Ozonsimulationen mit ICON für die Verbesserung von UV-Vorhersagen

<p class="Default">Ozon (O<sub>3</sub>) in der Stratosphäre absorbiert die biologisch schädliche ultraviolette Strahlung der Sonne (den größten Teil der UV-B-Strahlung) und verhindert, dass sie die Erdoberfläche erreicht. Die energiereiche UV-Strahlung kann das genetische Material in den Zellen von Pflanzen und Tieren, sowie von Menschen zerstören. Ohne die stratosphärische Ozonschicht wäre das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, nicht möglich.</p> <p class="Default">Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt UV-Indexkarten zur Verfügung, um die Bevölkerung bezgl. hoher UV-Belastungen zu informieren und zu warnen [1]. Dazu werden Daten aus dem golobalen Vorhersagemodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic model) [2], externe Ozondaten und ein eigenes UV-Modell verwendet, um eine Vorhersage des UV-Index zu erstellen, der z.B. auf der DWD-Webseite als Vorhersage visualisiert wird.</p> <p class="Default">In diesem Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem DWD ein selbstkonsistentes System entwickelt, um UV-Indexkarten vollständig mittels ICON zu generieren. Zu diesem Zweck wird ein linearisiertes Ozonschema (LINOZ) [3] für tägliche Ozonvorhersagen optimiert. Dies geschieht als Erweiterung der ICON-ART Struktur [4] [5] (ART: Aerosols and Reactive Trace gases). Für die Berechnung von UV-Strahlungsflüssen und -indizes wurde ein Strahlungstransportmodell für Sonnenstrahlung (Cloud-J) [6] implementiert und angepasst. Da das gesamte System als effiziente Lösung für UV-Indexvorhersagen dem DWD zur Verfügung gestellt werden soll, wird besonders Wert auf eine umfassende Funktionalität bei sehr geringem Rechenaufwand gelegt. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist daher auch die Validierung und Optimierung der Verfahren und Abläufe, um zuverlässige und qualitativ hochwertige Vorhersagen zu erstellen.</p> <p class="Default">Wir präsentieren erste Ergebnisse des von ICON-ART modellierten UV-Strahlungsflusses durch die Atmosphäre auf globaler Skala und über ausgewählten Gebieten, dessen tageszeitliche Variation, sowie den Einfluss von Wolken auf die UV-Intensität.</p> <p><strong>Anmerkung:</strong></p> <p>Dieses Projekt wird durch den Deutschen Wetterdienst im Rahmen der Extramuralen Forschung mit folgender Nummer gefördert: 4819EMF03.</p> <p><strong>Referenzen:</strong></p> <p>[1]  https://kunden.dwd.de/uvi/index.jsp</p> <p>[2]   Zängl, G., et al., The ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic) modelling framework of DWD MPI-M: Description of the non-hydrostatic dynamical core. Q.J.R. Meteorol. Soc., 141(687), 563-579 (2014)</p> <p>[3]   McLinden, C. A., et al., Stratospheric ozone in 3-D models: A simple chemistry and the cross-tropopause flux, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 105(D11), 14653-14665 (2000)</p> <p>[4]  Rieger, D., et al., ICON-ART - A new online-coupled model system from the global to regional scale, Geosci. Model Dev., 8(6), 1659-1676 (2015)</p> <p>[5]  Schröter, et al., ICON-ART 2.1: a flexible tracer framework and its application for composition studies in numerical weather forecasting and climate simulations. Geosci. Model Dev., 11(10), 4043-4068 (2018)</p> <p>[6]  Prather, M.J., Photolysis rates in correlated overlapping cloud fields: Cloud-J 7.3c. Geosci. Model Dev., 8(8), 2587-2595 (2015)</p>

