På sommarkvällarna, högt över ytan av södra Great Plains, ett fenomen inträffar som väsentligt bidrar till klimatdynamiken i regionen. Kallas lågnivåjets, dessa vindar kan nå hastigheter upp till 55 mph, och de spelar en roll i transporten av värme och fukt in i regionen och bidrar till utvecklingen av tornados och genereringen av vindenergi.

Erhålla kontinuerliga profiler av vind, temperatur och luftfuktighet förknippade med dessa lågnivåstrålar är viktigt för att förbättra noggrannheten hos atmosfäriska modeller som National Oceanic and Atmospheric Administrations (NOAA) högupplösta Rapid Refresh-modell, som ger prognoser i samband med farligt väder.

NOAA och liknande organisationer runt om i världen förlitar sig på Atmospheric Radiation Measurement (ARM) User Facility för att tillhandahålla dessa typer av långtidsobservationer av atmosfären – oavsett om det är i Oklahoma eller Oliktok Point, Alaska. Sponsrad av U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science, ARM:s uppdrag är att främja vår förståelse av moln, aerosol, nederbörds- och strålningsprocesser och tillhandahålla data för att bättre representera dessa fenomen i globala modeller.

ARM fungerar som en exemplarisk illustration av DOE-samarbete. Nio DOE nationella laboratorier, inklusive Argonne National Laboratory, är involverade i driften eller förvaltningen av tre fasta och tre mobila atmosfärsobservatorier, samt drift och underhåll av 400 meteorologiska instrument, och en flyganläggning som inkluderar ett plan och obemannade flygsystem.

"Jag tror att fördelarna med ett så stort samarbete är domänexpertisen vid de olika laboratorierna, såväl som regional expertis, sa James Mather, ARM teknisk direktör vid Pacific Northwest National Laboratory. "Och med ARM, det finns en möjlighet att dra nytta av varje laboratoriums kapacitet. Jag är väldigt stolt över hur det hela går ihop, ", tillade han. "ARM-anläggningen framhålls ofta som hur ett multilaboratorieprogram kan fungera."

Var i världen är de?

ARMs tre fasta stationer finns på punkter runt om i världen som talar om mångfalden av jordens klimat:North Slope of Alaska-observatoriet ligger nära staden Utqiagvik; det östra nordatlantiska observatoriet ligger på ön Graciosa, på Azorerna, Portugal; och anläggningarna för Southern Great Plains (SGP) finns i Oklahoma och Kansas.

De mobila observatorierna och deras användare får se lite mer av världen, men de konsumerar mycket av ARM:s interna aktiviteter. Som att flytta ett megarock n' roll-band över landet, ARM-personal distribuerar tio 20 fot långa fraktcontainrar lastade med cirka 50 instrument till områden av klimatintresse, från Antarktis och Stilla havet, till Afrika, Europa och Kina.

Dessa fältkampanjer varar ofta ett år, och den vetenskapliga effekten varierar beroende på plats och andra faktorer, som hur väl den utplacerade utrustningen fungerar, finansiering och, väl, natur.

"När du gör laboratorieexperiment, du kan ställa in saker som du vill, du kan göra så många iterationer du vill, " noterade Mather. "Men när du gör en atmosfärisk studie, du litar på vad naturen ger."

Längre kampanjer ger utredare möjlighet att observera liknande typer av tillstånd flera gånger för att avgöra om en händelse var en anomali eller en del av ett större mönster och för att bättre förstå variationen hos vissa fenomen.

Argonne går västerut

Förutom att dess forskare bedriver klimatforskning med hjälp av ARM-data, Argonne leder även SGP-observatoriet. Den äldsta och största av de fasta ARM-sajterna, SGP:s centrala anläggning ligger i Lamont, Oklahoma — var, inte så ironiskt nog, vinden kommer sveper nerför slätten – dess 17 utökade anläggningar stänkte frikostigt över norra centrala Oklahoma och södra Kansas.

