L'harmonie est un état d'accord et de coopération.

Cet état d'être est également nécessaire pour les systèmes d'observation des aérosols (AOS) exploités par l'installation de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM), une installation d'utilisateurs scientifiques pour le département américain de l'Énergie (DOE).

Il y a quelques années, les experts d'ARM ont découvert des différences dans les produits de données finaux liés à un ensemble d'instruments AOS en place avant 2010, et un autre ensemble conçu et déployé après cela.

En réponse, ARM a lancé il y a trois ans un projet intensif pour harmoniser les instruments d'observation des aérosols et les flux de données archivées qui en proviennent. Ce projet d'harmonisation de l'AM, en préparation depuis trois années compliquées et chargées, sera en grande partie terminé d'ici l'automne.

"Le but de l'harmonisation est d'unifier le traitement afin que le produit de données final puisse être comparé sur l'historique de mesure de l'ARM, " déclare Jim Mather, directeur technique d'ARM, un scientifique de l'atmosphère au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Traitement de première génération

Au cœur du problème se trouvent deux générations de systèmes de mesure, tous deux financés par le département américain de l'Énergie, mais chacun d'eux conçu par des entrepreneurs différents.

La disharmonie dans les données sur les aérosols résulte en grande partie de différences dans le traitement, dit Mather. Traitement de première génération, par exemple, moyenne de toutes les données brutes sur une minute sur le terrain, puis appliqué d'autres corrections.

Avant l'effort d'harmonisation, il y avait aussi un autre facteur de confusion :une quantité importante de traitement manuel. « L'un des problèmes, peut-être un problème clé, " dit Mather, « est-ce que ce traitement manuel n'était pas communiqué aux utilisateurs ou effectué de manière uniforme entre les deux types de systèmes ».

Tous ces contre-courants historiques « ont rendu nécessaire d'automatiser et de décrire au maximum ce traitement, afin que ce qui était fait aux données soit cohérent et bien décrit, " dit-il. " L'idée de l'harmonisation était de se rapprocher d'un formatage uniforme sur l'ensemble de nos sites. Et l'objectif est toujours d'améliorer la science des utilisateurs."

Aérosols :importance élevée, et plus de données

L'harmonie des données et du traitement des données est importante car les aérosols eux-mêmes sont importants. Ils sont minuscules, mesuré en micromètres et nanomètres, mais collectivement, ces particules atmosphériques exercent une influence significative sur la Terre.

En interagissant avec le rayonnement solaire par réflexion, absorption, et la diffusion, les aérosols affectent directement le rayonnement. En outre, les aérosols affectent indirectement le bilan énergétique de la Terre par leur impact sur la formation des nuages.

Au début des années 1990, aérosols issus de la combustion de biomasse, éruptions volcaniques, et d'autres sources étaient largement reconnues pour leur influence sur le transfert de rayonnement dans l'atmosphère, mais il y avait peu de données sur leur masse, propriétés optiques, Distribution, ou d'autres facteurs.

Depuis, mesurer les aérosols, Mather dit, "est une capacité de base" chez ARM, qui depuis 25 ans a collecté, traité, qualité contrôlée, et a archivé un large éventail de mesures relatives à l'atmosphère terrestre.

Des quantités toujours croissantes de données AOS

Progressivement, à partir de 1996, ARM a collecté des quantités croissantes de données sur les aérosols. Au-delà de la collecte de données quotidienne, le SGP a été en 2003 le site d'une période d'observation intensive des aérosols. En 2005, aussi chez SGP, est venu l'expérience de validation du lidar en aérosol (ALIVE). Cette même année, l'installation mobile ARM, équipé d'un système AOS, était prêt à être déployé dans le monde entier pendant 6 à 18 mois à la fois. Sa portabilité a permis de capturer la variabilité régionale des données sur les aérosols.

D'ici 2012, ARM disposait de capacités AOS sur ses sites fixes, dans deux installations mobiles, et une installation aérienne ARM qui a pris des mesures d'aérosols haut dans la colonne d'air.

Toutes ces données AOS affluaient et en 2010 à partir de deux types de systèmes différents. A quoi ça ressemblait ?

Les experts d'ARM ont commencé à s'attaquer au besoin d'harmonisation de l'AOS en 2014, sachant que deux systèmes fonctionnels mais distincts étaient en place. L'un – appelez-le « l'AOS original » – a été construit par le DOE et peu de temps après, il a été encadré par le personnel financé par ARM de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). L'autre, appelez-le "nouvelle génération, ou de deuxième génération, AOS"—a été conçu et encadré par le Brookhaven National Laboratory (BNL) du DOE.

"Il n'y a pas une seule bonne façon de faire un échantillonnage d'aérosols, " dit Doug Sisterson, Coordinateur de l'instrument ARM et scientifique de l'atmosphère basé au Laboratoire national d'Argonne.