Quantifying and modeling methane from the North Sea region with ICON-ART

<p>The release of greenhouse gases (GHG) like CH<sub>4</sub> into the atmosphere plays a key role in driving the climate change. With the optimization of atmospheric chemistry climate models, the accuracy in assessing future scenarios is improved, which is an important factor in our efforts to mitigate climate change.</p> <p>Within this work we introduce the WALLACE workflow, a method for the quantification and adjustment of wrong or missing emissions in well-established GHG-inventories, which are used as input data in atmospheric chemistry transport or climate models. The overall goal of WALLACE is to highlight emission hotspots and it therefore includes spatiotemporal proxy data and a selection algorithm. For the North Sea as a show case region we apply WALLACE to quantify methane emission fluxes of oil and gas platforms. The adjusted emissions are implemented as pointsources into our model and idealized simulations are performed to derive their impact on the spatial distribution of methane and its global and regional budget. Additionally, we take a look at the anti-correlation between methane and its main sink in the atmosphere, the hydroxyl radical (OH), which is implemented as a simple OH-chemistry mechanism into the model. This work makes a new and innovative contribution to achieve an accurate quantification of environmentally harmful gases – in particular CH<sub>4</sub> - that drive man-made climate change.</p> <p>In conjunction with WALLACE we use the global model ICON-ART (ICOsahedral Nonhydrostatic model - Aerosols and Reactive Trace gases). ART is an online-coupled model extension for ICON that includes chemical gases and aerosols. One aim of the model is the simulation of interactions between the trace substances and the state of the atmosphere by coupling the spatiotemporal evolution of tracers with atmospheric processes, thus testing the impact of WALLACE-adjusted emissions on the CH<sub>4</sub> distribution in the atmosphere.</p>

ICON-seamless: die Entwicklung eines neuen Erdsystemmodells basierend auf ICON für alle Zeitskalen, von Wettervorhersagen bis Klimaprognosen

<p>ICON-seamless entwickelt ein neues Erdsystemmodell, als Grundlage für Wettervorhersage, saisonale und dekadische Klimavorhersagen, bis hin zu Klimaprojektionen. Dabei nutzen wir die Expertise, die ICON-NWV als zuverlässiges Modell für numerische Wettervorhersage (NWV) betreibt und pflegt sowie die Erfahrungen mit der ersten ICON-Erdsystemversion basierend auf der Physik der MPI-Atmosphäre ECHAM. Das Ziel ist, gemeinsame Komponenten für alle meteorologischen Zeitskalen nutzen zu können. Der erste Schritt entwickelt ein Modell für saisonale und dekadische Zeitskalen.</p> <p>ICON-seamless baut auf der Kopplung der Komponenten ICON-NWV (Atmosphäre) und ICON-O (Ozean) auf. Mit Hilfe des speziell entwickelten Kopplungs-Tools YAC können beide Komponenten Variablen austauschen, die für die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean wichtig sind. Auch die Parametrisierung von Meereis stellt einen wichtigen Baustein dar. Zur Wiedergabe eines geschlossenen hydrologischen Kreislaufs und um den Kohlenstoffkreislauf sauber darzustellen, wird ferner ein geeignetes Bodenmodell, ICON-L, an die Atmosphärenphysik von ICON-NWV gekoppelt. Zudem werden transiente Aerosolfelder, Treibhausgase, und Strahlungsantriebe neu in ICON-NWV eingelesen, um historische Zeiträume nachzuvollziehen. Parallel hierzu werden die ART Module (Aerosol and Reactive Trace gases), die eine dynamische Behandlung von Gasen und Aerosolen gestatten, an die modifizierte Modellphysik angepasst. Eine intensive Modelldiagnostik unterstützt das Tuning. Für die zukünftige Verwendung im Bereich der (Wetter- und) Klimavorhersagen wird parallel die gekoppelte Datenassimilation entwickelt.</p> <p>Wir geben einen Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung, der Experimente und potentieller Anwendungsbereiche.</p>

