Varm luft stiger, kall luft sjunker. Det är en grundläggande princip i naturen.

För det sjunker, kall luft hittar ofta sänkor eller lågt liggande terräng, som en dal eller bassäng, att samla in, särskilt på natten när temperaturen sjunker. När solen går upp och temperaturen stiger, den kalla luften värmer och blandas med den omgivande luften. Men under vintern, och även in på våren, denna kalla luft kan dröja kvar – ofta i flera dagar – i ett fenomen som kallas en "kall poolhändelse".

Kalla pooler kan fånga föroreningar som normalt skulle blandas och spridas med större luftströmmar, orsakar allvarliga hälsorisker i tätbefolkade stadsområden. Känd för att minska vindhastigheter och producera iskallt regn, de kan också negativt påverka vindkraftverk i området, minska elproduktionen på kort sikt och potentiellt skada turbiner.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory samarbetade nyligen under 18 månader, multiinstitutionell fältkampanj med National Oceanic and Atmospheric Administration och andra DOE-sponsrade laboratorier för att studera kalla poolevenemang i Columbia River Gorge, längs Oregon-Washington-gränsen. Målet med forskningen är att bättre förstå och förutse händelser i kalla pooler, som en del av DOE:s Wind Forecast Improvement Project. Deras resultat publicerades nyligen i Journal of Applied Meteorology and Climatology.

"Som det står, kalla poolhändelser är inte väl karakteriserade för numeriska väderprognoser (NWP) modeller, " förklarade assisterande atmosfärsforskaren Paytsar Muradyan från Argonnes division Environmental Science. "Utan exakta prognoser av dessa händelser, det blir väldigt svårt att förbereda sig för dem, särskilt för energiproducenter."

Dåligt väder orsakat av kalla poolhändelser kan minska livslängden på vindkraftverk, speciellt om turbinerna fortfarande är aktiva under dessa dåliga förhållanden. Frysande regn, till exempel, kommer fortfarande att skada turbiner i vila, men kommer att orsaka mer skada ju snabbare de rör sig, leder till problem med den totala produktionen av el och stabiliteten i elnätet.

"Om du inte kan förutse dessa händelser, du kan inte planera för och ta emot förändringar i din produktion av el, sade Muradyan. "Du tror att du kommer att producera en viss mängd el en dag, men med plötsliga låga vindar orsakade av en kall poolhändelse, det blir du inte. "

De oförutsägbara effekterna av kalla poolevenemang på elproduktionen kan fortsätta även efter att händelsen har lagt sig. När den kalla luften äntligen blandas med och sprids i varmare luft, det kan orsaka plötsliga och dramatiska förändringar i vindhastighet och vindriktning, refereras till som "ramp-ups" eller "vindramper".

"Att förbättra förutsägelsen av dessa vindramper kan leda till ett stabilare elnät och en generellt lägre kostnad för el, " förklarade Muradyan.

För att komma till dessa förutsägelser, forskarna samlade in stora mängder data för att karakterisera händelser i kalla pooler. Dessa data kan sedan användas för att förbättra parametriseringen i NWP-modeller. Forskarna var främst intresserade av samlade vertikala profiler av vindhastighet, vindriktning, temperatur och luftfuktighet för att utveckla kriterier för identifiering av kall pool.

Argonne gav två av radarvindprofilerna och två av sodarvindprofilerna; båda användes för att analysera de kalla bassängernas djup och vindhastighetsfördelningen. Två radioakustiska ljudsystem användes för temperaturprofilering.

"Tanken var att använda dessa mätningar, samlad i en komplex terräng som Columbia River Gorge, att utveckla kriterier för att avgöra om ett kallpoolevenemang äger rum, " sade Muradyan. "Faktör i tidsmässig kontinuitet, eller längden på händelserna, vi utvecklade en algoritm för att identifiera alla kalla poolhändelser under de 18 månaderna av studien."

Algoritmen, Muradyan fortsatte, skulle potentiellt kunna tillämpas på andra platser för att förbättra NWP-prognoser för dåligt väder orsakat av kalla poolhändelser.

"Att få förhandsbesked till den genomsnittlige medborgaren, såväl som energibolag, är vad vi strävar efter, " tillade hon, "eftersom denna forskning har potential att förbättra hälsan och minska energikostnaderna."

En artikel som beskriver forskningen, "Identifiering och karakterisering av ihållande kalla poolhändelser från temperatur- och vindprofiler i Columbia River Basin" publicerades i Journal of Applied Meteorology and Climatology i november.