La plate-forme AOS typique a un noyau d'au moins 10 instruments et une centaine de flux de données ou plus provenant de chacun. La tâche d'harmonisation - comment traduire les données sur les aérosols dans un langage commun - " s'est avérée être une entreprise assez colossale, " dit Mather. " Plus les instruments sont complexes, plus ces choses sont difficiles."

Premier système, et puis deux

Le premier AOS est entré en service en avril 1996 à l'observatoire atmosphérique Southern Great Plains (SGP) dans l'Oklahoma. Logé dans une remorque autonome, le système intégré à cinq instruments avait été développé par le programme de mesure de l'environnement du DOE. Une cheminée de prise d'eau attachée échantillonnée à 10 mètres au-dessus du sol, une hauteur calculée pour éviter la turbidité de surface. Avant longtemps, mentors d'instruments NOAA, financé par l'ARM, a pris en charge.

En outre, ARM a également commencé à traiter les données AOS d'un système appartenant à la NOAA à Barrow, adjacent au site du versant nord de l'Alaska (NSA) d'ARM. Ces données Barrow AOS sont connues sous le nom de NSA X1 dans le centre de données ARM. (NOAA exploite un système AOS à la NSA depuis 1976.) Au SGP et à la NSA, Les mentors de la NOAA ont maintenu les étalonnages du système, santé et statut surveillés, et ingéré les données avant de les transmettre à ARM.

En 2009, ARM a confié à BNL la conception, construire, et exploiter plusieurs nouveaux systèmes AOS. Les systèmes de deuxième génération ont présenté de nouvelles opportunités pour les modes de fonctionnement et l'instrumentation de traitement par rapport aux suites d'instruments d'origine pour AOS. Aujourd'hui, ils représentent une expansion significative de nouveaux instruments et de nouvelles mesures.

Les mentors AOS de BNL incluent maintenant Stephen R. Springston, Art Sedlacek, Chongai Kuang, Tom Watson, et d'autres. (Springston est le principal mentor AOS pour tous les systèmes AOS conçus par BNL.)

Après le déploiement des systèmes de nouvelle génération, ARM a reconnu que les différences de traitement entre les systèmes de première et de deuxième génération devaient être harmonisées pour fournir des ensembles de données que les utilisateurs pourraient plus facilement comparer entre les sites et les années. En outre, les progrès de la vitesse de calcul et des algorithmes ont également permis d'automatiser le traitement des données d'aérosols, ce qui n'était pas possible en 1996. Le projet d'harmonisation AOS a été lancé pour mettre les utilisateurs à l'aise avec l'utilisation des données des différents systèmes pour leurs recherches scientifiques.

« L'harmonisation cherche à mettre les mesures de tous les systèmes sur un pied d'égalité, " dit Springston, "et rendre les différences sans importance pour l'utilisateur final au mieux - et au pire pour documenter les différences. Une mesure de diffusion à partir d'un site de l'Oklahoma en 1999 devrait être comparable à une mesure de diffusion en Antarctique en 2016."

Le facteur Flynn

Quand le DOE a dit "Réparez ça, " Connor Flynn est intervenu. Le scientifique du PNNL, expert en instrumentation, et ARM Aerosol Working Group Translator a passé beaucoup de temps au cours des trois dernières années à travailler directement avec les mentors des instruments AOS au BNL et à la NOAA; avec Josh King au bureau de qualité des données ARM; et avec les développeurs Annette Koontz et Brian Ermold de l'installation de gestion des données d'ARM au PNNL.

"C'est un projet de consensus depuis le début, " dit Flynn.

Sisterson soutient que "la grandeur de Flynn est amplifiée lorsque vous réalisez à quel point un problème (l'harmonisation) était important".

Springston le félicite d'être aux prises avec la « cohérence algorithmique » requise par l'harmonisation, et dit que "Connor a travaillé dur pour comprendre les différences entre toutes les plates-formes ARM, mentors, les opérateurs, et même des modèles d'instruments."

Flynn a commencé par le travail d'équipe. Il a facilité les partenariats entre mentors et autres afin d'arriver à un état d'harmonie de l'AM :traitement automatisé uniforme, un format de données uniforme, et une confiance mesurée dans la comparaison des résultats des deux systèmes.

Jusque là, Ca va bien. Plusieurs éléments de la tâche sont déjà terminés, y compris l'harmonisation de la plupart des propriétés optiques des aérosols AOS, densité en nombre d'aérosols (les compteurs de particules de condensation, ou CPC, famille), les concentrations des noyaux de condensation des nuages ​​(la famille CNN), et quelques mesures de gaz traces AOS.

Les instruments les plus complexes sont encore en cours d'élaboration, y compris ceux qui mesurent les distributions granulométriques, croissance hygroscopique, et la composition de l'aérosol.

Les deux avec une priorité plus élevée pour l'harmonisation comprennent le photomètre de suie à particule unique (SP2), utilisé pour mesurer la concentration et la masse des particules de suie produites par des sources telles que les feux de forêt jusqu'à l'ordre du nanomètre, et l'Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM).

Le SP2 nécessite toujours un traitement manuel, dit Flynn, "mais grâce à l'harmonisation, nous avons développé des routines autonomes pour fournir un niveau de santé et d'état opérationnel en temps réel."

L'ACSM, un autre instrument complexe, mesure en temps réel la composition chimique des particules submicroniques. En tant qu'instrument de spectromètre de masse, dit Flynn, ses données "sont assez compliquées à traiter". Le produit final peut toujours inclure une revue manuelle, il ajoute, "mais nous travaillons avec le mentor de l'ACSM, Tom Watson, et le vendeur d'instruments, Aérodyne, pour améliorer à la fois la santé et l'état opérationnel en temps réel, ainsi que la qualité des concentrations massiques d'espèces chimiques autonomes."

La migration des mesures AOS implique l'intégration des activités de mentorat et du traitement des données dans les normes établies des opérations ARM et de son bureau de qualité des données. Avant de développer ces ingestions automatisées, étalonnages, et produits de données, dit Flynn, « presque toutes les données AOS ont emprunté un itinéraire détourné qui comprenait le traitement manuel des données par le mentor avant la « redistribution » des données à ARM."

Harmonisation en trois étapes de traitement

La réalisation de ces étapes d'intégration et d'automatisation n'est que la première des trois étapes de traitement potentielles vers l'harmonisation, dit Flynn.

Le second est de faciliter la comparaison des mesures AOS de différentes suites d'instruments, celles conçues à la fois par la NOAA et le BNL. Les produits de données finaux ont désormais « des niveaux documentés de comparabilité, " dit Flynn, ainsi que des métadonnées précises et complètes et un "look and feel" uniforme pour le produit final.

La troisième étape de traitement de l'harmonisation, dit Flynn, « améliore la synergie des instruments colocalisés au sein de la même suite AOS ».

Par exemple, trois mesures sont actuellement effectuées individuellement pour la diffusion optique des aérosols, extinction, et l'absorption. Un nouveau produit de données, Propriétés optiques des aérosols AOS (AOS AOP), est en cours d'évaluation et combinera les trois mesures colocalisées. Un effort similaire combinera les mesures de la distribution de la taille des aérosols à partir de plusieurs instruments dans un cadre commun. Ces nouveaux produits de données permettront aux utilisateurs de travailler plus facilement avec les données ARM pour étudier les processus d'aérosols.

Des tests d'intercomparaison sur des instruments ARM colocalisés ont déjà été effectués en Oklahoma et au Brésil.

Jusqu'à présent, l'harmonisation a entraîné de grandes améliorations. Avant, les comparaisons entre les propriétés optiques rapportées par les systèmes AOS co-localisés peuvent montrer des biais allant jusqu'à 25 à 50 pour cent. Une fois le traitement harmonisé, dit Flynn, les mesures des mêmes instruments montrent "un excellent accord, " avec un biais aussi faible que 2 à 3 pour cent.

Les écarts antérieurs étaient dus à des « différences algorithmiques dans le traitement par les deux systèmes, " a déclaré Springston. " L'identification de ces différences a été une étape cruciale dans l'harmonisation. "

La plupart des éléments majeurs du projet d'harmonisation seront réalisés cet automne, y compris l'harmonisation des mesures de distribution granulométrique des aérosols. "Toutefois, ces produits représentent des fondations qui seront probablement complétées à l'avenir, " dit Flynn.

Et qu'en est-il des ensembles de données historiques ? Ceux-ci peuvent se faire au cas par cas, il dit, au moyen d'une demande d'ingénierie ARM.

Mather, Soeur fils, et Flynn étaient tous en harmonie sur un point :que les utilisateurs de données ARM et leurs besoins passent avant tout. Tous les mentors de l'AOS « le croient aussi, " dit Springston.

Au cours du processus d'harmonisation, dit Flynn, les utilisateurs doivent utiliser et évaluer le produit AOS AOP de niveau C en particulier. ("Le niveau C" est considéré comme le meilleur niveau de données dans ARM.) Pendant ce temps, l'installation ARM recommandera (et archivera) le niveau de traitement le plus élevé du flux de données de chaque instrument.

Il y a une plus grande image à considérer, Flynn dit :obtenir les bonnes données sur les aérosols est très important dans l'état actuel de la science atmosphérique. "L'une des plus grandes incertitudes est l'impact des aérosols sur le bilan radiatif, " dit-il. Ce budget est le bilan solaire qui affecte à la fois le changement et l'équilibre de l'atmosphère de la planète.

Une incertitude encore plus grande dans les modèles actuels est la formation de nuages, ces très gros vecteurs d'ombre éphémères, pluie, refroidissement, échauffement, et l'albédo planétaire qui sont ensemencés par de très petits aérosols. Ainsi, en associant les données clés sur les aérosols de manière harmonisée, dit Flynn, "est énorme."