Das ACTRIS-Kalibrierzentrum für Stickoxid-Messungen am Forschungszentrum Jülich

<p>Langzeitmessungen der atmosphärischen Zusammensetzung sind von zentraler Bedeutung, um die Atmosphärenchemie und den Klimawandel zu verstehen. ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gases Research Infrastructure) hat sich zum Ziel gesetzt, ein europaweites Netzwerk von Beobachtungsstationen aufzubauen, die qualitativ hochwertige Daten und Informationen zu kurzlebigen atmosphärischen Bestandteilen liefern und für Nutzer auf der ganzen Welt offen zugänglich machen. Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO<sub>2</sub>), die sogenannten Stickoxide (NO<sub>x</sub>), spielen eine Schlüsselrolle in der Atmosphärenchemie, da sie zur Bildung von troposphärischem Ozon, Smog und saurem Regen beitragen. Darüber hinaus ist die kurz- und langfristige Exposition mit NO<sub>2</sub> mit negativen Auswirkungen auf das menschliche Atmungssystem in Verbindung gebracht worden. Die Hauptquellen von NO<sub>x</sub> in bewohnten Gebieten sind Verbrennungsprozesse, z.B. von Fahrzeugen und bei industriellen Aktivitäten. NO<sub>x</sub>-Messungen werden derzeit meist indirekt über Chemilumineszenz-Instrumente durchgeführt, die Korrekturen für Feuchte und Ozon erfordern. Jüngste technologische Fortschritte (z. B. Cavity Attenuated Phase Shift, CAPS, oder Tunable Diode Laser Systeme) erlauben die direkte Detektion von NO<sub>x</sub>-Komponenten, was Interferenzen vermeidet, die durch die Umwandlung von NO<sub>2</sub> in NO hervorgerufen werden. Messvergleiche zeigen aber, dass auch hier neben bekannten Problemen wie Reaktionen in den Einlassleitungen auch unerwartete Artefakte beobachtet werden können. Messvergleiche aber zeigen auch hier, dass neben bekannten Problemen wie Reaktionen in den Einlassleitungen auch unerwartete auftreten können. Um genaue und präzise NO<sub>x</sub> Messungen mit einer Vielzahl von NO<sub>x</sub>-Messsystemen in verschiedenen Stationen sicherzustellen, müssen neben der Standardisierung von Messprotokollen und Kalibrierungsverfahren auch an zentraler Stelle durch Messvergleiche und Auditierungen Unterschiede der verschiedenen Messverfahren dokumentiert werden.</p> <p>ACTRIS setzt sich aus central facilities (CFs) und national facilities (NFs) zusammen. Die NFs bilden den explorativen und beobachtenden Teil der Forschungsinfrastruktur. Die CFs sind von grundlegender Bedeutung für die Bereitstellung von harmonisierten und hochpräzisen Daten und stellen eine Vielzahl von Dienstleistungen zur Verfügung. Eines der CFs ist das Reactive Trace Gases In Situ Measurements (CiGas), das für die Überwachung der Datenqualität reaktiver Spurengase verantwortlich ist. Für die Qualitätssicherung (QA) und Qualitätskontrolle (QC) der Stickoxidmessungen an den NFs innerhalb von CiGas ist das Forschungszentrum Jülich (FZJ) zuständig, das auch das World Calibration Center (WCC) für Stickoxide im Global Atmosphere Watch (GAW) Netzwerk beheimatet. Seine Aufgaben umfassen i) die Verbindung von Spurengasmessungen von ACTRIS mit denen anderer Netzwerke, ii) die Beratung und Organisation von Schulungen, iii) die Bereitstellung von Mess- und Auswerteverfahren, iv) das Labelling und die Auditierung von NFs, v) die Implementierung neuer wissenschaftlicher und technologischer Entwicklungen.</p> <p>Es ist vorgesehen, bis 2025 ein zertifiziertes und funktionsfähiges Netzwerk von ACTRIS-Stationen aufzubauen. Es soll der wissenschaftlichen Gemeinschaft qualitativ hochwertige Daten liefern, die die Grundlage für fundierte Entscheidungen der politischen Entscheidungsträger bilden können.</p>

