche autonome."

La migrazione delle misurazioni dell'AOS comporta l'integrazione delle attività di tutoraggio e di elaborazione dei dati all'interno delle norme stabilite delle operazioni ARM e del suo Data Quality Office. Prima di sviluppare queste acquisizioni automatizzate, calibrazioni, e prodotti di dati, dice Flynn, "quasi tutti i dati AOS hanno percorso un percorso tortuoso che includeva l'elaborazione manuale dei dati da parte del mentore prima della 'riconsegna' dei dati ad ARM".

Armonizzazione di tre fasi di lavorazione

L'adozione di questi passaggi di integrazione e automazione è solo la prima delle tre potenziali fasi di elaborazione verso l'armonizzazione, dice Flynn.

Il secondo è facilitare il confronto delle misurazioni AOS da diverse suite di strumenti, quelle progettate sia da NOAA che da BNL. I prodotti dei dati finali ora hanno "livelli documentati di comparabilità, "dice Flynn, così come metadati accurati e completi e un "look and feel" uniforme per il prodotto finale.

La terza fase di elaborazione dell'armonizzazione, dice Flynn, sta "migliorando la sinergia degli strumenti collocati all'interno della stessa suite AOS".

Per esempio, attualmente vengono effettuate tre misurazioni singolarmente per la diffusione ottica dell'aerosol, estinzione, e assorbimento. Un nuovo prodotto di dati, Proprietà ottiche dell'aerosol AOS (AOS AOP), è in fase di valutazione ora che combinerà tutte e tre le misurazioni collocate. Uno sforzo simile combinerà le misurazioni della distribuzione delle dimensioni dell'aerosol da più strumenti in un quadro comune. Questi nuovi prodotti di dati renderanno più facile per gli utenti lavorare con i dati ARM per studiare i processi di aerosol.

Sono già stati effettuati test di intercomparazione su strumenti ARM collocati in Oklahoma e in Brasile.

L'armonizzazione finora ha portato grandi miglioramenti. Prima, i confronti tra le proprietà ottiche riportate dai sistemi AOS collocati insieme potrebbero mostrare distorsioni fino al 25-50 percento. Una volta armonizzata la lavorazione, dice Flynn, le misurazioni degli stessi strumenti mostrano "eccellente accordo, " con una distorsione del 2-3 percento.

Le discrepanze precedenti erano dovute a "differenze algoritmiche nell'elaborazione da parte dei due sistemi, " ha detto Springston. "Identificare queste differenze è stato un passo cruciale nell'armonizzazione".

La maggior parte degli elementi principali del progetto di armonizzazione sarà realizzata quest'autunno, compresa l'armonizzazione delle misurazioni della distribuzione dimensionale dell'aerosol. "Però, questi prodotti rappresentano delle basi che probabilmente verranno aggiunte in futuro, "dice Flynn.

E per quanto riguarda i set di dati storici? Questi possono essere fatti caso per caso, lui dice, tramite una richiesta di ingegneria ARM.

Madre, Sorella, e Flynn erano tutti in armonia su un punto:che gli utenti dei dati ARM e le loro esigenze vengono prima di tutto. Tutti i mentori dell'AM "credono anche questo, "dice Springstone.

Durante il processo di armonizzazione, dice Flynn, gli utenti dovrebbero utilizzare e valutare in particolare il prodotto AOS AOP C-level. ("C-level" è considerato il miglior livello di dati in ARM.) Nel frattempo, la struttura ARM raccomanderà (e archivierà) il livello di elaborazione più elevato del flusso di dati di ogni strumento.

C'è un quadro più grande da considerare, Flynn dice:ottenere dati sugli aerosol corretti è molto importante allo stato attuale della scienza dell'atmosfera. "Una delle maggiori incertezze è l'impatto degli aerosol sul bilancio delle radiazioni, " dice. Quel bilancio è il bilancio solare che influenza sia il cambiamento che l'equilibrio nell'atmosfera del pianeta.

Un'incertezza ancora più grande nei modelli attuali è la formazione di nuvole, quei grandissimi effimeri vettori d'ombra, piovere, raffreddamento, riscaldamento, e albedo planetario che sono seminati da aerosol molto piccoli. Quindi, collegando i dati chiave sugli aerosol in modo armonizzato, dice Flynn, "è enorme."