Innovative Strategies for Observation in the Arctic Atmospheric Boundary Layer

Hovedmålet med prosjektet ISOBAR (Innovative Strategies for Observation in the Arctic Atmospheric Boundary Layer) er å øke forståelsen av turbulente utvekslingsprosesser under stabile atmosfæriske forhold i atmosfæren, spesielt i Arktis. Manglende kunnskap om disse prosessene, er en av hovedgrunnene til at værvarslings- og klimamodeller ofte har problemer og økt usikkerhet i polare strøk. Prosjektet kombinerer målingene fra forskjellige forskningsdroner (på engelsk RPAS: Remotely Piloted Aircraft Systems) med forskjellige typer finskala modeller for å forstå de relevante fysiske prosessene bedre. Ved prosjektslutt skal disse resultatene implementeres i de eksisterende numeriske modeller for å redusere usikkerheten. Geofysisk institutt på universitetet i Bergen er vertsinstitusjon som koordinerer prosjektet som inkluderer flere nasjonale og internasjonale forskningspartnere. Dette er Uni Research, UNIS, det Finske Meteorologiske institutt, og universitetene i Tübingen, Hannover, og Ostwestfalen-Lippe i Tyskland. Prosjektet har en totalramme på 12.3 millioner kroner og er finansiert med rundt 9 millioner kroner fra Forskningsrådet. I løpet av prosjektet Så langt har det blitt gjennomført tre målekampanjer. Den første vårte i to uker og skjedde ved Andøya Space Center på Andenes i november/desember 2016. Hovedformål var en generell test av alle ubemannede systemer fra de forskjellige partnere og en sammenlikning og validering av de sensorsystemene i bruk. Det var en viktig forarbeid for den første av to store feltkampanjer i prosjektet som ble gjennomført i tre uker i februar/mars 2017 i Hailuoto, Finland over sjøis i Østersjøen. Advansert in-situ og fjernmålingsinstrumentering har blitt brukt i kombinasjon med intens vertikalprofilering ved hjelp av en rekke forskjellige droner. Med mer enn 150 flygninger har den kampanjen vært meget vellykket og har produsert et unikt dataset for en forbedring av vår forståelsen av prosessene i det stabile atmosfæriske grenselaget. En detaljert beskrivelse av selve kampanjen og en presentasjon av de første resultatene er nå publisert (Kral et al., 2018; https://www.mdpi.com/2073-4433/9/7/268). Den andre store kampanjen er gjennomført over 4 uker i februar 2018, igjen i Hailuoto, Finland (https://isobar2018campaign.w.uib.no/). Basert på resultatene og erfaringene fra kampanjen året før, har vi tilpasset instrumentering og målestrategi for endå bedra observasjoner i det stabile grenselaget. Kontinuerlig fjernmåling av vind og turbulens, kombinert med mer enn 350 flygninger av forskjellige forskningsdroner har resultert i et unikt data set for grenselagforskning. Gjennom de to målekampanjene har ISOBAR prosjektet samlet inn et unikt og verdiful data set for det stabile og meget stabile atmosfæriske grenselaget. Dataene av alle målesystemene har blitt grundig kontrollert og er nå tilgjengelig både i NetCDF og Matlab format. Turbulensdata finnes i 20 Hz oppløsning, resten er tilgjengilig i forskjellige tidsoppløsning på 1 sekund, 1 minutt, 10 minutt og 30 minutt. I tilleg er også store mengder av modelldata lagret. Disse omfatter modellkjøringer med WRF over hele eksperimentperioden og case studier for utvalgte situasjoner, både med WRF-SCM og med LES modellen PALM. Kombination av observasjoner i høy kvalitæt og fin-skala modellvirksomhet har betydelig økt forståelsen av turbulens og turbulent utveksling i det stabile og veldig stabile grenselaget. Dermed har vi oppfyllt de fleste av målene i ISOBAR prosjektet.

The ISOBAR data sets will have a large impact in the field of general boundary layer meteorology, as they provide an up to now unmatched level of detail in the structure of stable and very stable boundary layers. As other comparable campaigns in the past (e.g. CASES-99 or SHEBA) ISOBAR will provide scientists with material for detailed analysis in the years to come. At present, ISOBAR data are the basis for two ongoing PhD projects (Stephan Kral (GFI/UiB) and Brian Greene (University of Oklahoma)) and are thus directly related to the competence development of Early Stage Researchers. The material has also potential for additional PhD and master projects and will play a key role in research based education at the participating institutions. Links have been established with the modelling community of the YOPP (Year of Polar Prediction) to use ISOBAR observations as validation and benchmark data set on the way to further improvement of our modeling capacities for stable boundary layers.

The purpose of the basic research project ISOBAR (is to increase our understanding of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in the Arctic. In particular, we aim to study the physical processes governing the turbulent exchange under stable conditions, which are not well represented in current Numerical Weather Prediction (NWP) and climate models, due to insufficient parameterization schemes for the Stable Boundary Layer (SBL). Applying new innovative observation strategies, which include meteorological Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) in addition to well-established ground based and profiling systems, we will provide data sets on the turbulent structure of the SBL, with unique spatial and temporal resolution. The project includes the test and characterization of the RPAS based turbulence sensors through laboratory experiments and a validation campaign at DWD observatory in Lindenberg. Three different RPAS systems, the Multipurpose Atmospheric Sensor Carrier (MASC, for long-range horizontal turbulence measurements), the Small Unmanned Meteorological Observer (SUMO, for turbulence measurements and vertical profiles) and the Advanced Mission and Operation Research (AMOR) multicopter system (for vertical profiles of the Surface Layer and fixed-location turbulence measurements) will be applied during two four-week long campaigns. These campaigns will focus on the SBL over homogeneous sea-ice (Arctic Ocean around Svalbard, winter/spring 2017) and surface heterogeneities due to partially open water (western fjords of Svalbard, winter/spring 2018). Collocated and coordinated measurements by a large number of RPAS (2 MASC, 7 SUMO, 2-4 AMOR) will provide a unique opportunity to sample the relevant data with so far unreached resolution. Supported by Single Column Model and Large-Eddy Simulation experiments we will use the collected data sets to develop new SBL parameterization schemes and implement them in the state-of-the-art Weather and Research Forecasting model (WRF)