Universität zu Köln

Schwinger, Jörg (2006). Four-dimensional variational data assimilation for estimation of the atmospheric chemical state from the tropopause to the lower mesosphere. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

A four-dimensional variational data assimilation system for stratospheric trace gas observations has been developed and operated. The system offers the flexibility to make use of data from different instruments and it was designed (1) to enforce chemical consistency by constraining the analyses to a state of the art stratospheric model,(2) to provide realistic estimates of anisotropic and inhomogeneous background error covariances, and (3) to be sufficiently efficient for application in near real time. The assimilating model has been assembled from scratch to allow for a couple of novel features: The meteorological fields are computed online by the global forecast model GME of German Weather Service, leading to an improved numerical representation of wind fields compared to traditional offline chemistry-transport models, which use spatially and temporally interpolated meteorological analyses. A number of 155 photolysis, gas phase, and heterogeneous reaction of 41 stratospheric trace gases is considered by the chemistry module. Since spatial correlations between background errors evolve according to the atmospheric flow, a flow dependent formulation of the background error covariance matrix has been devised by means of a diffusion approach. It can be shown that this measure considerably improves the analysis quality particularly in regions where large gradients of potential vorticity prevail. The governing equations are discretised on an icosahedral grid, as this significantly reduces the computational cost. Therefore, it is possible to operate the model with a relatively fine spatial resolution without violating the near real time constraint. A comprehensive set of case studies has been conducted in order to test and evaluate the new system. Trace gas profiles derived from measurements of the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) have been assimilated. Comparison with independent (not assimilated) control data sets and statistical evaluation demonstrates an excellent performance of the new assimilation system.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Ein System zur Assimilation stratosphärischer Spurengasmessungen basierend auf der vierdimensionalen variationellen Methode wurde entwickelt und angewandt. Dieses neue System bietet die Möglichkeit, Messdaten verschiedenster Sensoren zu verwenden, und zeichnet sich durch (1)chemische Konsistenz der analysierten Felder im Sinne eines umfassenden stratosphärischen Modells sowie (2) realistische Modellierung von anisotropen und inhomogenen Hintergrundfehler-Kovarianzen aus und ermöglicht (3) aufgrund seiner hohen nummerische Effizienz einen operationellen Einsatz. Das für die Assimilation verwendete Modell wurde neu entwickelt und weist eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften auf. Die meteorologischen Felder werden mithilfe des globalen Wettervorhersagemodells GME des Deutschen Wetterdienstes direkt erzeugt. Dadurch wird, im Vergleich zu herkömmlichen Chemie-Transport-Modellen, die zeitlich und räumlich interpolierte meteorologische Analysen verwenden, die Darstellung der Windfelder im Modell entscheidend verbessert. Das Chemiemodul berücksichtigt 155 Photolyse-, Gasphasen-, und heterogene Reaktionen zwischen 41 stratosphärischen Spurengasen. Da die räumlichen Korrelationen von Hintergrundfehlern an die Dynamik der atmosphärischen Strömung gekoppelt sind, wurde eine strömungsabhängige Formulierung der Hintergrundfehler-Kovarianzmatrix mithilfe eines Diffusionsansatzes realisiert. Es lässt sich zeigen, dass dadurch die Qualität der Analysen deutlich verbessern werden kann, insbesondere in Gebieten, in denen die potentielle Vorticity starke Gradienten aufweist. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf einem Ikosaedergitter, durch dessen Verwendung der Rechenaufwand signifikant verringert wird. Aus diesem Grund ist es möglich, das Modell auch im operationellen Einsatz mit einer relativ hohen räumlichen Auflösung zu betreiben. Anhand von umfangreichen Fallstudien konnte das neue System getestet und evaluiert werden. Dazu wurden Spurengasprofile, abgeleitet aus Messungen des Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS), assimiliert. Vergleiche mit unabhängigen (nicht assimilierten) Beobachtungen und statistische Auswertungen zeigen, dass das neue Assimilationssystem hervorragend arbeitet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schwinger, Jörg js@eurad.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18966
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Datenassimilation , Hintergrundfehler-Kovarianzen , SACADA Chemie-Transport-Model , Stratosphärische Chemie , Ozon German data assimilation , background error covariances , SACADA chemistry transport model , stratospheric chemistry , ozone English
Date of oral exam:	29 October 2006
Referee:	Name Academic Title Ebel, Adolf Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1896