Les soirs d'été, au-dessus de la surface du sud des Grandes Plaines, un phénomène se produit qui contribue de manière significative à la dynamique climatique de la région. Appelés jets de basse altitude, ces vents peuvent atteindre des vitesses supérieures à 55 mph, et ils jouent un rôle dans le transport de la chaleur et de l'humidité dans la région et contribuent au développement des tornades et à la production d'énergie éolienne.

Obtention de profils continus de vent, la température et l'humidité associées à ces jets de basse altitude sont importantes pour améliorer la précision des modèles atmosphériques comme le modèle High-Resolution Rapid Refresh de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), qui fournit des prévisions associées aux conditions météorologiques dangereuses.

La NOAA et des organisations similaires du monde entier s'appuient sur l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) pour fournir ce type d'observations à long terme de l'atmosphère, que ce soit en Oklahoma ou à Oliktok Point, Alaska. Parrainé par le Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), La mission d'ARM est de faire progresser notre compréhension du cloud, aérosol, processus de précipitation et de rayonnement et fournir les données pour mieux représenter ces phénomènes dans les modèles à l'échelle mondiale.

ARM est une illustration exemplaire de la collaboration du DOE. Neuf laboratoires nationaux du DOE, dont le Laboratoire National d'Argonne, participent à l'exploitation ou à la gestion de trois observatoires atmosphériques fixes et de trois observatoires mobiles, ainsi que l'exploitation et la maintenance de 400 instruments météorologiques, et une installation aérienne qui comprend un avion et des systèmes aériens sans pilote.

"Je pense que les avantages d'une collaboration aussi large sont l'expertise du domaine dans les différents laboratoires, ainsi qu'une expertise régionale, " dit James Mather, Directeur technique ARM au Pacific Northwest National Laboratory. "Et avec ARM, il est possible de tirer parti des capacités de chaque laboratoire. Je suis très fier de la façon dont tout s'assemble, " a-t-il ajouté. " L'installation ARM est souvent présentée comme la façon dont un programme multi-laboratoires peut fonctionner. "

Où sont-ils dans le monde ?

Les trois stations fixes d'ARM sont situées à des endroits dans le monde qui témoignent de la diversité du climat de la Terre :l'observatoire du versant nord de l'Alaska se trouve près de la ville d'Utqiagvik; l'observatoire de l'Atlantique Nord-Est est situé sur l'île de Graciosa, aux Açores, Le Portugal; et les installations de Southern Great Plains (SGP) sont situées en Oklahoma et au Kansas.

Les observatoires mobiles et leurs utilisateurs découvrent un peu plus le monde, mais ils consomment une grande partie des activités internes d'ARM. Comme déplacer un méga groupe de rock n' roll à travers le pays, Le personnel d'ARM déploie dix conteneurs d'expédition de 20 pieds de long chargés d'environ 50 instruments dans des zones d'intérêt climatique, de l'Antarctique et de l'océan Pacifique, en Afrique, Europe et Chine.

Ces campagnes de terrain durent souvent un an, et l'impact scientifique varie en fonction de l'emplacement et d'autres facteurs, comme le bon fonctionnement de l'équipement déployé, financement et, bien, la nature.

« Quand vous faites des expériences en laboratoire, vous pouvez configurer les choses comme vous le souhaitez, vous pouvez faire autant d'itérations que vous le souhaitez, " a noté Mather. " Mais quand vous faites une étude atmosphérique, vous comptez sur ce que la nature apporte."

Des campagnes plus longues permettent aux enquêteurs d'observer plusieurs fois des types de conditions similaires afin de déterminer si un événement était une anomalie ou une partie d'un schéma plus large et de mieux comprendre la variabilité de certains phénomènes.

Argonne se dirige vers l'ouest

En plus de ses scientifiques qui mènent des recherches sur le climat à l'aide des données ARM, Argonne gère également l'observatoire SGP. Le plus ancien et le plus grand des sites ARM fixes, L'installation centrale de SGP est située à Lamont, Oklahoma—où, pas si ironiquement, le vent souffle sur la plaine - ses 17 installations étendues sont dispersées généreusement dans le centre-nord de l'Oklahoma et le sud du Kansas.