SGP:s expansiva karaktär och det arbete den gör är intimt knuten till dess geografi. Beläget nära andra forskningsinstitutioner, som National Weather Service Storm Prediction Center och National Severe Storms Laboratory, den omfattar en mängd olika landsbygdsmiljöer och, kanske ännu viktigare, ligger inom en klimatövergångszon.

"Det är där du har fyra säsonger, " förklarade Argonnes Mike Ritsche, SGP platschef. "Att kunna mäta vad som händer ovanför ditt huvud varje dag under dessa övergångsperioder är viktigt eftersom vädret alltid är annorlunda."

För att ge en kontinuerlig registrering av denna övergångszon, SGP-personal genomför fyra väderballongsuppskjutningar om dagen, var sjätte timme, 365 dagar om året. Ballongerna mäter temperatur, relativ luftfuktighet, vindhastighet och riktning och atmosfärstryck, ger en exakt vertikal profil av atmosfären, från ytan genom det lägsta lagret av atmosfären, där det är mest väder.

Den mest instrumenterade av ARM-anläggningarna, SGP är utrustad med nästan 200 instrument, som dopplerlidar och molnradar som ger användarna ytterligare sätt att visualisera atmosfären vertikalt och, mer specifikt, molnens vertikala fördelning.

Denna variation i klimatet och geografin i regionen, kombinerat med SGP:s stora verktygslåda, skapar ett naturligt labb för att mäta dynamiken hos moln och aerosoler och hur de interagerar med jordens yta, som SGP-forskare också mäter och karakteriserar.

"Fuktprofilen som kommer från ett vetefält kontra en betesmark kontra ett skogsområde är alla olika, sa Nicki Hickmon, ARM biträdande direktör för verksamheten. "Den skillnaden, tillsammans med andra variabler, avgör om vi kommer att få moln eller bara lite dis. Hur kommer det att påverka solstrålningen som kommer in och ut? Det är vad vi mäter, det är en av sakerna vi försöker komma fram till."

Leveranserna, Hon sa, är kvalitetsdata och observationer – osäkerheter och kvalitetsfrågor vederbörligen noterade – tillgängliga för klimatforskare runt om i världen för att hjälpa till att utveckla och validera globala klimat- och vädermodeller.

En användares perspektiv

År 2018, 1, 173 användare fick antingen åtkomst till data från ARM, skaffat fjärråtkomst till högpresterande datorresurser från sitt datacenter vid Oak Ridge National Laboratory eller utfört en viss nivå av fältarbete vid ett av ARM-observatorierna.

En av dem är den självutnämnda kraftanvändaren Dave Turner, chef för NOAA:s Atmospheric Science for Renewable Energy (ASRE)-program i dess Earth System Research Laboratory, och ledare för modellbedömningssektionen i Assimilation Development Branch i labbets Global Systems-division.

Associerad med ARM i viss kapacitet sedan 1994, hans verk kretsar, till viss del, kring att förbättra prognosmodeller, som NOAA:s High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) modell, att hjälpa energiföretag att uppskatta daglig energiproduktion från förnybara energikällor.

"Utmaningen är att om de räknar med att producera 10 megawatt från solenergi för morgondagen, men imorgon är det molnigt och de får bara en megawatt, de måste fortfarande ta reda på hur de ska försörja de andra nio, " noterade Turner.

Turner försöker använda ARM-observationer, särskilt de från SGP-webbplatsen, att hjälpa energiföretag att skapa mer exakta förutsägelser – att förstå hur potentiella molnegenskaper påverkar solenergiprognoser, samtidigt som den verifierar om HRRR exakt förutsäger dessa lågnivåstrålar över de centrala slätterna, vilket är viktigt ur ett vindenergiperspektiv.

"SGP är kanske det bästa atmosfärsobservatoriet i världen, och jag har varit på många av dem, ", sa Turner. "De mäter fler variabler med olika instrument och ger en mer komplett bild av vad som händer i atmosfären än man kan hitta någon annanstans."