La armonía es un estado de acuerdo y cooperación.

Ese estado también es necesario para los sistemas de observación de aerosoles (AOS) operados por la Instalación de Medición de Radiación Atmosférica (ARM), una instalación de usuarios científicos para el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Hace unos pocos años, los expertos de ARM descubrieron diferencias en los productos de datos finales vinculados a un conjunto de instrumentos AOS en vigor antes de 2010, y otro conjunto diseñado y desplegado después de eso.

En respuesta, ARM desencadenó un proyecto intensivo hace tres años para armonizar los instrumentos de observación de aerosoles y los flujos de datos archivados que se originan con ellos. Este proyecto de armonización de AOS, en ciernes durante tres años complicados y ocupados, se hará en gran parte para este otoño.

"El propósito de la armonización es unificar el procesamiento para que el producto de datos final pueda compararse con el historial de medición de ARM, "dice el director técnico de ARM, Jim Mather, un científico atmosférico en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).

Procesamiento de primera generación

En el centro del problema hay dos generaciones de sistemas de medición, ambos financiados por el Departamento de Energía de EE. UU., pero cada uno de ellos diseñado por diferentes contratistas.

La falta de armonía en los datos de aerosoles se debió en gran parte a diferencias en el procesamiento, dice Mather. Procesamiento de primera generación, por ejemplo, promedió todos los datos brutos durante un minuto en el campo, y luego aplicó más correcciones.

Antes del esfuerzo de armonización, También hubo otro factor de confusión:una cantidad significativa de procesamiento manual. "Uno de los problemas, quizás un problema clave, "dice Mather, "Es que este procesamiento manual no se estaba comunicando a los usuarios ni se estaba haciendo de manera uniforme entre los dos tipos de sistemas".

Todas estas contracorrientes históricas "hicieron necesario automatizar y describir la mayor cantidad posible de este procesamiento, para que lo que se estaba haciendo con los datos fuera coherente y estuviera bien descrito, ", dice." La idea de armonizar era acercarnos al formato uniforme en todos nuestros sitios. Y el objetivo siempre es mejorar la ciencia del usuario ".

Aerosoles:alta importancia, y mas datos

La armonía de los datos y el procesamiento de datos es importante porque los aerosoles en sí mismos son importantes. Son diminutos medido en micrómetros y nanómetros, pero colectivamente estas partículas atmosféricas ejercen una influencia significativa sobre la Tierra.

Al interactuar con la radiación solar a través de la reflexión, absorción, y esparciendo, los aerosoles afectan directamente a la radiación. Además, Los aerosoles afectan el balance energético de la Tierra indirectamente a través de su impacto en la formación de nubes.

A principios de la década de 1990, aerosoles de la quema de biomasa, erupciones volcánicas, y otras fuentes fueron ampliamente reconocidas por su influencia en la transferencia de radiación en la atmósfera, pero había pocos datos sobre su masa, propiedades ópticas, distribución, u otros factores.

Desde entonces, medición de aerosoles, Mather dice:"es una capacidad fundamental" en ARM, que durante 25 años ha recogido, procesado, calidad comprobada, y archivó una amplia gama de mediciones relevantes para la atmósfera de la Tierra.

Cantidades cada vez mayores de datos AOS

Incrementalmente, a partir de 1996, ARM ha recopilado cantidades cada vez mayores de datos sobre aerosoles. Más allá de la recopilación de datos diaria, el SGP fue en 2003 el sitio de un Período de Observación Intensivo de Aerosol completo. En 2005, también en SGP, llegó el Experimento de Validación de Aerosol Lidar (ALIVE). Ese mismo año, la instalación móvil ARM, equipado con un sistema AOS, estaba listo para ser desplegado en todo el mundo durante 6 a 18 meses a la vez. Su portabilidad hizo posible capturar la variabilidad regional de los datos de aerosoles.

Para el 2012, ARM tenía capacidades AOS en sus sitios fijos, en dos instalaciones móviles, y una instalación aérea ARM que tomó medidas de aerosoles en lo alto de la columna de aire.

Todos estos datos de AOS se estaban transmitiendo, y en 2010 desde dos tipos diferentes de sistemas. ¿Cómo se veía?

Los expertos de ARM comenzaron a lidiar con la necesidad de armonización de AOS en 2014, sabiendo que existían dos sistemas funcionales pero distintos. Uno, llámelo el "AOS original", fue construido por el DOE y poco después fue asesorado por personal financiado por ARM en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). El otro, llámelo "próxima generación, o de segunda generación, AOS ", fue diseñado y guiado por el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) del DOE.

"No existe una forma correcta de realizar el muestreo de aerosoles, "dice Doug Sisterson, Coordinador de instrumentos ARM y científico atmosférico con base en el Laboratorio Nacional Argonne.

