Universität zu Köln

Paschalidi, Zoi (2015). Inverse modelling for the tropospheric chemical state estimation by 4-dimensional variational data assimilation from routinely and campaign platforms. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The use of models to analyse the complex atmospheric processes deals with a lot of uncertainties of key parameters, most prominently the emission rates along with the initial values. Especially for campaigns, the ability to analyse the processes is dependent on the most precise state of the variables needed for the parametrisation of the system, notably the emissions. Using its 4D-var and inverse modelling scheme, the chemistry transport model EURAD-IM is able to provide optimised initial state variables, highlighting the optimisation of the emission factors for the gas phase. In order to address how emission plumes can be identified, real case studies were applied with EURAD-IM to study the dispersion of the anthropogenic emissions over regional to urban surface within the planetary boundary layer. To achieve a high analysis skill, some features needed to be updated and also some new to be developed and added to the model setup. The online calculation of emissions in the CTM has been coupled to the joint optimisation of initial values and emission rates, providing detailed spatial and temporal emission distribution per source and per grid cell. Moreover, improvement of the background emission factor error covariances is achieved by including additional correlations between the emitted species and rectifying the standard deviations of the emission factors, optimising, thus, the precondition of the minimisation problem. In addition, assimilation of the comprehensive observational set of PEGASOS project during campaign in the polluted region of Po valley, performed to study the vertical structure of the atmosphere, analysing the mixing within the PBL and to validate the airborne data influence on the model performance. Quality control of the assimilation procedure, obtained by χ2-validation and comparison with independent observations, shows successful minimisation performance of the 4D-var algorithm. The case study analysis concluded to optimised emission factors, addressing also the lack of representativity of observations (such as NO2) by the high resolution of the nesting technique - up to 1 km. The more in depth assessment of the vertical mixing in the PBL, by the assimilation of the airborne campaign measurements, captures fairly clear the temporal variations of the emission patterns, the influence of the inverse temperature on the concentrations of pollutants and the layered structure of the PBL. In general, considerable improvement of the forecast quality of the model is achieved and the system's ability to provide improved chemical consistent simulation results throughout the PBL, mainly in urban polluted regions, is demonstrated. Besides, the assimilation of airborne measurements could be applied to shed light to the development of the PBL and the processes there in, information that is shown to miss when no campaign data are available.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Modelle zur Analyse komplexer atmosphärischer Prozesse beinhalten verschiedene Fehlerquellen, wie zum Beispiel Emissionsraten oder Anfangswerte. Insbesondere die modellgestützte Prozessanalyse bei Messkampagnen hängt von der bestmöglichen Abschätzung von Modellparametern ab, zu denen im Fall chemischer Transportmodelle die Emissionsraten zählen. Das EURAD-IM System bietet die Möglichkeit einer kombinierten Optimierung von Anfangswerten und Emissionsfaktoren gasförmiger Spurenstoffe mit Hilfe vierdimensionaler variationeller Datenassimilation. Der Fragestellung, inwiefern Emissionsfahnen identifiziert werden können, wird mit Hilfe des EURAD-IM Systems anhand von Fallbeispielen nachgegangen, indem die Ausbreitung von anthropogenen Emissionen über ländlichen und städtischen Gebieten innerhalb der planetaren Grenzschicht untersucht wird. Um die Modellanalyse zu verbessern, war es notwendig einige Modellteile zu aktualisieren, andere neu zu entwickeln und einzugliedern. Hier ist zum Beispiel die Kopplung der Berechnung räumlich und zeitlich hochaufgelöster Emissionsraten im CTM an die gemeinsame Optimierung von Anfangswerten und Emissionsfaktoren zu nennen. Des Weiteren wurde die Hintergrundfehlerkovarianzmatrix für Emissionen neu aufgestellt, indem Korrelationen zwischen emittierten Stoffen ergänzt, sowie Standardabweichungen der Emissionsfaktoren angepasst wurden. Die umfassenden Bobachtungsdaten der Zeppelin Messkampagne des PEGASOS Projekts in der Po-Ebene wurden genutzt, um die vertikale Struktur in der planetaren Grenzschicht zu analysieren. Eine Qualitätskontrolle des Datenassimilationsverfahrens wurde über einen χ2-Test und den Vergleich von Analysergebnissen mit unabhängigen Beobachtungen erfolgreich durchgeführt. Die Analyse der PEGASOS-Fallstudie mit hoher horizontaler Auflösung bis zu 1 km ergibt optimierte Emissionsfaktoren und erhöht deutlich die Representativität der Beobachtungsdaten (insbesondere für NO2). Die Assimilationsgestützte Untersuchung der vertikalen Mischung in der planetaren Grenzschicht durch die Assimilation von Zeppelinmessungen erfasst sehr exakt die zeitliche Emissionsstruktur, den Einfluss von Inversionen auf die Konzentration von Schadstoffen und die mehrschichtige Struktur der Grenzschicht. Durch den Einsatz der kombinierten Optimierung von Anfangswerten und Emissionsfaktoren wird eine beachtliche Verbesserung der Vorhersagequalität des Modells erreicht und die Fähigkeit des Systems zu chemisch konsistenten Simulationen über die gesamte vertikale Ausdehnung der planetaren Grenzschicht bewiesen. Weiterhin kann die Assimilation von luftchemischen Messdaten der PEGASOS Kampagne für ein besseres Verständnis der Entwicklung der planetaren Grenzschicht und der darin stattfindenden Prozesse genutzt werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Paschalidi, Zoi zoi.paschalidi@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-65883
Date:	31 August 2015
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 Data assimilation, 4D-var, inverse modelling, campaign data, emission factor optimisation, EURAD-IM English Datenassimilation, 4D-var, in­ver­se Mo­del­lie­rung, kam­pa­gnen Daten, Emissionsfaktor Optimierung, EURAD-IM German
Date of oral exam:	30 October 2015
Referee:	Name Academic Title Elbern, Hendrik P.D. Dr. Wahner, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6588