Attività di Ricerca e Validazione CETEMPS

per QUITSAT

Gabriele CurciPaolo Stocchi

Gianluca Redaelli

Meeting QUITSAT QRv1, CGS Milano, 18 marzo 2008

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QUITSAT @ CETEMPS (v1)

Mod1_CO&COV: CO MOPITT ricerca & validazione (QM4)

Mod3_CF: Forecast Gas ricerca & validazione (QF(b)) Mod4_MetM: campi meteo per monitoraggio & forecast

ricerca (INEO-METEO) Mod6_TT&AssimProc: Monitoraggio Gas e Trasporto

Trasfrontaliero ricerca & validazione (QM5) Dati input:

DEO-MOPITT2 (MOPITT L2) DNEO-METEO (NCEP/ECMWF)

Dati intermedi: INEO-METEO (Meteo per monitoraggio & forecast)

Prodotti: QM4 (Colonna CO MOPITT) QM5 (Monitoraggio Gas 50x50 km2) QF(b) (Forecast Gas 50x50 km2 e 10x10 km2)

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Mod1_CO&COV

Nella versione 1 del sistema elabora mappe mensili di colonna di monossido di carbonio (CO) su un grigliato europeo 1°x1° a partire da dati satellitari di livello 2 da MOPITT/Terra (NASA)

per l’anno 2004 (QM4v1)

Il modulo è offline (S/S monitoraggio)

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Mod1_CO&COV: Ricerca

MOPITT (Measurement Of Pollution In The Troposphere) è un radiometro

nell’infrarosso (4.7-2.3 µm)

Dati di Livello 2 (formato HDF-EOS): rapporto di mescolamento di CO su 7 livelli (superficie, 850, 700, 500,

350, 250 e 150 hPa)

Retrieval profilo CO (X):

X = A·Xtrue + (I-A)·Xa-priori

dove A=averaging kernel (f. peso)

Calcolo colonna:

C = tT·X

dove t=operatore colonna (spessore livelli)

Funzioni peso su Parigi

Inverno (24/01/04)

Estate (22/07/04)

Le funzioni peso indicano la sensibilità verticale dello

strumento e da dove proviene l’informazione

Routine di calcolo scritte ex-novo per QUITSAT solo con software libero (Linux shell,

Fortran90, HDF, LAPACK, GrADS)

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Mod1_CO&COV: Ricerca

Gennaio 2004 Luglio 2004

QU

ITS

AT

NA

SA

QM

4v1

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Mod1_CO&COV: Validazione QM4v1

I dati di livello 2 MOPITT sono distribuiti già validati dalla NASA (Emmons et al., 2004, 2007)

In questa attività ci si propone di estendere la validazione all’Europa e dimostrare la capacità di saper processare

correttamente i dati

I dati utilizzati per il confronto con MOPITT sono misure aeree di CO dal programma MOZAIC F

ran

cofo

rte, 2

2/0

7/2

00

4 (D

iscesa, 7

2

pro

fs)

Preparazione dati MOZAIC per confronto con dati MOPITT

1. Ricampionamento sui 7 livelli verticali di MOPITT (Xmoz)

2. Calcolo matrice funzioni peso A = I - CX·Ca-1

3. Trasformazione X’moz = A·Xmoz + (I-A)·Xa-priori

4. Calcolo colonna C’moz = tT·[Xa-priori + A·(X’moz-Xa-priori)]

Questa procedura è simile per qualsiasi tipo di dato si voglia confrontare con MOPITT (es. output CTM)

I dati vengono trasformati così come sarebbero “visti” da MOPITT

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Mod1_CO&COV: Validazione QM4v1

Risultati validazione:

• Conferma precedente osservazione (Emmons et al.) del bias <+10% di MOPITT vs MOZAIC

• Il software sviluppato permette di processare correttamente sia i dati MOPITT che i dati da confrontare

• Risultati preliminari indicano che anche il modello CTM globale GEOS-Chem ha un bias <10% rispetto a MOPITT e MOZAIC (v. Figura)MONITORAGGIO

TRASPORTO TRASFRONTALIERO

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Mod4_MetM

Nella versione 1 del sistema elabora i campi 3D meteo orari per l’anno 2004 (INEO-METEO)

Il modulo è online (S/S monitoraggio e S/S previsione)

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Mod4_MetM (et al.): Domini di simulazione

Meteo MM5

Run EUROPEO 36x36 km2

Run QUITSAT 12x12 km2

Chimere CTM

Run EUROPEO 50x50 km2

Run QUITSAT 10x10 km2

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Mod4_MetM: Ricerca

Confronto con dati da centraline meteo forniti dall’ARPA Emilia-Romagna (database DEXTER)

VELOCITA’ VENTO A 10 m

• Simulazione MM5 Luglio 2005

• Bias medio compreso tra -1 e +1 m/s

VELOCITA’ VENTO

Bias

Media oraria su tutte le stazioni

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Mod4_MetM: Ricerca

Confronto con dati da centraline meteo forniti dall’ARPA Emilia-Romagna (database DEXTER)

TEMPERATURA AL SUOLO

• Simulazione MM5 Luglio 2005

• Bias medio compreso tra -1 e -5 °C

TEMPERATURA

Bias

Media oraria su tutte le stazioni

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Mod4_MetM: Ricerca

Test di sensibilità parametrizzazioni:

• STDR: configurazione standard

• Microfisica Reisner 2

• Schema cumuli Grell

• PBL MRF

• Radiazione RRTM

• Modello suolo Noah

• CCM: come STDR ma

• Radiazione CCM2

• BLTYP: come STDR ma

• PBL Gayno-Seaman

STDR miglior compromesso

TEMPERATURA

VELOCITA’ VENTO

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Mod6_TT&AssimProc

Nella versione 1 del sistema elabora i campi 3D gas orari per l’anno 2004 in configurazione monitoraggio (QM5v1)

Il modulo è offline (S/S monitoraggio)

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Mod6_TT&AssimProc: Ricerca

NORTH

EASTWEST

SOUTH

TOPDominio del modello regionale (Chimere)

LongitudeLa

titud

e

Alti

tude

Le condizioni al contorno (BC)

sono implementate

come concentrazioni

imposte ai bordi laterali e

superiore del dominio

Le concentrazioni BC sono

trasportate all’interno del

dominio dai venti

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Mod6_TT&AssimProc: Ricerca

Ozone BCfor July

In Chimere le BC standard sono medie mensili da run climatologici di modelli globali

• LMDz-INCA per i gas• GOCART per gli aerosol

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Mod6_TT&AssimProc: Ricerca

GEOS-Chemglobal CTM ts_YYYYMMDD.bpchts_YYYYMMDD.bpchts_YYYYMMDD.bpchts_YYYYMMDD.bpch

src/prep/preptop_geoschem

src/prep/preplat_geoschem

TOP_CONCS.nc LAT_CONCS.nc

Chimere coreV200709CLE

GEN

D FILES

Existing CODE

New CODE

HourlyGEOS-Chem timeseries

gas & aerosol(binary format)

Chimerepre-processing

HourlyChimere BC

(netCDF)

If .not. conse-cutive

run

inicoarse.nc

Implementazione BC Orarie GEOS-Chem in Chimere

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Mod6_TT&AssimProc: Ricerca

Ozone BCfor July

BC Orarie da GEOS-Chem

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Mod6_TT&AssimProc: Ricerca

Quale impatto possiamo aspettarci dalle BC sulle simulazioni di Chimere?

Test:

CTRL = run di riferimento

NOBC = run senza BC

Risultato per Ozono:

• L’influenza delle BC si espande dai bordi al centro del dominio in circa 10 giorni

• Le BC contribuiscono a un fondo di circa 50-60 ppbv

• L’importanza delle BC varia a seconda dell’attività fotochimica locale

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Mod6_TT&AssimProc: Validazione Ozono (QM5v1)

Confronto con stazioni AirBase (Com. EU) di

BACKGROUND

Media di Ozono: sovrastima 2-10 ug/m3

Massimo di Ozono: sottostima 10-18 ug/m3

Rural

Urban

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Mod6_TT&AssimProc: Validazione NO2

(QM5v1)

Confronto con stazioni AirBase (Com. EU) di

BACKGROUND

Media di NO2: sottostima 10-20 ug/m3

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Mod3_CF

Nella versione 1 del sistema elabora i campi 3D gas orari per l’anno 2004 in configurazione forecast (QF(b)v1)

Il modulo è offline (S/S previsione)

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Mod3_CF: Ricerca

Test di sensibilità sulla parametrizzazione dell’altezza del

PBL

Simulazione estate 2004

Altezza PBL (h) determina diffusione turbolenta:

K(z) ≈ z·(1-z/h)

STD = altezza PBL da output MM5

CHE = altezza PBL ricalcolata secondo Cheinet [2002, PhD Thesis]

STD

CHE

75

90

110

125

75

90

110

125

Sim. RMS Bias Corr.

STD 35.4 9.7 0.77

CHE 43.6 15.9 0.66

Confronto con AirBase O3 obs.

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Mod3_CF: Validazione Ozono (QF(b)v1)

Confronto con stazioni AirBase

(Com. EU) di BACKGROUND

RURAL

su dominio QUITSAT

Ozono massimo

EUR ~ -31 ug/m3

QUI ~ -10 ug/m3

Da EUR a QUITSAT:

• Migliorano bias, RMS e correlazione

Da D+0 a D+2:

• Migliora bias

• RMS ~ invariato

• Peggiora correlazione

Run EUROPEO (50 km)

Run QUITSAT (10 km)

ug/m3 D+0 D+1 D+2 D+0 D+1 D+2

Obs.123.4

92.0 92.3 92.7 112.0 113.3 114.4

Bias -31.4 -31.0 -30.7 -11.4 -10.1 -9.0

RMS 42.9 42.6 42.5 31.4 31.3 31.6

Corr 0.33 0.32 0.30 0.53 0.51 0.49

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Mod3_CF: Validazione NO2 (QF(b)v1)

Confronto con stazioni AirBase

(Com. EU) di BACKGROUND

RURAL

su dominio QUITSAT

(D+0)

NO2 medio

EUR ~ -24 ug/m3

QUI ~ -15 ug/m3

Da EUR a QUITSAT:

• Migliorano molto bias, RMS e correlazione

ug/m3 EUR QUI

Obs.25.8

1.9 10.3

Bias -23.9 -15.6

RMS 38.9 27.4

Corr 0.33 0.53