La plataforma AOS típica tiene un núcleo de al menos 10 instrumentos y cien o más flujos de datos provenientes de cada uno. La tarea de armonización —cómo traducir los datos de aerosoles a un lenguaje común— "resultó ser una empresa bastante masiva, "dice Mather." Cuanto más complejos son los instrumentos, cuanto más desafiantes son estas cosas ".

Primero un sistema, y luego dos

El primer AOS entró en funcionamiento en abril de 1996 en el observatorio atmosférico de las Grandes Llanuras del Sur (SGP) en Oklahoma. Alojado en un remolque autónomo, el sistema integrado de cinco instrumentos había sido desarrollado por el Programa de Medición Ambiental del DOE. Una pila de entrada adjunta muestreada desde 10 metros sobre el suelo, una altura calculada para evitar la turbidez superficial. Pronto, Mentores de instrumentos NOAA, financiado por ARM, se hizo cargo.

Además, ARM también comenzó a procesar datos AOS de un sistema propiedad de NOAA en Barrow, adyacente al sitio de ARM en North Slope of Alaska (NSA). Estos datos de Barrow AOS se conocen como NSA X1 en el Centro de datos de ARM. (NOAA ha estado operando un sistema AOS en NSA desde 1976). En SGP y en NSA, Los mentores de NOAA mantuvieron calibraciones del sistema, estado y salud monitoreados, y datos ingeridos antes de reenviarlos a ARM.

En 2009, ARM contrató a BNL para diseñar, construir, y operar varios sistemas AOS nuevos. Los sistemas de segunda generación presentaron nuevas oportunidades para los modos de funcionamiento y la instrumentación de procesamiento en comparación con los conjuntos de instrumentos originales para AOS. Hoy dia, representan una expansión significativa de nuevos instrumentos y nuevas medidas.

Los mentores de AOS de BNL ahora incluyen a Stephen R. Springston, Arte Sedlacek, Chongai Kuang, Tom Watson, y otros. (Springston es el mentor principal de AOS para todos los sistemas AOS diseñados por BNL).

Después de que se implementaron los sistemas de próxima generación, ARM reconoció que las diferencias en el procesamiento entre los sistemas de primera y segunda generación debían armonizarse para proporcionar conjuntos de datos que los usuarios pudieran comparar más fácilmente entre sitios y años. Además, Los avances en la velocidad computacional y los algoritmos también permitieron la automatización del procesamiento de los datos de aerosoles que no fue posible en 1996. El proyecto de armonización de AOS se inició para que los usuarios se sintieran cómodos con el uso de datos de los diferentes sistemas para su investigación científica.

"La armonización busca poner las mediciones de todos los sistemas en pie de igualdad, "dice Springston, "y hacer que las diferencias sean irrelevantes para el usuario final, en el mejor de los casos, y en el peor de los casos, documentar las diferencias. Una medición de dispersión de un sitio en Oklahoma en 1999 debería ser comparable a una medición de dispersión en la Antártida en 2016".

El factor Flynn

Cuando el DOE dijo "Solucione esto, "Connor Flynn intervino. El científico del personal de la PNNL, experto en instrumentación, y ARM Aerosol Working Group Translator ha pasado mucho tiempo en los últimos tres años trabajando directamente con los mentores de instrumentos AOS en BNL y NOAA; con Josh King en la Oficina de Calidad de Datos de ARM; y con los desarrolladores Annette Koontz y Brian Ermold en la instalación de gestión de datos de ARM en PNNL.

"Este ha sido un proyecto de consenso desde el principio, "dice Flynn.

Sisterson sostiene que la "grandeza de Flynn se amplifica cuando te das cuenta de lo grande que era el problema (la armonización)".

Springston lo elogia por lidiar con la "consistencia algorítmica" requerida por la armonización, y dice que "Connor se ha esforzado mucho para comprender las diferencias en todas las plataformas ARM, mentores operadores, e incluso modelos de instrumentos ".

Flynn comenzó con el trabajo en equipo. Facilitó las asociaciones entre mentores y otros para llegar a un estado de armonía AOS:procesamiento automatizado uniforme, un formato de datos uniforme, y una confianza mesurada al comparar los resultados de ambos sistemas.

Hasta aquí, las cosas estan yendo bien. Varios elementos de la tarea ya están completos, incluida la armonización de la mayoría de las propiedades ópticas de los aerosoles AOS, densidad del número de aerosoles (los contadores de partículas de condensación, o CPC, familia), concentraciones de núcleos de condensación de nubes (la familia CNN), y algunas mediciones de gases traza AOS.

Todavía se está trabajando en los instrumentos más complejos, incluidos los que miden la distribución del tamaño de partículas, crecimiento higroscópico, y composición de aerosol.

Los dos con mayor prioridad para la armonización incluyen el fotómetro de hollín de una sola partícula (SP2), utilizado para medir la concentración y la masa de partículas de hollín producidas por fuentes como incendios forestales hasta el rango nanométrico, y el Monitor de especiación química de aerosoles (ACSM).

