Universität zu Köln

Tropospheric Chemical State Estimation by Four-Dimensional Variational Data Assimilation on Nested Grids

Strunk, Achim (2006) Tropospheric Chemical State Estimation by Four-Dimensional Variational Data Assimilation on Nested Grids. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The University of Cologne chemistry transport model EURAD and its four-dimensional variational data assimilation implementation is applied to a suite of measurement campaigns for analysing optimal chemical state evolution and flux estimates by inversion. In BERLIOZ and VERTIKO, interest is placed on atmospheric boundary layer processes, while for CONTRACE and SPURT upper troposphere and tropopause height levels are focussed. In order to achieve a high analysis skill, some new key features needed to be developed and added to the model setup. The spatial spreading of introduced observational information can now be conducted by means of a generalised background error covariance matrix. It has been made available as a flexible operator, allowing for anisotropic and inhomogeneous correlations. To estimate surface fluxes with high precision, the facility of emission rate optimisation using scaling factors is extended by a tailored error covariance matrix. Additionally, using these covariance matrices, a suitable preconditioning of the optimisation problem is made available. Furthermore, a module of adjoint nesting was developed and implemented, which enables the system to operate from the regional down to the local scale. The data flow from mother to daughter grid permits to accomplish nested simulations with both optimised boundary and initial values and emission rates. This facilitates to analyse constituents with strong spatial gradients, which have not been amenable to inversion yet. Finally, an observation operator is implemented to get to assimilate heterogeneous sources of information like ground-based measurements, airplane measuring data, Lidar and tethered balloon soundings, as well as retrieval products of satellite observations. In general, quality control of the assimilation procedure is obtained by comparison with independent observations. The case study analyses show considerable improvement of the forecast quality both by the joint optimisation of initial values and emission rates and by the increase of the horizontal resolutions by means of nesting. Moreover, simulation results for the two airplane campaigns exhibit outstanding characteristics of the assimilation system also in the middle and upper troposphere region.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Das Chemie-Transport-Modell EURAD der Universität zu Köln und sein vierdimensionales variationelles Datenassimilationsmodul wird zur Analyse optimaler chemischer Zustände und Flüsse auf eine Reihe unterschiedlicher Messkampagnen in der Troposphäre angewandt. Im Mittelpunkt der Simulationen für BERLIOZ und VERTIKO stehen Prozesse der atmosphärischen Grenzschicht, wohingegen im Rahmen von CONTRACE und SPURT die obere Troposphäre und die Tropopausenregion untersucht wird. Um bestmögliche chemische Zusandsanalysen zu erhalten, mussten verschiedene neue Schlüsselfunktionen entwickelt und dem Modellsystem hinzugefügt werden. Zum einen soll der Informationsgehalt weniger Messungen effizient genutzt werden, was durch die Parametrisierung der Hintergrundfehler-Kovarianzmatrix in Form eines Operators ermöglicht werden konnte. Zusätzlich können so flexibel anisotrope und inhomogene Korrelationen simuliert werden. Zur genauen Bestimmung von Flüssen wurde dem Optimierungsmodus für Emissionsraten mit skalierenden Faktoren eine angepasste Fehler-Kovarianzmatrix hinzugefügt. Die Kovarianzmatrizen werden ferner dazu verwendet, das Optimierungsproblem geschickt zu präkonditionieren. Eine fundamentale Neuentwicklung ist das Modul des adjungierten Nestens, wodurch das Assimilationssystem jetzt von der regionalen bis zur lokalen Skala operabel ist. Der Datenfluss von Mutter- zu Tochtergitter ermöglicht es, genestete Simulationen sowohl mit optimierten Rand- und Anfangswerten als auch mit verbesserten Emissionsraten durchzuführen. Durch diese Neuerung werden Spurengase mit hoher räumlicher Variabilität der Analyse zugänglich, die zuvor nicht analysiert werden konnten. Schließlich wurden leistungsfähige Beobachtungsoperatoren implementiert, die die bestmögliche, gemeinsame Nutzung unterschiedlichster Informationsquellen wie erdgestützte Messungen, Flugzeugbeobachtungen, Lidarsondierungen und Ballonaufstiege, sowie Erdbeobachtungen aus Satellitenmessungen ermöglicht. Die Qualität der bei den Fallstudien ermittelten Analysezustände wird generell durch den Vergleich mit unabhängigen Messungen bestimmt. Die Simulationen im Rahmen der Fallstudien zeigen eine starke Verbesserung der Vorhersagegüte sowohl durch die gemeinsame Optimierung von Anfangszuständen und Emissionsfaktoren als auch durch die Erhöhung der horizontalen Gitterauflösung mittels Nestens. Darüberhinaus stellen die Simulationen für die obere Troposphäre die herausragenden Fähigkeiten des Assimilationssystems unter Beweis.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Strunk, Achimas@riu.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-19429
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Datenassimilation , troposphärische Chemie , 4d-var , Fehlerkovarianzen , EURADGerman
    data assimilation , tropospheric chemistry , 4d-var , error covariances , EURADEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 11 January 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 14 Feb 2007 17:22:30
    Referee
    NameAcademic Title
    Ebel, AdolfProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1942

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