Nelle sere d'estate, alto sopra la superficie delle Grandi Pianure meridionali, si verifica un fenomeno che contribuisce in modo significativo alle dinamiche climatiche della regione. Chiamati getti di basso livello, questi venti possono raggiungere velocità superiori a 55 mph, e svolgono un ruolo nel trasporto di calore e umidità nella regione e contribuiscono allo sviluppo di tornado e alla generazione di energia eolica.

Ottenere profili continui di vento, la temperatura e l'umidità associate a questi getti di basso livello sono importanti per migliorare l'accuratezza dei modelli atmosferici come il modello di aggiornamento rapido ad alta risoluzione della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), che fornisce previsioni associate a condizioni meteorologiche pericolose.

NOAA e organizzazioni simili in tutto il mondo si affidano all'Atmospheric Radiation Measurement (ARM) User Facility per fornire questi tipi di osservazioni a lungo termine dell'atmosfera, sia in Oklahoma che a Oliktok Point, dell'Alaska. Sponsorizzato dall'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), La missione di ARM è far progredire la nostra comprensione del cloud, aerosol, processi di precipitazione e radiazione e fornire i dati per rappresentare meglio questi fenomeni in modelli su scala globale.

ARM serve come illustrazione esemplare della collaborazione DOE. Nove laboratori nazionali DOE, compreso il Laboratorio Nazionale Argonne, sono coinvolti nel funzionamento o nella gestione di tre osservatori atmosferici fissi e tre mobili, così come il funzionamento e la manutenzione di 400 strumenti meteorologici, e una struttura aerea che include un aereo e sistemi aerei senza equipaggio.

"Penso che i vantaggi di una collaborazione così ampia siano le competenze di dominio nei vari laboratori, oltre alle competenze regionali, " ha detto James Mather, Direttore tecnico ARM presso il Pacific Northwest National Laboratory. "E con ARM, c'è un'opportunità per sfruttare le capacità di ogni laboratorio. Sono molto orgoglioso di come l'intera cosa si riunisce, " ha aggiunto. "La struttura ARM è spesso considerata come il modo in cui può funzionare un programma multi-laboratorio".

Dove nel mondo sono?

Le tre stazioni fisse di ARM si trovano in punti di tutto il mondo che parlano della diversità del clima terrestre:l'osservatorio del North Slope of Alaska è vicino alla città di Utqiagvik; l'osservatorio dell'Atlantico settentrionale orientale si trova sull'isola di Graciosa, nelle Azzorre, Portogallo; e le strutture delle Grandi Pianure Meridionali (SGP) si trovano in Oklahoma e Kansas.

Gli osservatori mobili e i loro utenti possono vedere un po' di più del mondo, ma consumano gran parte delle attività interne di ARM. Come spostare una mega band rock n' roll attraverso il paese, Il personale ARM schiera dieci container lunghi 20 piedi carichi di circa 50 strumenti in aree di interesse climatico, dall'Antartide e dall'Oceano Pacifico, all'Africa, Europa e Cina.

Queste campagne sul campo spesso durano un anno, e l'impatto della scienza varia in base alla posizione e ad altri fattori, come il funzionamento delle apparecchiature schierate, finanziamento e, bene, natura.

"Quando fai esperimenti di laboratorio, puoi sistemare le cose come vuoi, puoi fare tutte le iterazioni che vuoi, " osservò Mather. "Ma quando fai uno studio atmosferico, ti affidi a ciò che la natura porta."

Campagne più lunghe consentono agli investigatori l'opportunità di osservare più volte tipi simili di condizioni per determinare se un evento era un'anomalia o parte di un modello più ampio e per comprendere meglio la variabilità di determinati fenomeni.

Argonne si dirige a ovest

Oltre ai suoi scienziati che conducono ricerche sul clima utilizzando i dati ARM, Argonne gestisce anche l'osservatorio SGP. Il più antico e il più grande dei siti ARM fissi, La sede centrale di SGP si trova a Lamont, Oklahoma, dove, non così ironicamente, il vento si abbatte sulla pianura:le sue 17 strutture estese sono sparse liberamente in tutto il centro-nord dell'Oklahoma e nel sud del Kansas.

