一個由全國各地的大氣科學家組成的團隊將在未來14個月內深入德克薩斯州休斯頓地區，尋求一個令人煩惱的問題的答案：懸浮在地球大氣中的煙塵、灰塵、煙霧和其他微粒是否有助於確定雷暴的嚴重程度？所獲得的知識可能會使天氣預報更加準確，併為改進對氣溶膠如何影響地球未來氣候的預測提供關鍵資料。

休斯頓部署還將提供有關當地空氣質量的詳細資料。作為一個在大都市地區進行的廣泛的實地研究，它將給科學家一個獨特的機會來探索工業、車輛排放和建築環境對天氣和氣候的影響。

“我們想知道氣溶膠，水凝結成的微小顆粒是如何形成的雲滴美國能源部（DOE）的氣象學家邁克爾詹森（MichaelJensen）說，這會影響深對流雲的物理性質（通常會聚集閃電和傾盆大雨），然後這些相同的天氣條件如何影響當地的氣溶膠特徵和城市空氣質量Brookhaven國家實驗室和示蹤場活動的主要研究者。TRACER是跟蹤氣溶膠對流相互作用實驗的簡稱，這項研究由DOE的大氣輻射測量（ARM）使用者設施進行。

來自布魯克海文、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和其他機構的示蹤科學家與休斯頓大學的研究人員密切合作，將收集一整年的氣溶膠和大氣特徵資料。該小組將在城外的四個地點部署一套由ARM提供和操作的儀器。在2022年6月至9月的密集研究期間，來自國家科學基金會、美國宇航局、德克薩斯州環境質量委員會和其他機構的其他合作伙伴將加入該小組，以趕上休斯敦夏季風暴季節的高峰期。

休斯頓是一個潮溼的亞熱帶氣候，無數孤立的對流風暴，以及一系列工業和自然氣溶膠來源，休斯頓是研究的最佳地點。

休斯敦大學自然科學與數學學院地球與大氣科學系的研究副教授詹姆斯·弗林說：“我們是沿海環境，所以天氣預報尤其具有挑戰性。”。“我們有很多天然的汙染源。”

例如灰塵、海鹽、柴油機排放的顆粒物、發電廠和煉油廠燃燒過程中產生的煙塵、大量城市道路交通，甚至加州和科羅拉多州野火產生的煙霧。

一些研究表明，這種氣溶膠可以改變雲的生命週期，推遲降水的開始。如果發生這種情況，隨著雲層的增長，水滴可能會變大。弗林說：“當它們倒下的時候，那就是沖溝器。”。

示蹤資料將提高對這些過程的理解，以及我們預測洪水何時發生的能力。

ARM部署

ARM儀器裝在10個移動集裝箱中，統稱為“第一個ARM移動裝置”或AMF1。許多這樣的儀器，包括布魯克海文實驗室配備的氣溶膠觀測系統，已經前往世界各地，從北極到熱帶收集大氣資料。

ARM團隊成員在拉波特（得克薩斯州）市政機場建立了ARM移動裝置——一系列配備了複雜大氣和氣象取樣裝置的集裝箱。追蹤活動的主要地點的裝置將於2021年10月1日至2022年9月30日執行。

“這是ARM移動裝置在城市沿海環境中的首次部署，”美國能源部ARM專案經理Sally McFarlane說。來自墨西哥灣的溫暖潮溼的空氣推動了許多孤立的、中等強度的風暴的形成，這些風暴可能已經成熟，很可能會受到氣溶膠的影響。這些沿海條件以及休斯敦工業和天然氣溶膠來源的混合使該地區成為研究氣溶膠雲相互作用的理想實驗室

一個ARM團隊將在加爾維斯頓灣附近建立集裝箱、每個儀器機架和進氣口，加爾維斯頓灣是一個工業、煉油廠和運輸業眾多的地區。一些集裝箱還裝有先進的雷達（使用無線電波）和鐳射雷達（使用鐳射脈衝）來測量雲層的高度、深度和水量等重要變數。額外的氣象儀器將在鄰近的儀器區工作。這些工具將共同跟蹤雲屬性；氣溶膠的大小、數量和化學成分；降水量；以及影響大氣穩定性的溫度和溼度等變數。

