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Von der Messung zum Produkt: Bes3mmung von Quellen und Senken mi9els Inverser Modellierung

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Academic year: 2022

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Von der Messung zum Produkt:

Bes3mmung von Quellen und Senken mi9els Inverser Modellierung

Christoph Gerbig, Panagiotis Kountouris, Christian Rödenbeck (MPI-BGC, Jena),

Thomas Koch (DWD), Ute Karstens (ICOS-CP, Lund)

11. Klimatagung, DWD, Offenbach, 5. Okt. 2017

(2)

WRF-GHG: mesoscale simula3ons of CO 2

WRF-GHG simula3on Aug. 2006, 70 m level VPRM

Biosphere model

using satellite imagery + solar radia3on

Anthropogenic emissions

Lateral boundary

condi3ons from global model

•  CO

2

highly variable in atmospheric boundary layer

•  Anthropogenic and biospheric signatures hard to separate

(3)

CarboScope regional inversion system

anthropogenic emissions

regional atmospheric transport

•  STILT (Stochas3c Time Inverted Lagrangian Transport)

•  Stochas3c turbulence

•  Driven by meWields from ECMWF or WRF

•  “Footprints”: sensi3vity of

observa3ons to upstream fluxes

(4)

CarboScope regional inversion system

prior biosph. fluxes + error cov.

regional atmospheric transport

•  STILT (Stochas3c Time Inverted Lagrangian Transport)

•  Stochas3c turbulence

•  Driven by meWields from ECMWF or WRF

•  “Footprints”: sensi3vity of

observa3ons to upstream fluxes

•  VPRM (Vegeta3on Photosynthesis and Respira3on Model)

•  MODIS reflectances (EVI + LSWI)

•  Driven by T2m and radia3on from ECMWF or WRF

•  Parameter op3miza3on using Ecosystem flux measurements

(5)

CarboScope regional inversion system

prior biosph. fluxes + error cov.

lateral boundary condi3on

anthropogenic emissions

regional atmospheric transport

observed concentra3ons

•  EDGARv4.3 (Emissions Database for Global Atmospheric Research),

0.1 deg resolu3on, temporal profiles

•  Combined with BP report to update to recent year

•  Fuel type and IPCC category specific

(6)

Minimiza3on of differences by flux op3miza3on

CarboScope regional inversion system

prior biosph. fluxes + error cov.

lateral boundary condi3on

anthropogenic emissions

regional atmospheric transport

simulated concentra3ons

observed concentra3ons

(7)

S C M T UP 1.5 2.5 1.5 1.5 4

S: Near shore

C: Con3nental (surface) M: Mountain

T: Tall tower

UP: Urban polluted

CO2 Model-data mismatch error in ppm (for weekly 3me scales)

•  16 atmospheric sta3ons (2007) (Con3nuous measurements and analysed flask samples)

•  Day3me 11-16 local (mountain: 23-04)

Inversion setup

Atmospheric observa3ons:

Prior error structure (derived from differences prior fluxes – flux observa3ons):

•  Diagonal: 2.3 μmoles/m2/s (daily fluxes, 0.5x0.5 ° lat-lon)

•  error correla3ons: 30 days, 100 km

=> error infla3on needed to obtain consistency with global inversions

0.3 GtC/yr for annual and domain wide aggregated prior error

•  B1 case: Error infla3on (scaling of covariance matrix)

•  S1 case: Error infla3on by adding a bias term (constant in 3me, respira3on

shape) Kountouris et al., 2016a ACPD

(8)

Pseudo data inversion – Country-scale C budget

•  Successfully retrieved fluxes at monthly and na3onal scales

•  Reduc3on in

Uncertain3es (prior ->

posterior) larger for countries with more observa3ons

Kountouris et al., 2016a ACPD

(9)

•  Successfully retrieved fluxes at monthly and na3onal scales

•  Reduc3on in

Uncertain3es (prior ->

posterior) larger for countries with more observa3ons

Kountouris et al., 2016a ACPD

Pseudo data inversion – Country-scale C budget

(10)

Small scale structure:

vegeta3on coverage, radia3on, temperature (a priori)

Larger scale

correc3ons from

atmospheric constrain

Innova3on:

posterior – prior

Real data inversion 2007

Daily averaged flux es3mates in gC d

-1

m

-2

Kountouris et al., 2016b ACPD

(11)

Real data inversion 2007: Valida3on

Extrac3ng posterior fluxes at Eddy Covariance Flux sites comparison to independent flux observa3ons

(case B2, BIOME-BGC prior fluxes not dependent on flux observa3ons)

Kountouris et al., 2016b ACPD

(12)

CH 4 inversion – no prior

•  The inversion system

•  Synthe3c data inversion

•  Real data inversion

•  Uncertainty in atmospheric transport

•  Summary

Bergamaschi, Karstens, et al., 2017 ACPD Con3nuous CH4 measurements

Flask sample CH4 measurements

(13)

•  The inversion system

•  Synthe3c data inversion

•  Real data inversion

•  Uncertainty in atmospheric transport

•  Summary

CH 4 inversion – prior (EDGAR + E-PRTR)

Bergamaschi, Karstens, et al., 2017 ACPD

(14)

CH 4 inversions – mult. models & setups

Bergamaschi, Karstens, et al., 2017 ACPD

(15)

Observa(on based GHG budgets - Year n

WP 3 Climate forcing at 10 km

Official inventories GHG budgets - Year n

WP 2-4 BoDom-up GHG flux maps from

Ecosystem models Emission models

WP 2-4 Atmospheric transport fields

WP2-4 Top-down GHG flux maps from

Atm. inversions WP 2-4 Atm. GHG

concentra(on data

WP1 First official GHG na(onal inventories

WP5 synthesis of observa(on based

es(mates

WP6 Reconcilia(on Na(onal and EU

GHG budget

fact sheets COP

Regular GHG Monitoring within VERIFY (H2020)

(16)

Herausforderungen im Hinblick auf die quan3ta3ve Verwendung in den THG Berichten

•  Trennung von biogenem und anthropogenem CO2 - Verwendung hochaufgelöster Satellitendaten - Verwendung von 14C in CO2 nahe “Hotspots”

- Gemeinsame Inversion von CO2, CO und CH4

•  Emissionsmodellierung auf na3onaler Ebene - Räumliche Verteilung der Emissionen

- Sektoren- und Brennstoff- spezifisch

- Jährliche Updates, aktuelle zeitliche Profile für Ak3vitäten - Fehlerquan3fizierung für Modellparameter

- Einbindung in Inversion, Op3mieren der Parameter anstelle der Flüsse

•  Unsicherheiten in der Transportmodellierung – Ver3kaltransport - