Harmonia é um estado de acordo e cooperação.

Esse estado de ser também é necessário para os sistemas de observação de aerossóis (AOS) operados pela Instalação de Medição de Radiação Atmosférica (ARM), uma instalação de usuário científico para o Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Alguns anos atrás, especialistas da ARM descobriram diferenças nos produtos de dados finais vinculados a um conjunto de instrumentos AOS em vigor antes de 2010, e outro conjunto projetado e implantado depois disso.

Em resposta, A ARM deu início a um projeto intensivo há três anos para harmonizar os instrumentos de observação de aerossóis e os fluxos de dados arquivados que se originam com eles. Este projeto de harmonização AOS, em formação por três anos complicados e ocupados, será feito em grande parte neste outono.

"O objetivo da harmonização é unificar o processamento para que o produto de dados final possa ser comparado ao longo do histórico de medição do ARM, "diz o Diretor Técnico da ARM Jim Mather, um cientista atmosférico do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Processamento de primeira geração

No cerne do problema estão duas gerações de sistemas de medição, ambos financiados pelo Departamento de Energia dos EUA, mas cada um deles projetado por diferentes empreiteiros.

A desarmonia nos dados do aerossol resultou em grande parte das diferenças no processamento, disse Mather. Processamento de primeira geração, por exemplo, calculou a média de todos os dados brutos em um minuto no campo, e depois aplicou outras correções.

Antes do esforço de harmonização, havia também outro fator de confusão:uma quantidade significativa de processamento manual. "Um dos problemas - talvez um problema chave, "diz Mather, "é que esse processamento manual não estava sendo comunicado aos usuários ou sendo feito de forma uniforme entre os dois tipos de sistemas."

Todas essas correntes cruzadas históricas "tornaram necessário automatizar e descrever o máximo possível desse processamento, para que o que estava sendo feito com os dados fosse consistente e bem descrito, ", diz ele." A ideia de harmonização era chegar mais perto de uma formatação uniforme em todos os nossos sites. E o objetivo é sempre melhorar a ciência do usuário. "

Aerossóis:alta importância, e mais dados

A harmonia de dados e processamento de dados é importante porque os próprios aerossóis são importantes. Eles são minúsculos, medido em micrômetros e nanômetros, mas, coletivamente, essas partículas atmosféricas exercem influência significativa na Terra.

Ao interagir com a radiação solar por meio da reflexão, absorção, e espalhando, os aerossóis afetam diretamente a radiação. Além disso, os aerossóis afetam o equilíbrio de energia da Terra indiretamente por meio de seu impacto na formação de nuvens.

No início da década de 1990, aerossóis da queima de biomassa, erupções vulcânicas, e outras fontes foram amplamente reconhecidas por sua influência na transferência de radiação na atmosfera, mas havia poucos dados sobre sua massa, propriedades ópticas, distribuição, ou outros fatores.

Desde então, medição de aerossóis, Mather diz, "é uma capacidade central" na ARM, que há 25 anos coleciona, processado, qualidade verificada, e arquivou uma ampla gama de medições relevantes para a atmosfera da Terra.

Quantidades cada vez maiores de dados AOS

Incrementalmente, começando em 1996, A ARM coletou quantidades crescentes de dados de aerossol. Além da coleta de dados do dia a dia, o SGP foi em 2003 o local de um Período de Observação Intensiva de Aerossol abrangente. Em 2005, também no SGP, veio o Aerosol Lidar Validation Experiment (ALIVE). Nesse mesmo ano, o ARM Mobile Facility, equipado com um sistema AOS, estava pronto para ser implantado em todo o mundo por 6 a 18 meses de cada vez. Sua portabilidade possibilitou capturar a variabilidade regional dos dados de aerossóis.

Em 2012, ARM tinha recursos AOS em seus locais fixos, em duas instalações móveis, e uma Instalação Aérea ARM que fazia medições de aerossol no alto da coluna de ar.

Todos esses dados do AOS estavam sendo transmitidos - e em 2010, de dois tipos diferentes de sistemas. Como ficou?

Os especialistas da ARM começaram a lidar com a necessidade de harmonização do AOS em 2014, sabendo que dois sistemas viáveis, mas distintos, estavam em vigor. Um - chame-o de "AOS original" - foi construído pelo DOE e logo depois foi orientado por pessoal financiado pela ARM na Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA). O outro - chame-o de "próxima geração, ou de segunda geração, AOS "- foi projetado e orientado pelo Brookhaven National Laboratory (BNL) do DOE.

"Não há uma maneira certa de fazer a amostragem de aerossol, "diz Doug Sisterson, ARM Instrument Coordinator e um cientista atmosférico baseado no Argonne National Laboratory.