在大氣中取樣

在這一年中，ARM團隊還將推出一千多個氣象氣球攜帶額外的電池供電的感測器，稱為無線電探空儀。這些氣球將穿越雲層並在雲層上方飛行，飛行高度可達17公里（近5。6萬英尺），通常會到達平流層，並將有關溫度、溼度、氣壓和風的額外資料傳回下方的研究站。

一些氣球攜帶的儀器也將測量穿過大氣層深度的臭氧濃度。

弗林說：“我們將利用這些臭氧測量來了解空氣質量以及雷暴如何在地表和高空之間重新分配空氣。”。當汽車尾氣和工業過程中排放的化學物質與陽光發生反應時，就會產生表面臭氧。因此，當風暴將空氣從地表向上輸送到大氣中時，汙染物可以作為示蹤物。

陸地、海洋、大氣相互作用

在明年夏天的密集研究期間，來自示蹤和合作機構的科學家們還將在德克薩斯州西南部的蓋伊鎮附近部署額外的裝置。兩個繫留氣球系統，一個在蓋伊，一個在加爾維斯頓灣東側的史密斯點，將攜帶儀器來測量空氣最低層的風、小氣溶膠粒子和臭氧。加爾維斯頓灣沿岸的測量結果將提供海灣如何影響當地大氣環流的重要資訊。

同時，蓋伊的儀器將在更偏遠的地方收集資料。

McFarlane說：“我們希望看到更低的氣溶膠濃度，因此這個站點將作為AMF1站點的對比，允許在這些非常不同的條件下比較雲和降水特徵。”。

在這兩個主要陸地地點之間，珍珠島的掃描臂降水雷達將跟蹤雲層的性質。

詹森說：“這臺雷達將收集有關雲層特性的資料，包括影響雲層增長速度、結冰速度以及降雨和閃電的垂直上升氣流速度。它將在整個研究期間執行。”。

然後，在密集研究期間，利用獨特的觀測技術，雷達將能夠觀察雲中更精細的細節，包括雲滴的大小和形狀，以及它們是冰還是液體。詹森說：“它將能夠觀察每個地點的大氣，因為它們正經歷著不同的氣溶膠條件。”。

該雷達將由布魯克海文科學家帕夫洛斯·科利亞斯開發的軟體驅動，並使用人工智慧（AI）和現有資料集程式設計。詹森說：“這個軟體允許雷達選擇我們認為將要發展的風暴，並在這些地點移動，然後放大並以高解析度掃描，以探索氣溶膠如何影響那裡的降水滴的細節。”。

共享和應用資料

ARM收集的所有資料將免費提供給任何想要分析它的人。

弗林說：“我們希望我們在這裡學到的東西，對流活動中的過程，汙染如何影響風暴，將適用於其他有大量對流的主要城市地區。”。“有了很多專案，你真的在深入研究一些真正的核心科學。人們有時不知道為什麼這很重要。這是休斯敦非常適用於日常生活的專案之一。”

這項研究也將適用於休斯頓地區以外的地區。美國能源部的大氣系統研究（ASR）計劃已經承諾資助10個由大學研究人員領導的示蹤專案。

“TRACER的科學目標與ASR對雲、氣溶膠、降水和輻射過程的關注一致，”美國能源部ASR專案經理Jeff Stehr說。“對流雲出現在世界各地，但對流雲如何受其環境的影響仍有許多問題。TRACER將提高我們對這些雲層在沿海城市環境中形成、增長和衰變的理解。美國科學研究院資助的最初一組專案包括來自全國各地的研究小組，他們將我將測量和建模新增到跟蹤活動中。”

TRACER收集的資料也有助於理解颶風如何形成和持續多久的相關過程。

詹森說，雖然天氣和氣候在不同的時間尺度上執行，但它們都與“地球大氣的物理性質”有關。“理解風暴對於理解氣候很重要，因為風暴會在大氣中重新分配熱量和水分，而這種重新分配受大氣中小尺度過程的影響，包括與大氣的相互作用氣溶膠。 這就是我們在氣候和天氣模型中所面臨的問題。”

“TRACER將填補一些缺失的資料，以幫助我們改進這些模型。”