Universität zu Köln

Four-Dimensional Variational Assimilation of Aerosol Data from In-situ and Remote Sensing Platforms

Nieradzik, Lars Peter (2011) Four-Dimensional Variational Assimilation of Aerosol Data from In-situ and Remote Sensing Platforms. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die Assimilation von Aerosoldaten war bisher im Wesentlichen auf die Verwendung von Messungen der Gesamtmassenkonzentrationen von Partikeln bis zu einer bestimmten Größe und Messungen von optischer Tiefe beschränkt. Das Chemie-Transport-Modell EURAD-IM des Rheinischen Instituts für Umweltforschung (RIU) enhält ein hochentwickeltes vierdimensionales variationales (4D-var) Assimilationssystem für Gasphasenspezies, das nun um eine teilweise adjungierte Version des Aerosol-modells MADE erweitert wurde, um speziesaufgelöste Aerosolmessungen assimilieren zu können. Vorbereitend wurde bereits der äusserst rechenzeitaufwendige Mechanismus zur Lösung der Chemie der sekundären anorganischen Aerosole innerhalb des MADE mithilfe eines I/O-mapping-Verfahrens ersetzt. Der resultierende Algorithmus wurde nun adjungiert und die Funktionalität des adjungierten Aerosoltransportes sichergestellt. Desweiteren wurden verschiedene Beobachtungsoperatoren entwickelt und gleichzeitig adjungiert. Dazu gehören Integrationsroutinen für Massenkonzentrationen und Anzahldichten. Im Rahmen des AERO-SAM Projektes wurde ein Strahlungstransportmodell, Teil eines Satelliten-Retrieval-Systems, in das Modell eingebaut. Die Besonderheit liegt darin, dass das Modell speziesaufgelöste aerosoloptische Tiefen liefert. Das so konstruierte Aerosolassimilationssystem ist auf zwei Episoden angewandt worden. Als erstes auf den Sommer 2003, als ein langanhaltendes Hochdruckgebiet über Europa lag. Diese Wetterlage begünstigte Waldbrände und brachte stark erhöhte Feinstaubbelastung mit sich. In diesem Zeitraum wurde das neue Assimilationssystem getestet und der Nutzen der Assimilation von PM10 insbesondere von speziesaufgelösten Satellitendaten untersucht. Außerdem wurde die ZEPTER-2 Messkampagne aus dem Herbst 2008 ausgewählt. Ein zur Messplatform umgebauter Zeppelin, der mit einem CPC (Condensation Particle Counter) ausgestattet war, hat räumlich und zeitlich hochaufgelöste Partikelanzahldichten gemessen. In dieser Episode wurde der Fokus auf die Assimilation der Anzahldichten sowie der Leistung des Systems auf Modellgittern mit hoher Auflösung gerichtet. In beiden Fällen wurde Anfangswertoptimierung durchgeführt und das System selbst, sowie das Vermögen, die Vorhersage von Aerosolen zu verbessern, untersucht. Es hat sich herausgstellt, dass sich durch Assimilation von Aerosolen eine deutliche Verbesserung der Vorhersage insgesamt erzielen lässt, während durch die Assimilation speziesaufgelöster Retrievals zusätzlich die Zusammensetzung der Aerosole angepasst werden kann.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Aerosol data assimilation is mainly restricted to he ingestion of particulate matter measurements up to 10 micrometer particle size or aerosol optical depths. The chemistry transport model EURAD-IM of the Rhenish Institute of Environmental Research (RIU) containing a sophisticated 4D-var assimilation scheme for gas-phase constituents has been expanded by a partial adjoint of the aerosol module MADE to enable the assimilation of species resolved aerosols data in space and time. To set the stage for four dimensional aerosol data assimilation, the I/O-mapping technique HDMR (High Dimensional Model Representation) had been applied to replace the computationally demanding chemistry mechanism for secondary inorganic aerosols within MADE. An adjoint of the HDMR was constructed and the inverse transport was ensured to allow the optimisation of aerosol initial values. Furthermore, several observation operators and their respective adjoints were built to make the processing of various types of measurements feasible. This set of operators includes integrators for in-situ measured PMx as well as particle number densities. Within the scope of the AERO-SAM project a radiative transfer model, part of a satellite retrieval system SYNAER, was implemented. Its prominent feature is to provide type resolved aerosol optical thicknesses. With construction and implementation of the adjoint radiative transfer model, EURAD-IM is able to assimilate species resolved aerosol information. The newly formed aerosol assimilation scheme has been applied to two dedicated episodes. First, July of 2003 was selected when an enduring high pressure area lasted over Europe. The very dry period allowed excessive aerosol concentrations in the troposphere. This particular timeframe was taken to evaluate the functionality of the aerosol assimilation system and to validate the benefit of assimilating PM10 and especially species resolved satellite retrievals. Further, the airborne measurement campaign ZEPTER-2 in autumn 2008 was chosen. A Zeppelin equipped with a condensation particle counter (CPC) delivered particle number densities with high spatial and temporal resolution. Here, the focus was set on the validation of the assimilation system of particle number densities and its performance on high resolved grids. In both cases initial value optimisation has been conducted and performance of the assimilation system and its impact on the forecast have been investigated. The studies demonstrate a considerable improvement of the forecast quality regardless of grid resolution. Moreover, making use of aerosol type resolved retrievals and particle number densities adds valuable information on the aerosol properties to the model.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Nieradzik, Lars Peterlpnieradzik@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-44336
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    4d-var; data assimilation; aerosol; AOD; SYNAER; AOT; particle number densityEnglish
    4d-var; datenassimilation; aerosole; AOD; SYNAER; AOT; Partikel AnzahldichteGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 22 August 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 18 October 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 28 Dec 2011 14:48:15
    Referee
    NameAcademic Title
    Ebel, AdolfProf. Dr. Dr. h.c.
    Wahner, AndreasProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4433

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