La natura espansiva del PSC e il lavoro che svolge sono intimamente legati alla sua geografia. Situato vicino ad altri istituti di ricerca, come il National Weather Service Storm Prediction Center e il National Severe Storms Laboratory, comprende una varietà di ambienti rurali e, forse più importante, si trova in una zona di transizione climatica.

"Ecco dove hai quattro stagioni, " ha spiegato Mike Ritsche di Argonne, Gestore del sito SGP. "Essere in grado di misurare ciò che accade sopra la tua testa ogni giorno durante questi periodi di transizione è importante perché il tempo è sempre diverso".

Per fornire una registrazione continua di questa zona di transizione, Il personale SGP effettua quattro lanci di palloni meteorologici al giorno, ogni sei ore, 365 giorni all'anno. I palloncini misurano la temperatura, umidità relativa, velocità e direzione del vento e pressione atmosferica, fornendo un preciso profilo verticale dell'atmosfera, dalla superficie attraverso lo strato più basso dell'atmosfera, dove si verifica la maggior parte del tempo.

La più strumentata delle strutture ARM, SGP è dotato di quasi 200 strumenti, come i lidar Doppler e i radar cloud che forniscono agli utenti ulteriori modi per visualizzare l'atmosfera verticalmente e, più specificamente, la distribuzione verticale delle nuvole.

Questa variabilità del clima e della geografia della regione, combinato con il vasto toolkit di SGP, crea un laboratorio naturale per misurare la dinamica delle nuvole e degli aerosol e come interagiscono con la superficie terrestre, che anche i ricercatori SGP misurano e caratterizzano.

"Il profilo di umidità che esce da un campo di grano rispetto a un pascolo rispetto a un'area boschiva è diverso, "ha detto Nicki Hickmon, Direttore associato ARM per le operazioni. "Quella differenza, insieme ad altre variabili, determina se avremo nuvole o solo un po' di foschia. In che modo questo influenzerà la radiazione solare che entra ed esce? Questo è ciò che stiamo misurando, questa è una delle cose a cui stiamo cercando di arrivare".

Le consegne, lei disse, sono dati e osservazioni di qualità - incertezze e problemi di qualità debitamente annotati - accessibili ai ricercatori sul clima di tutto il mondo per aiutare a sviluppare e convalidare i modelli climatici e meteorologici globali.

Il punto di vista di un utente

Nel 2018, 1, 173 utenti hanno avuto accesso ai dati da ARM, ha acquisito l'accesso remoto a risorse di elaborazione ad alte prestazioni dal suo data center presso l'Oak Ridge National Laboratory o condotto un certo livello di lavoro sul campo presso uno degli osservatori ARM.

Uno di questi è l'autoproclamato utente esperto Dave Turner, responsabile del programma ASRE (Atmospheric Science for Renewable Energy) della NOAA nel suo laboratorio di ricerca sul sistema terrestre, e responsabile della sezione Model Assessment del ramo Assimilation Development nella divisione Global Systems del laboratorio.

Associato con ARM in qualche modo dal 1994, il suo lavoro ruota, in parte, sul miglioramento dei modelli di previsione, come il modello di aggiornamento rapido ad alta risoluzione (HRRR) di NOAA, per aiutare le aziende energetiche a stimare la produzione giornaliera di energia da fonti energetiche rinnovabili.

"La sfida è se prevedono di produrre 10 megawatt da energia solare per domani, ma domani è nuvoloso e prendono solo un megawatt, devono ancora capire come rifornire gli altri nove, " ha osservato Turner.

Turner sta cercando di utilizzare le osservazioni ARM, in particolare quelli del sito SGP, per aiutare le aziende energetiche a creare previsioni più accurate, comprendendo come le potenziali proprietà del cloud influenzano le previsioni sull'energia solare, verificando se l'HRRR predice accuratamente quei getti di basso livello attraverso le pianure centrali, che è importante dal punto di vista dell'energia eolica.

"Il SGP è forse il miglior osservatorio atmosferico del mondo, e sono stato in molti di loro, " ha detto Turner. "Misurano più variabili con strumenti diversi e forniscono un quadro più completo di ciò che sta accadendo nell'atmosfera di quanto si possa trovare in qualsiasi altro luogo".