DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-2799-2026
تاريخ النشر: 2026-04-21
المؤلف: Henning Dorff وآخرون
الموضوع الرئيسي: الظواهر الجوية والمحاكاة
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية مجموعة بيانات مفصلة للقياسات المحمولة على البالونات التي تم جمعها خلال حملة مراقبة في القطب الشمالي في محطة فيلوم البحثية (VRS) في غرينلاند، والتي أجريت من 19 مارس إلى 18 أبريل 2024. تستخدم الدراسة نظام BELUGA (نظام البالونات المحمولة لقياس الغلاف الجوي السفلي)، الذي قام بإجراء قياسات في الموقع للمعلمات الجوية مثل درجة الحرارة، الرطوبة النسبية، سرعة الرياح، الاضطراب، والإشعاع الحراري تحت الأحمر. على مدار 28 رحلة بحثية، أنتج نظام BELUGA أكثر من 336 ملفًا عموديًا عالي الدقة، مما سهل دراسة طبقة الحدود الجوية في القطب الشمالي خلال فترات انتقالية حرجة، بما في ذلك التحولات من النهار إلى الليل وتطور السحب.
تؤكد النتائج على أهمية مجموعة بيانات BELUGA لتقييم نماذج جوية مختلفة، بما في ذلك التنبؤ بالطقس العددي والمحاكاة الكبيرة، خاصة في فهم العمليات التي تحكم طبقة الحدود الجوية في القطب الشمالي. تكشف الملاحظات عن رؤى حول الانعكاسات الحرارية، ومعدلات التسخين الإشعاعي، وديناميات الرياح المنخفضة، والتي تعتبر حاسمة لتقييم آلية ردود الفعل على معدل الانخفاض التي تدفع تعزيز القطب الشمالي. البيانات المتاحة للجمهور من المستوى 2، المنظمة في مجموعات فرعية مفصولة بواسطة المجسات، تهدف إلى دعم المزيد من الأبحاث ومقارنات النماذج، مما يعزز في النهاية فهم ديناميات المناخ في القطب الشمالي ودور العمليات الصغيرة في تسخين السطح. تدعو الورقة إلى دراسات تآزرية تدمج ملاحظات BELUGA مع أطر النمذجة لتحسين تمثيل عمليات طبقة الحدود الجوية في نماذج المناخ.
مقدمة
شهد نظام المناخ في القطب الشمالي تغييرات كبيرة في العقود الأخيرة، لا سيما زيادة في درجة حرارة الهواء القريبة من السطح تبلغ أربعة أضعاف المتوسط العالمي، وهو ظاهرة تُعرف بتعزيز القطب الشمالي. يتم دفع هذا التعزيز بشكل أساسي بواسطة آليات ردود الفعل المحلية والبعيدة، وخاصة ردود فعل معدل الانخفاض وبياض السطح. ومع ذلك، تكافح نماذج المناخ الحالية لتمثيل العمليات الفيزيائية المعقدة المعنية بدقة، وخاصة تلك المتعلقة بطبقة الحدود الجوية في القطب الشمالي، والتي تعتبر حاسمة لفهم ردود الفعل على معدل الانخفاض. تلعب طبقة الحدود الجوية، التي تتميز بانعكاس درجة حرارة قريبة من السطح، دورًا محوريًا في تعزيز التسخين القريب من السطح بينما تظهر تسخينًا خافتًا في الطبقة التروبوسفير الحرة.
تتأثر ديناميات طبقة الحدود الجوية في القطب الشمالي بعوامل مختلفة، بما في ذلك التبريد الإشعاعي، والتفاعلات السطحية، ووجود السحب المنخفضة، التي تؤثر بشكل كبير على هيكل طبقة الحدود المضطربة وميزانية الطاقة الإشعاعية السطحية. على الرغم من الاعتراف بهذه العمليات، لا تزال التحولات بين حالات طبقة الحدود الجوية المختلفة غير مفهومة جيدًا، مما يعقد التنبؤات الجوية العددية والمحاكاة المناخية. لمعالجة هذه الفجوة، تم تطوير نظام BELUGA (نظام البالونات المحمولة لقياس الغلاف الجوي السفلي) لتوفير قياسات عالية الدقة لطبقة الحدود الجوية، ملتقطًا التحولات السريعة ومعززًا فهمنا للعمليات الأساسية. كانت عمليات نشر BELUGA الأخيرة في محطة فيلوم البحثية في غرينلاند تهدف إلى وصف هذه التحولات والمساهمة بمجموعات بيانات قيمة لمزيد من التحليل العلمي. تفصل هذه الورقة حملة القياس، وإعداد الأدوات، ومعالجة البيانات، والتطبيقات المحتملة للبيانات المجمعة في دراسة ديناميات طبقة الحدود الجوية في القطب الشمالي.
نقاش
استخدم البحث الذي أُجري في محطة فيلوم البحثية (VRS) من 24 مارس إلى 12 أبريل 2024 نظام BELUGA لقياسات البالونات المربوطة للتحقيق في ديناميات طبقة الحدود الجوية في القطب الشمالي. تقع VRS في شمال شرق غرينلاند، وهي مجهزة بأدوات أرصاد جوية متقدمة، بما في ذلك محطة أرصاد جوية آلية ورادار سحب، مما سهل جمع البيانات بشكل شامل. استخدم نظام BELUGA بالونًا مملوءًا بالهيليوم بسعة 9 م³ يحمل أجهزة قياس في الموقع لالتقاط الظروف الديناميكية الحرارية، واتجاهات الرياح، وملفات الإشعاع. تم إجراء ما مجموعه 28 رحلة بحثية، مما أسفر عن 336 ملفًا عموديًا قدمت رؤى حول هيكل طبقة الحدود الجوية وتأثير التدفقات الكاتاباتيكية بسبب التضاريس المعقدة للمنطقة.