A plataforma AOS típica tem um núcleo de pelo menos 10 instrumentos e cem ou mais fluxos de dados provenientes de cada um. A tarefa de harmonização - como traduzir dados de aerossol em uma linguagem comum - "acabou sendo uma tarefa gigantesca, "diz Mather." Quanto mais complexos os instrumentos, mais desafiadoras essas coisas são. "

O primeiro sistema, e então dois

O primeiro AOS entrou em operação em abril de 1996 no observatório atmosférico Southern Great Plains (SGP) em Oklahoma. Alojado em um trailer independente, o sistema integrado de cinco instrumentos foi desenvolvido pelo Programa de Medição Ambiental do DOE. Uma pilha de entrada anexada amostrada de 10 metros acima do solo, uma altura calculada para evitar a turbidez da superfície. Muito antes, Mentores de instrumentos NOAA, financiado pela ARM, assumiu o comando.

Além disso, ARM também começou a processar dados AOS de um sistema de propriedade da NOAA em Barrow, adjacente ao local do North Slope of Alaska (NSA) da ARM. Esses dados do Barrow AOS são conhecidos como NSA X1 no Data Center da ARM. (A NOAA opera um sistema AOS na NSA desde 1976.) No SGP e na NSA, Os mentores da NOAA mantiveram as calibrações do sistema, saúde e estado monitorados, e dados ingeridos antes de encaminhá-los para ARM.

Em 2009, ARM contratou BNL para projetar, construir, e operar vários novos sistemas AOS. Os sistemas de segunda geração apresentaram novas oportunidades para modos de operação e instrumentação de processamento em comparação com os conjuntos de instrumentos originais para AOS. Hoje, eles representam uma expansão significativa de novos instrumentos e novas medições.

Os mentores AOS do BNL agora incluem Stephen R. Springston, Art Sedlacek, Chongai Kuang, Tom Watson, e outros. (Springston é o mentor líder de AOS para todos os sistemas AOS projetados pela BNL.)

Depois que os sistemas de próxima geração foram implantados, A ARM reconheceu que as diferenças no processamento entre os sistemas de primeira e segunda geração precisavam ser harmonizadas para fornecer conjuntos de dados que os usuários pudessem comparar mais facilmente entre locais e anos. Além disso, os avanços na velocidade computacional e nos algoritmos também permitiram a automação do processamento dos dados do aerossol, o que não foi possível em 1996. O projeto de harmonização do AOS foi iniciado para deixar os usuários à vontade com o uso de dados dos diferentes sistemas para suas pesquisas científicas.

"A harmonização visa colocar as medições de todos os sistemas em pé de igualdade, "diz Springston, "e, na melhor das hipóteses, tornar as diferenças imateriais para o usuário final - e, na pior das hipóteses, documentar as diferenças. Uma medição de espalhamento de um local em Oklahoma em 1999 deve ser comparável a uma medição de espalhamento na Antártica em 2016."

O fator Flynn

Quando o DOE disse "Corrija isso, "Connor Flynn interveio. O cientista da equipe do PNNL, especialista em instrumentação, e ARM Aerosol Working Group Translator passou muito tempo nos últimos três anos trabalhando diretamente com os mentores de instrumentos AOS no BNL e NOAA; com Josh King no ARM Data Quality Office; e com os desenvolvedores Annette Koontz e Brian Ermold no Data Management Facility da ARM no PNNL.

"Este foi um projeto de consenso desde o início, "diz Flynn.

Sisterson afirma que a "grandeza de Flynn é ampliada quando você percebe o quão grande era o problema (harmonização)".

Springston o elogia por lutar com a "consistência algorítmica" exigida pela harmonização, e diz que "Connor trabalhou arduamente para entender as diferenças em todas as plataformas ARM, mentores, operadores, e até modelos de instrumentos. "

Flynn começou trabalhando em equipe. Ele facilitou parcerias entre mentores e outros, a fim de chegar a um estado de harmonia AOS:processamento automatizado uniforme, um formato de dados uniforme, e uma confiança medida na comparação de resultados de ambos os sistemas.

Até aqui, as coisas estão indo bem. Vários elementos da tarefa já estão concluídos, incluindo a harmonização da maioria das propriedades ópticas do aerossol AOS, densidade do número do aerossol (os contadores de partículas de condensação, ou CPC, família), concentrações de núcleos de condensação de nuvem (a família CNN), e algumas medições de gases traço AOS.

Ainda estão sendo trabalhados os instrumentos mais complexos, incluindo aqueles que medem as distribuições de tamanho de partícula, crescimento higroscópico, e composição do aerossol.