La nature expansive du SGP et le travail qu'il accomplit sont intimement liés à sa géographie. Situé à proximité d'autres instituts de recherche, comme le National Weather Service Storm Prediction Center et le National Severe Storms Laboratory, il englobe une variété de milieux ruraux et, peut-être plus important encore, est situé dans une zone de transition climatique.

"C'est là que vous avez quatre saisons, " a expliqué Mike Ritsche d'Argonne, Responsable de site SGP. "Pouvoir mesurer ce qui se passe au-dessus de votre tête chaque jour pendant ces périodes de transition est important car le temps est toujours différent."

Pour fournir un enregistrement continu de cette zone de transition, Le personnel du SGP effectue quatre lancements de ballons météo par jour, toutes les six heures, 365 jours par an. Les ballons mesurent la température, humidité relative, vitesse et direction du vent et pression atmosphérique, fournir un profil vertical précis de l'atmosphère, de la surface à travers la couche la plus basse de l'atmosphère, où la plupart des conditions météorologiques se produisent.

La plus fortement instrumentée des installations ARM, SGP est équipé de près de 200 instruments, comme les lidars Doppler et les radars de nuages ​​qui offrent aux utilisateurs des moyens supplémentaires de visualiser l'atmosphère verticalement et, plus précisement, la distribution verticale des nuages.

Cette variabilité du climat et de la géographie de la région, combiné avec la vaste boîte à outils de SGP, crée un laboratoire naturel pour mesurer la dynamique des nuages ​​et des aérosols et comment ils interagissent avec la surface de la terre, que les chercheurs du SGP mesurent et caractérisent également.

« Le profil d'humidité provenant d'un champ de blé par rapport à un pâturage par rapport à une zone boisée est tous différent, " a déclaré Nicki Hickmon, Directeur associé ARM pour les opérations. « Cette différence, avec d'autres variables, détermine si nous allons avoir des nuages ​​ou juste un peu de brume. Comment cela va-t-il affecter le rayonnement solaire entrant et sortant? C'est ce que nous mesurons, c'est l'une des choses que nous essayons d'atteindre."

Les livrables, elle a dit, sont des données et des observations de qualité - les incertitudes et les problèmes de qualité dûment notés - accessibles aux chercheurs en climatologie du monde entier pour aider à développer et valider des modèles climatiques et météorologiques mondiaux.

Le point de vue d'un utilisateur

En 2018, 1, 173 utilisateurs ont accédé aux données d'ARM, a acquis un accès à distance à des ressources informatiques hautes performances à partir de son centre de données du laboratoire national d'Oak Ridge ou a effectué un certain niveau de travail sur le terrain dans l'un des observatoires ARM.

L'un d'eux est l'utilisateur expérimenté autoproclamé Dave Turner, directeur du programme de science de l'atmosphère pour les énergies renouvelables (ASRE) de la NOAA dans son laboratoire de recherche sur le système terrestre, et chef de la section d'évaluation des modèles de la branche du développement de l'assimilation dans la division des systèmes mondiaux du laboratoire.

Associé à ARM à certains titres depuis 1994, son travail tourne, en partie, autour de l'amélioration des modèles de prévision, comme le modèle de rafraîchissement rapide à haute résolution (HRRR) de la NOAA, pour aider les entreprises énergétiques à estimer la production d'énergie quotidienne à partir de sources d'énergie renouvelables.

"Le défi est, s'ils prévoient de produire 10 mégawatts d'énergie solaire pour demain, mais demain est nuageux et ils n'obtiennent qu'un mégawatt, ils doivent encore trouver comment ils vont fournir les neuf autres, " a noté Turner.

Turner essaie d'utiliser les observations ARM, notamment celles du site SGP, pour aider les entreprises énergétiques à créer des prévisions plus précises - comprendre comment les propriétés potentielles des nuages ​​​​affectent les prévisions d'énergie solaire, tout en vérifiant si le HRRR prédit avec précision ces jets de basse altitude à travers les plaines centrales, ce qui est important du point de vue de l'énergie éolienne.

"Le SGP est peut-être le meilleur observatoire atmosphérique au monde, et j'ai été à beaucoup d'entre eux, ", a déclaré Turner. "Ils mesurent plus de variables avec différents instruments et fournissent une image plus complète de ce qui se passe dans l'atmosphère que vous ne pourriez en trouver ailleurs."