21
Assimila’on of MOPITT observa’ons using DART and CAMCHEM: Constraints on CO concentra’ons and emissions Benjamin Gaubert 1 Jérôme Barré 1 , Helen Worden 1 , Louisa Emmons 1 , Chris’ne Wiedinmyer 1 , Simone Tilmes 1 , Arthur Mizzi 1 , David Edwards 1 and Jeffrey Anderson 2 1 NCAR, Atmospheric Chemistry Division 2 NCAR, Ins’tute for Mathema’cs Applied for GeoSciences

Assimilaon*of*MOPITT*observaons*using*DART*and*CAMCHEM

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Assimila'on  of  MOPITT  observa'ons  using  DART  and  CAM-­‐CHEM:    Constraints  on  CO  concentra'ons  and  emissions  

Benjamin  Gaubert1    

Jérôme  Barré1,  Helen  Worden1,  Louisa  Emmons1,  Chris'ne  Wiedinmyer1,  Simone  Tilmes1,    Arthur  Mizzi1,  David  Edwards1  and  Jeffrey  Anderson2    

1NCAR,  Atmospheric  Chemistry  Division  2NCAR,  Ins'tute  for  Mathema'cs  Applied  for  Geo-­‐Sciences    

 q Global  CO  analysis  using  CAM-­‐CHEM  with  DART-­‐EAKF  

Ø To  produce  6-­‐hourly  analysis  (both  meteorology  and  CO)  

Ø CO  spaHo-­‐temporal  variability,  emissions  and  trends  analysis  

q   InvesHgate  the  state  augmentaHon  approach    Ø To  evaluate  interacHon  with  meteorology  (see  poster  of  J.  Barré)  Ø   To  esHmate  CO  emissions  Ø   Co-­‐emiPed  species,  i.e  VOCs  emissions,  BB  aerosols  

 

AssimilaHon  of  CO  profiles  in  CAM-­‐CHEM  

www.image.ucar.edu/DAReS/DART  

Anderson  et  al.  2009,  Raeder  et  al.  2012  Arellano  et  al.  2006,  2010,  Barré  et  al.  2014  in  prep  

MODEL  :  CESM  CAM-­‐CHEM  

q CESM1_1_1  /  CAM5  physics  q COMPSET  F2000_MOZMAM_CN  /  1.9*2.5⁰  q Emissions:  

ü Anthropogenic  :  MACCity  (Granier  et  al.  2011)  ü Biomass  Burning  /  Fire  emissions  :  Daily  fire  emissions  from  FINN  (Wiedinmyer  et  al.  2011)  

ü   Biogenic  :  offline  MEGAN  V2.1  (Guenther  et  al.  2012)  no  interannual  variability  

ü CCMI  NO2  and  BC  Aircrab  emissions  q CESM  Simula'on  starts  in  January  1998  §  Assimila'on  of  meteorological  observa'ons  only  

Ø start  January  1st  2006  from  CESM  

§  Assimila'on  of  meteorological  observa'ons  and  MOPITT  CO  Ø start  January  30th  2006  

ObservaHons  

MOPITT  CO    mulHspectral  retrievals  (TIR+NIR)  

 q MOPITT  V5J  (Worden  et  al.  2010,  Deeter  et  al.  2011,  2012,  2013)  

Ø Improve  sensi'vity  to  to  surface  /  LT  with  a  low  bias  

q Thinning  :  Ø DayHme  observaHon,  between  +/-­‐  65⁰,  dfs  >  0.5    Ø only  when  surface  level  exists,  i.e  there  is  10  levels  

q Super  observa'on  over  the  model  grid  cells  (1.9x2.5⁰)  Ø   Average,  ignore  observa'on  error  correla'on  Ø   Error  variance  is  reduce  according  to    

Ø To  account  for  representa'veness  error  CO  std  (coarse  model  grid  cells)  

σ obs =1M

1M

σ ii=1

M

222obsreprMOPITT σσσ +=

§  Ensemble  :  20  members  i.e  20  CESM  simula'ons  § Meteorological  data  

Ø  P,  T,  U,  V,  Q  :  allow  cross  correla'ons  §  Background  error  :    

Ø Space  and  'me  varying  mul'plica've  infla'on  Ø  Ini'al  T  perturba'on  (pert_sd=2)  then  T,  U,  V  (pert_sd=  0.2)  

§  LocalizaHon  :  Gaspari  and  Cohn  1999  localiza'on  func'on  (gaussian  shape)  Ø Horizontal  :  half-­‐width  of  0.2  rad    Ø Ver'cal  :  half-­‐width  of  600  hPa  

§  Emissions  perturbaHons:  (Evensen  et  al.  2003)    Ø  CO,  Length  scale  =  2000km,  sd=0.4  Ø   VOCs,  Length  scale  =  2000km,  sd=0.3  

DART-­‐EAKF  set-­‐up  :  Meteorological  analysis  Anderson  2001,  2003,  2007,  2009,  Raeder  et  al.  2012  

P   T   U   V   Q  

P  

T  

U  

V  

Q  

§  Same  setup  §  Assimilated  data  :  

Ø  P,  T,  U,  V,  Q  :  allow  cross  correla'ons  Ø  MOPITT  CO  observa'ons  affect  CO  state  and  total  CO  emission  fluxes  

(SFCO)  §  LocalizaHon  :  Gaspari  and  Cohn  localiza'on  func'on  (gaussian  shape)  

Ø Horizontal  :  half-­‐width  of  0.1  rad  Ø Ver'cal  :  half-­‐width  of  300  hPa  

DART-­‐EAKF  set-­‐up  :  Meteorological  and  MOPITT  analysis  Anderson  2001,  2003,  2007,  2009,  Raeder  et  al.  2012  

P   T   U   V   Q   CO   SFCO  

P  

T  

U  

V  

Q  

CO  

SFCO  

DART-­‐CAM  algorithm  

MOPITT  @  700hpa  2006-­‐03-­‐03  /  12  UTC  

 

1,  2,  Integra'on  from  the  previous  analysis  :  ensemble  forecast  3  :  Prior  state  in  model  space    

Ensemble  mean  @  700hpa  2006-­‐03-­‐03  /  12  UTC  

DART-CAM algorithm : Observation operator

For  each  model  state  :    Ø Interpola'on  to  the  MOPITT  loca'on  Ø Smoothed  by  the  MOPITT  AVK  &  apriori  

 

Innova'on  in  MOPITT  space  

DART-­‐CAM  algorithm  

         Ø Analysis  in  observa'ons  space,  observa'ons  increments  Shib  the  ensemble  distribu'on  according  to  respec've  errors  Ø Map  the  increments  according  to  ensemble  correla'ons  and  to  localiza'on  lengths  (centered  on  observa'on  loca'on)  

=>  horizontal  

 

CO  differen

ce  (p

pb)    

Analysis  minus  forecast  @700hPa  (ensemble  mean)  

MOPITT  CO  analysis    verHcal  localizaHon  :  weighted  mean  of  sensiHvity  

ObservaHon  locaHon  are  the  center  of  the  localizaHon  funcHon  

MOPITT  CO  analysis    verHcal  localizaHon  

Results  against  MOPITT  (diagnosHcs  in  observaHon  space)  Mean  of  RCRV  staHsHcs  =  bias  weighted  by  prescribed  errors  

Met  analysis   Met  &  MOPITT  prior    

Met  &  MOPITT  posterior  

 EvaluaHon  of  analyses  vs  MOPITT    March  2006,  @300hPa  

Ø  Huge  reduc'on  of  the  bias  on  average  Ø  Residual  bias  in  the  tropics  but  actually  come  from  MOPITT  (Deeter  et  al.  2012)  

 EvaluaHon  of  analyses  vs  MOPITT    March  2006,  @800hPa  

Ø  Bias  reduc'on  of  con'nental  ouqlow  Ø  Spurious  correla'ons  in  tropical  atlan'c  /  pacific  Ø  Residual  underes'ma'on  in  the  northern  

pacific,  equatorial  atlan'c  

Results  against  MOPITT  (diagnosHcs  in  observaHon  space)  SpaHal  correlaHons  

Comparison  with  NASA/Intex  B  DC8  flight  (March  2006)  

All  the  flights  are  considered  (average  in  in  50hPa  bin,  outside  Mexico  city)  

Average  CO   Bias  and  RMSE   Number  of  observa'ons  

CO  data  assimilaHon  MOPITT  VerHcal  localizaHon  example  

IniHal  locaHon  (weighted  mean)  (exp  1)  

New  locaHon  (exp  2)  (Height  of  the  max  AVK)  

Results  against  MOPITT  (diagnosHcs  in  observaHon  space)  Mean  of  RCRV  staHsHcs  =  bias  weighted  by  prescribed  errors  

IniHal  locaHon  (weighted  mean)  (exp  1)  

New  locaHon  (exp  2)  (Height  of  the  max  AVK)  

Emissions  correcHons  

IniHal  locaHon  (weighted  mean)  (exp  1)  

New  locaHon  (exp  2)  (Height  of  the  max  AVK)  

RelaHve  emissions  difference  (a  posteriori  –  a  priori)  /  March  2006  in  total  emissions  fluxes  

Comparison  with  NASA/Intex  B  DC8  flight  (March  2006)  

All  the  flights  are  considered  (average  in  in  50hPa  bin,  outside  Mexico  city)  

Average  CO   Bias  and  RMSE   Number  of  observa'ons  

Conclusions    Ø MOPITT  CO  state  is  correctly  assimilated  within  CAM-­‐CHEM  

Ø Es'ma'on  of  CO  emissions  fluxes  shows  reasonable  correla'on  and  spa'o-­‐temporal  paserns,  need  to  introduce  beser  temporal  correla'on  or  a  smoothers  

 Ø The  ensemble  spread  reflects  errors  from  meteorology  and  emissions,  then  

Ø Further  work  needs  to  be  done  from  VOCs  sources  of  CO,  both  from  their  concentra'ons  and  emissions  

Ø Check  changes  in  oxida've  capacity