Os dois com maior prioridade para harmonização incluem o fotômetro de fuligem de partícula única (SP2), usado para medir a concentração e a massa de partículas de fuligem produzidas por fontes como incêndios florestais até a faixa nanométrica, e o Monitor de Especiação Química de Aerossóis (ACSM).

O SP2 ainda requer processamento manual, diz Flynn, "mas, por meio da harmonização, desenvolvemos rotinas autônomas para fornecer um nível de integridade e status operacional em tempo real."

O ACSM, outro instrumento complexo, mede em tempo real a composição química das partículas submícron. Como instrumento de espectrômetro de massa, diz Flynn, seus dados "são bastante complicados de processar". O produto final pode sempre incluir uma revisão manual, ele adiciona, "mas estamos trabalhando com o mentor ACSM, Tom Watson, e o vendedor do instrumento, Aerodyne, para melhorar a integridade e o status operacional em tempo real, bem como a qualidade das concentrações de massa de espécies químicas autônomas. "

A migração das medições do AOS envolve a integração das atividades do mentor e do processamento de dados dentro das normas estabelecidas de operações ARM e de seu Data Quality Office. Antes de desenvolver esses ingestos automatizados, calibrações, e produtos de dados, diz Flynn, "quase todos os dados do AOS percorreram uma rota tortuosa que incluía o processamento manual do mentor dos dados antes da 'reenvio' dos dados para o ARM."

Harmonização de três estágios de processamento

Tomar essas etapas de integração e automação é apenas o primeiro dos três estágios de processamento potencial para a harmonização, diz Flynn.

O segundo é facilitar a comparação das medições AOS de diferentes conjuntos de instrumentos - aqueles projetados por NOAA e BNL. Os produtos de dados finais agora têm "níveis documentados de comparabilidade, "diz Flynn, bem como metadados precisos e abrangentes e uma "aparência e comportamento" uniforme para o produto final.

O terceiro estágio de processamento de harmonização, diz Flynn, está "aprimorando a sinergia de instrumentos colocados dentro do mesmo pacote AOS."

Por exemplo, três medições são atualmente feitas individualmente para espalhamento óptico de aerossol, extinção, e absorção. Um novo produto de dados, Propriedades ópticas do aerossol AOS (AOS AOP), está sendo avaliado agora que combinará todas as três medições colocadas. Um esforço semelhante combinará medições de distribuição de tamanho de aerossol de vários instrumentos em uma estrutura comum. Esses novos produtos de dados tornarão mais fácil para os usuários trabalhar com dados ARM para estudar processos de aerossol.

Testes de intercomparação em instrumentos ARM colocados já foram realizados em Oklahoma e no Brasil.

A harmonização até agora gerou grandes melhorias. Antes, comparações entre propriedades ópticas relatadas por sistemas AOS co-localizados podem mostrar tendências de até 25 a 50 por cento. Uma vez que o processamento foi harmonizado, diz Flynn, medições dos mesmos instrumentos mostram "concordância excelente, "com tendência de 2 a 3 por cento.

As discrepâncias anteriores eram devido a "diferenças algorítmicas no processamento pelos dois sistemas, ", disse Springston." Identificar essas diferenças foi um passo crucial na harmonização. "

A maioria dos principais elementos do projeto de harmonização será feita neste outono, incluindo a harmonização das medições da distribuição do tamanho do aerossol. "Contudo, esses produtos representam fundações que provavelmente serão adicionadas no futuro, "diz Flynn.

E os conjuntos de dados históricos? Isso pode ser feito caso a caso, ele diz, por meio de uma solicitação de engenharia da ARM.

Mather, Sisterson, e Flynn estavam todos em harmonia em um ponto:que os usuários de dados ARM e suas necessidades vêm em primeiro lugar. Todos os mentores do AOS "também acreditam nisso, "diz Springston.

Durante o processo de harmonização, diz Flynn, os usuários devem usar e avaliar o produto AOS AOP nível C em particular. ("Nível C" é considerado o melhor nível de dados no ARM.) Enquanto isso, o ARM Facility irá recomendar (e arquivar) o nível de processamento mais alto de cada fluxo de dados do instrumento.

Há um panorama mais amplo a se considerar, Flynn diz:obter dados corretos sobre aerossóis é muito importante no estado atual da ciência atmosférica. “Uma das maiores incertezas é o impacto dos aerossóis no balanço de radiação, ", diz ele. Esse orçamento é o balanço solar que afeta tanto a mudança quanto o equilíbrio na atmosfera do planeta.

Uma incerteza ainda maior nos modelos atuais é a formação de nuvens, aqueles grandes vetores efêmeros de sombra, chuva, resfriamento, aquecimento, e albedo planetário que são semeados por aerossóis muito pequenos. Assim, unindo os principais dados dos aerossóis de uma forma harmonizada, diz Flynn, "é enorme."