Measurements and Modeling of Optical-Equivalent Snow Grain Sizes under Arctic Low-Sun Conditions

The size and shape of snow grains directly impacts the reflection by a snowpack. In this article, different approaches to retrieve the optical-equivalent snow grain size (ropt) or, alternatively, the specific surface area (SSA) using satellite, airborne, and ground-based observations are compared and used to evaluate ICON-ART (ICOsahedral Nonhydrostatic—Aerosols and Reactive Trace gases) simulations. The retrieval methods are based on optical measurements and rely on the ropt-dependent absorption of solar radiation in snow. The measurement data were taken during a three-week campaign that was conducted in the North of Greenland in March/April 2018, such that the retrieval methods and radiation measurements are affected by enhanced uncertainties under these low-Sun conditions. An adjusted airborne retrieval method is applied which uses the albedo at 1700 nm wavelength and combines an atmospheric and snow radiative transfer model to account for the direct-to-global fraction of the solar radiation incident on the snow. From this approach, we achieved a significantly improved uncertainty (<25%) and a reduced effect of atmospheric masking compared to the previous method. Ground-based in situ measurements indicated an increase of ropt of 15 µm within a five-day period after a snowfall event which is small compared to previous observations under similar temperature regimes. ICON-ART captured the observed change of ropt during snowfall events, but systematically overestimated the subsequent snow grain growth by about 100%. Adjusting the growth rate factor to 0.012 µm2 s−1 minimized the difference between model and observations. Satellite-based and airborne retrieval methods showed higher ropt over sea ice (<300 µm) than over land surfaces (<100 µm) which was reduced by data filtering of surface roughness features. Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) retrievals revealed a large spread within a series of subsequent individual overpasses, indicating their limitations in observing the snow grain size evolution in early spring conditions with low Sun.

Understanding the influence of combustion on atmospheric CO₂ over Europe by using satellite observations of CO₂ and reactive trace gases

We assess how nitrogen oxides (NOx = NO + NO2), carbon monoxide (CO) and formaldehyde (HCHO) can be used as proxies to determine the combustion contribution to atmospheric carbon dioxide (CO2) using satellite observations. We focus our analysis on 2018 when there is a full complement of column data from the TROPOspheric Monitoring Instrument (NO2, CO, and HCHO) and the Orbiting Carbon Observatory-2 (CO2). We use the nested GEOS-Chem atmospheric chemistry model to relate high-resolution emission inventories over Europe to these atmospheric data, taking into account scene-dependent averaging kernels. We find that that NO2 and CO are the better candidates to identify incomplete combustion and fingerprints of different combustion sectors, but both have their own challenges associated with properly describing their atmospheric chemistry. The secondary source of HCHO from oxidation of biogenic volatile organic compounds, particularly over southern European countries, compromises its use as a proxy for combustion emissions. We find a weak positive correlation between the CO : CO2 inventory ratio and observed column enhancements of ΔCO : ΔCO2 (R < 0.2), suggesting some consistency and linearity in CO chemistry and transport. However, we find a stronger negative correlation between the NOx : CO2 inventory ratio and observed column enhancements of ΔNO2 :ΔCO2 (R < 0.50), driven by non-linear photochemistry. Both of these observed ratios are described well by the GEOS-Chem atmospheric chemistry transport model, providing confidence of the quality of the emission inventory and that the model is a useful tool for interpreting these tracer-tracer ratios. Our results also provide some confidence in our ability to develop a robust method to infer combustion CO2 emission estimates using satellite observations of reactive trace gases that have up until now mostly been used to study surface air quality.