شملت البيانات المجمعة مجموعات بيانات من المستوى 2 (L2)، والتي تتوفر للجمهور وتغطي مجموعة متنوعة من المعلمات الجوية، وقياسات الاضطراب، وبيانات الإشعاع العريض. أشارت النتائج إلى وجود تصنيف مستقر في الغالب وظروف جافة داخل التروبوسفير، مع تباينات ملحوظة في ملفات الرطوبة ودرجة الحرارة طوال الحملة. كشفت التحليلات عن وجود رياح منخفضة المستوى وانتقالات في ظروف السحب، مما يبرز أهمية التوصيف العمودي في فهم استجابة طبقة الحدود الجوية للتغيرات السطحية. تسهم نتائج الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول الأرصاد الجوية في القطب الشمالي وديناميات الانتقالات الجوية، مع آثار على نمذجة المناخ وفهم التأثيرات المناخية الإقليمية.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-2799-2026
Publication Date: 2026-04-21
Author(s): Henning Dorff et al.
Primary Topic: Meteorological Phenomena and Simulations
Overview
This research paper presents a detailed dataset of balloon-borne measurements collected during an Arctic observation campaign at the Villum Research Station (VRS) in Greenland, conducted from March 19 to April 18, 2024. The study utilizes the Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere (BELUGA) system, which performed in-situ measurements of atmospheric parameters such as temperature, relative humidity, wind speed, turbulence, and thermal infrared irradiance. Over the course of 28 research flights, the BELUGA system generated more than 336 high-resolution vertical profiles, facilitating the examination of the Arctic atmospheric boundary layer (ABL) during critical transitional periods, including day-to-night shifts and cloud development.
The findings underscore the significance of the BELUGA dataset for evaluating various atmospheric models, including numerical weather prediction and large-eddy simulations, particularly in understanding processes that govern the Arctic ABL. The observations reveal insights into temperature inversions, radiative heating rates, and low-level jet dynamics, which are crucial for assessing the lapse-rate feedback mechanism that drives Arctic amplification. The publicly available Level-2 data, organized into probe-separated subsets, are intended to support further research and model comparisons, ultimately enhancing the understanding of Arctic climate dynamics and the role of small-scale processes in surface warming. The paper advocates for synergistic studies that integrate BELUGA observations with modeling frameworks to improve the representation of ABL processes in climate models.
Introduction
The Arctic climate system has undergone significant changes in recent decades, notably a near-surface air temperature increase that is four times the global average, a phenomenon termed Arctic amplification. This amplification is primarily driven by local and remote feedback mechanisms, particularly the lapse rate and surface albedo feedbacks. However, existing climate models struggle to accurately represent the complex physical processes involved, particularly those related to the Arctic atmospheric boundary layer (ABL), which is crucial for understanding lapse rate feedback. The ABL, characterized by a near-surface temperature inversion, plays a pivotal role in amplifying near-surface warming while exhibiting muted heating in the free troposphere.
The dynamics of the Arctic ABL are influenced by various factors, including radiative cooling, surface interactions, and the presence of low-level clouds, which significantly affect the turbulent boundary layer structure and the surface radiative energy budget. Despite the recognition of these processes, the transitions between different ABL states remain poorly understood, complicating numerical weather predictions and climate simulations. To address this gap, the Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere (BELUGA) has been developed to provide high-resolution measurements of the ABL, capturing rapid transitions and enhancing our understanding of the underlying processes. Recent deployments of BELUGA at the Villum Research Station in Greenland aimed to characterize these transitions and contribute valuable datasets for further scientific analysis. This paper details the measurement campaign, instrument setup, data processing, and potential applications of the collected data in studying Arctic ABL dynamics.
Discussion
The research conducted at the Villum Research Station (VRS) from March 24 to April 12, 2024, utilized the BELUGA system for tethered-balloon measurements to investigate the Arctic boundary layer (ABL) dynamics. The VRS, situated in northeastern Greenland, is equipped with advanced meteorological instruments, including an automatic weather station and cloud radar, which facilitated comprehensive data collection. The BELUGA system employed a 9 m³ helium-filled balloon carrying in-situ measurement devices to capture thermodynamic conditions, wind vectors, and radiation profiles. A total of 28 research flights were conducted, yielding 336 vertical profiles that provided insights into the ABL’s structure and the influence of katabatic flows due to the region’s complex orography.
The data collected included Level-2 (L2) datasets, which are publicly accessible and encompass various meteorological parameters, turbulence measurements, and broadband radiation data. The findings indicated predominantly stable stratification and dry conditions within the troposphere, with notable variations in humidity and temperature profiles throughout the campaign. The analysis revealed the presence of low-level jets and transitions in cloud conditions, emphasizing the importance of vertical profiling in understanding the ABL’s response to synoptic changes. The study’s results contribute valuable insights into Arctic meteorology and the dynamics of atmospheric transitions, with implications for climate modeling and understanding regional climate impacts.