Universität zu Köln

Singular Vector Based Targeted Observations of Atmospheric Chemical Compounds

Goris, Nadine (2010) Singular Vector Based Targeted Observations of Atmospheric Chemical Compounds. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Measurements of the earth's environment provide only sparse snapshots of the state of the system due to their insufficient temporal and spatial density. In face of these limitations, the measurement configurations need to be optimized to get a best possible state estimate. One possibility to optimize the state estimate is provided by targeted observations of sensitive system states, where measurements are of great value for forecast improvements. In the recent years, numerical weather prediction adapted singular vector analysis with respect to initial values as a novel method to identify sensitive locations. In the present work, this technique was transferred from meteorological to chemical forecast. Besides initial values, emissions were introduced as controlling variables. Since time-variant amounts of emissions continuously act on the chemical evolution, targeting observations of emissions is a challenging task. Alternatively, uncertainties in the amplitude of the diurnal profile of emissions are analyzed, yielding emission factors as target variables. Special operators were designed to address specific questions of atmospheric chemistry, like the VOC- versus NOx-sensitivity of the ozone formation. The concept of adaptive observations was studied on two levels of complexity: At first, targeted singular vectors were implemented in a chemistry box model which only treats chemical reaction kinetics. Due to the absence of spatial dimensions, the chemistry box model only provides ranking lists of measurement priorities for different compounds. In the second step, singular vector analysis was implemented in a chemical transport model to additionally determine optimal placements of measurements. Both models have been tested and evaluated by conducting a comprehensive set of case studies. Particular questions of specific interest for the chemical system were examined, where the newly designed operators were applied. Results show large differences in sensitivities of different compounds. Consequently, an optimal measurement configuration benefits from omitting measurements of compounds of low sensitivity. It is demonstrated how targeted observations of chemical compounds depend on the considered simulation interval, meteorological conditions, and the underlying chemical composition. Accomplished studies clearly identify strong differences between meteorological and chemical target areas. These differences reveal the importance of the chemical composition and emphasize the significance of chemical singular vectors for effective campaign planing.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Umweltbeobachtungen liefern aufgrund unzureichender zeitlicher und räumlicher Auflösung nur unvollständige Beschreibungen der Erdatmosphäre und ihrer Komponenten. Um trotz dieser Einschränkungen eine bestmögliche Zustandsabschätzung zu erhalten, ist eine Optimierung der Messkonfiguration erforderlich. Eine Möglichkeit der Optimierung liefern gezielte Beobachtungen von sensitiven Systemzuständen. In der numerischen Wettervorhersage ist die Singulärwertanalyse hinsichtlich Anfangswerten eine neu eingeführte Methode zur Bestimmung sensitiver Systemzustände. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Technik von meteorologischen auf atmosphärenchemische Simulationen übertragen. Neben Anfangswerten wurden Emissionen als Zielvariablen eingeführt. Da die zeitlich variierenden Emissionen kontinuierlich auf die chemische Entwicklung einwirken, sind gezielte Beobachtungen von Emissionen eine anspruchsvolle Aufgabe. Alternativ werden Unsicherheiten in der Amplitude des Emissionsratentagesganges analysiert, die neuen Optimierungsvariablen sind folglich Emissionsfaktoren. Um spezifische Fragestellungen der Atmosphärenchemie bearbeiten zu können, wurden neue Operatoren entwickelt. Das Singulärwertanalyseverfahren wurde in ein chemisches Boxmodell implementiert, welches ausschließlich die chemische Reaktionskinetik betrachtet. Aufgrund der fehlenden räumlichen Dimension liefert dieses Modell eine Rangfolge der Messwichtigkeit verschiedener chemischer Komponenten. Zur zusätzlichen Identifizierung optimaler Messgebiete wurde die Singulärwertanalyse in ein chemisches Transportmodell eingebaut. Die beiden entwickelten Modelle wurden mit Hilfe umfangreicher Fallstudien getested und evaluiert. Zur Lösung atmosphärenchemischer Fragestellungen wurden die neu entwickelten Operatoren eingesetzt. Bezüglich der gewählten Zielvorgabe wiesen die chemischen Komponenten erhebliche Sensitivitätsunterschiede auf. Adaptive Messungen von chemischen Verbindungen mit geringer Sensitivität liefern deshalb wenig Informationsgehalt. Eine optimierte Messkonfiguration kann durch Einsparung dieser Messungen bedeutende Ressourcengewinne erzielen. Es wurde gezeigt, dass optimale Messungen für chemische Verbindungen durch das betrachtete Simulationsintervall, meteorologische Bedingungen und das zugrunde liegende chemische Szenario bestimmt sind. Die durchgeführten Studien zeigen, dass sich die optimalen Messgebiete für chemische Verbindungen deutlich von den optimalen transportbestimmten Messgebieten unterscheiden. Diese Unterschiede offenbaren die Wichtigkeit der chemischen Zusammensetzung und somit die Signifikanz von chemischen Singulärvektoren für eine effektive Kampagnenplanung.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Goris, Nadinenadine.goris@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-33383
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Chemie-Transport-Modell , Singulärwertzerlegung , gezielte BeobachtungenGerman
    Chemistry Transport Model , Singular Vector Analysis , Targeted ObservationsEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 2010
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 02 February 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 28 Mar 2011 11:41:30
    Referee
    NameAcademic Title
    Elbern, HendrikPriv.-Doz. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3338

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