El SP2 aún requiere procesamiento manual, dice Flynn, "pero a través de la armonización hemos desarrollado rutinas autónomas para proporcionar un nivel de estado y salud operativa en tiempo real".

El ACSM, otro instrumento complejo, mide en tiempo real la composición química de partículas submicrónicas. Como instrumento de espectrómetro de masas, dice Flynn, sus datos "son bastante complicados de procesar". El producto final siempre puede incluir una revisión manual, él añade, "pero estamos trabajando con el mentor de ACSM, Tom Watson, y el proveedor de instrumentos, Aerodino, para mejorar tanto la salud operativa como el estado en tiempo real, así como la calidad de las concentraciones masivas de especies químicas autónomas ".

La migración de las mediciones de AOS implica la integración de las actividades de los mentores y el procesamiento de datos dentro de las normas establecidas de las operaciones de ARM y de su Oficina de Calidad de Datos. Antes de desarrollar estas ingestas automatizadas, calibraciones, y productos de datos, dice Flynn, "Casi todos los datos de AOS viajaron por una ruta tortuosa que incluyó el procesamiento manual de los datos por parte de un mentor antes de 'volver a entregarlos' a ARM".

Armonización de tres etapas de procesamiento

Dar esos pasos de integración y automatización es solo la primera de las tres posibles etapas de procesamiento para la armonización, dice Flynn.

El segundo es facilitar la comparación de medidas AOS de diferentes conjuntos de instrumentos, aquellos diseñados por NOAA y BNL. Los productos de datos finales ahora tienen "niveles documentados de comparabilidad, "dice Flynn, así como metadatos precisos y completos y una "apariencia" uniforme para el producto final.

La tercera etapa de procesamiento de la armonización, dice Flynn, está "mejorando la sinergia de los instrumentos colocados dentro de la misma suite AOS".

Por ejemplo, Actualmente se toman tres medidas individualmente para la dispersión óptica de aerosoles, extinción, y absorción. Un nuevo producto de datos, Propiedades ópticas del aerosol AOS (AOS AOP), se está evaluando ahora que combinará las tres medidas colocadas. Un esfuerzo similar combinará las mediciones de la distribución del tamaño de los aerosoles de múltiples instrumentos en un marco común. Estos nuevos productos de datos facilitarán a los usuarios el trabajo con datos ARM para estudiar los procesos de aerosoles.

Ya se han realizado pruebas de intercomparación en instrumentos ARM colocados en Oklahoma y Brasil.

Hasta ahora, la armonización ha generado grandes mejoras. Antes, las comparaciones entre las propiedades ópticas informadas por los sistemas AOS coubicados pueden mostrar sesgos de hasta el 25 al 50 por ciento. Una vez armonizado el procesamiento, dice Flynn, Las mediciones de los mismos instrumentos muestran una "excelente concordancia, "con un sesgo tan bajo como del 2 al 3 por ciento.

Las primeras discrepancias se debieron a "diferencias algorítmicas en el procesamiento de los dos sistemas, ", dijo Springston." La identificación de estas diferencias fue un paso crucial en la armonización ".

La mayoría de los elementos principales del proyecto de armonización se realizarán este otoño, incluida la armonización de las medidas de distribución del tamaño de los aerosoles. "Sin embargo, Estos productos representan bases que probablemente se agregarán en el futuro, "dice Flynn.

¿Y qué pasa con los conjuntos de datos históricos? Estos se pueden hacer caso por caso, él dice, mediante solicitud de ingeniería ARM.

Mather, Hermana hijo, y Flynn estaban todos en armonía en un punto:que los usuarios de datos ARM y sus necesidades son lo primero. Todos los mentores de AOS "creen esto también, "dice Springston.

Durante el proceso de armonización, dice Flynn, los usuarios deben utilizar y evaluar el producto AOS AOP C-level en particular. (El "nivel C" se considera el mejor nivel de datos en ARM). Mientras tanto, ARM Facility recomendará (y archivará) el nivel de procesamiento más alto del flujo de datos de cada instrumento.

Hay un panorama más amplio a considerar, Flynn dice:obtener los datos de aerosoles correctos es muy importante en el estado actual de la ciencia atmosférica. "Una de las mayores incertidumbres es el impacto de los aerosoles en el presupuesto de radiación, ", dice. Ese presupuesto es el balance solar que afecta tanto al cambio como al equilibrio en la atmósfera del planeta.

Una incertidumbre aún mayor en los modelos actuales es la formación de nubes, esos grandísimos vectores efímeros de sombra, lluvia, enfriamiento, calentamiento y albedo planetario que son sembrados por aerosoles muy pequeños. Por lo tanto, al vincular los datos clave de aerosoles de una manera armonizada, dice Flynn, "es enorme."