Drönare och annan obemannad teknologi kan kostnadseffektivt samla in väderdata i tuffa eller avlägsna miljöer och bidra till bättre väder- och klimatmodeller, enligt en ny studie från CIRES och NOAA-forskare. Obemannade flygplan och instrumentbärande bundna ballonger hjälper till att fylla i kritiska dataluckor över ytor som är svåra att ta prov på i Arktis, inklusive nybildad havsis och delvis frusen tundra.

"Vi visar att vi har förmågan att rutinmässigt distribuera obemannade flygplan och bundna ballongsystem i en mycket tuff miljö för riktade fältkampanjer. Vi stöder också utvecklingsinsatser för att göra dessa tekniker tillgängliga för det bredare forskarsamhället, sa Gijs de Boer, en CIRES-forskare som arbetar i NOAA Earth System Research Laboratory och huvudförfattare till artikeln, publicerad 29 juni i Bulletin från American Meteorological Society .

gemenskaper, företag, och regeringar runt om i världen behöver korrekta och aktuella väder- och klimatprognoser för planering och säkerhet. En nyckel till att förbättra prognosmodeller är att skaffa ytterligare data, särskilt saknas på avlägsna platser som Arktis. Denna forskning, ett samarbete mellan CIRES och NOAA-forskare, tillsammans med United States Department of Energy (DOE) och universitetspartners, designades för att undersöka om drönare och annan obemannad teknik kan komplettera och förbättra mer konventionella sätt att samla in atmosfärisk data.

I den nya studien, forskarna finner att obemannade flygplan och bundna ballongsystem – gemensamt kända som obemannade flygplanssystem eller UAS – kan hjälpa till att fylla dataluckor och är väl lämpade för rutinflyg i Arktis. Och på grund av arbetet som utförts av DOE:s användaranläggning för Atmospheric Radiation Measurement (ARM), i samarbete med de Boer och hans kollegor för att utveckla dessa toppmoderna obemannade teknologier, ARM accepterar nu förslag från atmosfäriska forskare att distribuera UAS på sina forskningsplatser.

Sedan 1997, ARM-användaranläggningen har samlat in mätningar av moln, aerosoler, atmosfäriskt tillstånd, och strålning vid deras North Slope of Alaska-observatorium nära Utqiaġvik (tidigare Barrow). Ytterligare mätningar har gjorts vid Atqasuk (cirka 60 mil inåt landet från Utqia?vik) och Oliktok Point (en annan kustplats, 265 mil sydväst om Utqiaġvik). Dessa observatoriebaserade mätningar har hjälpt forskare att bättre förstå det arktiska naturliga systemet.

När den är markbaserad, stationära instrument tar mätningar, dessa observationer är begränsade till den platsen eller ett avsökningsinstruments synfält. Obemannade flygplan eller bundna ballonger kan göra mätningar över mycket större områden. Erkänner potentialen för UAS-observationer, DOE främjade acceleration av vetenskapliga UAS-fältutbyggnader i Arktis med start 2015.

"Ytan runt ARMs North Slope-platser är mycket heterogen, så informationen som dessa teknologier kan ge är extremt värdefull för att förstå vilken inverkan den varierade ytan har på atmosfäriska egenskaper, sa James Mather, ARM teknisk direktör.

I en rad kampanjer, de Boer och hans kollegor tillsammans med ARM-personal flög olika obemannade flygplan, och ARM-personal från Sandia National Laboratory lanserade tjudrade ballonger, demonstrerar allt mer avancerade och miniatyriserade mätmöjligheter – inklusive NOAA:s tryckta optiska partikelspektrometer, eller POPS – samtidigt som verksamheten utökas till tuffare arktiska förhållanden. Tillsammans, dessa UAS ger detaljerade profiler av atmosfäriska egenskaper – inklusive termodynamik, vindar, strålning, aerosoler, molnmikrofysik – som ger en mer omfattande förståelse av Arktis lägre atmosfär.

Eftersom de är tagna på plats, eller på den plats av intresse, atmosfäriska mätningar gjorda med obemannade flygplanssystem kan bättre representera lokala förhållanden, och att mata in dessa observationer i väder- eller klimatmodeller gör modellerna mer exakta. "Med ballonger och obemannade flygplan, vi får ett annat perspektiv, " sa de Boer. "Vi kan täcka större områden och få en distribution, till exempel, temperaturvariation runt en plats. Med UAS kan vi ta prov över en modells rutnät istället för vid en enda punkt, och det är viktigt för modellutvecklingen."

Förutom sin arktiska forskning, de Boer är arrangören av årets årliga sammankomst av ett internationellt samfund som använder UAS för atmosfärisk forskning, känt som ISARRA, förkortning för International Society for Atmospheric Research using Remotely piloted Aircraft. Efter en veckolång konferens vid University of Colorado i Boulder, över hundra forskare, ingenjörer och flygpiloter kommer att omgruppera för en veckas vetenskapsflyg i San Luis Valley i södra Colorado.

De Boer, tillsammans med CIRES, NOAA, och ARM-kollegor, kommer tillbaka till Alaskas North Slope senare i sommar för en annan fältkampanj. Som en del av World Meteorological Organizations och World Climate Research Programmes Year of Polar Prediction, forskarna kommer att använda obemannade flygplan och bundna ballonger för att observera och modellera den arktiska lägre atmosfären vid DOE Oliktok Point-platsen. De samarbetar också med University of Alaska Fairbanks och partners för att ta UAS-mätningar över Ishavet för att bättre förstå hur vinden påverkar havsblandningen.