Near real-time air quality forecasts using the NASA GEOS model

&lt;p&gt;NASA's Global Modeling and Assimilation Office (GMAO) produces high-resolution global forecasts for weather, aerosols, and air quality. The NASA Global Earth Observing System (GEOS) model has been expanded to provide global near-real-time 5-day forecasts of atmospheric composition at unprecedented horizontal resolution of 0.25 degrees (~25 km). This composition forecast system (GEOS-CF) combines the operational GEOS weather forecasting model with the state-of-the-science GEOS-Chem chemistry module (version 12) to provide detailed analysis of a wide range of air pollutants such as ozone, carbon monoxide, nitrogen oxides, and fine particulate matter (PM2.5). Satellite observations are assimilated into the system for improved representation of weather and smoke. The assimilation system is being expanded to include chemically reactive trace gases. We discuss current capabilities of the GEOS Constituent Data Assimilation System (CoDAS) to improve atmospheric composition modeling and possible future directions, notably incorporating new observations (TROPOMI, geostationary satellites) and machine learning techniques. We show how machine learning techniques can be used to correct for sub-grid-scale variability, which further improves model estimates at a given observation site.&lt;/p&gt;

Modelling the Covid-19 impact on CO2 concentrations in Germany

&lt;p&gt;The sharp decrease in emissions caused by the Corona crisis entails the question: where, when, and how strong impacts on observations can be expected? The &lt;em&gt;Icosahedral Nonhydrostatic &lt;/em&gt;(ICON) model is online-coupled to the modules for &lt;em&gt;Aerosols and Reactive Trace gases &lt;/em&gt;(ART). With the model system ICON-ART run at roughly 13km resolution we determine how CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; emission reductions in Germany relate to a reduction in CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; concentrations. This varies over several orders of magnitude, depending on the weather related atmospheric transport. We compare this with the emission reduction effect originating from outside Germany. In a case study, we identify locations and times, where either effect reaches a magnitude to be observable at the &lt;em&gt;Integrated Carbon Observation System (ICOS)&lt;/em&gt; towers in Germany. In contrast, there are also weather situations, where both contributions (from inside/outside Germany) are negligible with respect to the background variability. Reducing background uncertainty, as foreseen in the CoCO2 project, will allow better disentangling of the national contribution in future. Here we focus on the height dependency of the modelled concentration change with respect to recent anthropogenic emissions. We draw conclusions on measurement and modelling capabilities essential for an integrated greenhouse gas monitoring system for Germany to detect anthropogenic emission reductions.&lt;/p&gt;

Characterization of a mobile atmospheric simulation chamber for laboratory and field studies: DouAir

&lt;p&gt;Atmospheric transformation processes have been extensively studied in the laboratory using simulation chambers with various designs and materials. These tools allow &amp;#160;kinetic experiments to be performed under well-controlled conditions whereby a selected volatile organic compound (VOC) is usually oxidized in synthetic air. While atmospheric chambers are invaluable to provide kinetic parameters that are needed in atmospheric chemical mechanisms, their limitation is that they do not test these chemical mechanisms under conditions that are representative of the complex atmosphere, i.e. containing multiple VOCs and inorganic species.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;In the present work, a mobile rectangular atmospheric simulation chamber of ~ 9 m&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt;, made of Teflon FEP foils, was built at IMT Lille Douai for laboratory and field studies. The whole setup &amp;#8211; called DouAir &amp;#8211; can be easily disassembled, transported and deployed in the field. This new tool allows trapping of real air masses on-site, providing observations on the fate of reactive trace gases, which when compared to box model simulations can provide a critical test of our understanding of atmospheric chemistry. The chamber allows both solar and artificial irradiation, the irradiance being monitored by spectroradiometry. The chamber is equipped with a large array of analytical instruments, including PTR-ToFMS and GC-MS for VOC measurements, CRM for total OH reactivity, PERCA for peroxy radicals, O&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; and NO&lt;sub&gt;x&lt;/sub&gt; analyzers, and SMPS for aerosols. Here we describe the DouAir setup and will discuss characterization experiments carried out to validate the chamber. DouAir was tested for the first time during an intensive field campaign in the Landes forest (France) during summer 2018: CERVOLAND (Characterization of Emissions and Reactivity of Volatile Organic Compounds in the Landes Forest). Examples of experiments performed during CERVOLAND will be presented.&lt;/p&gt;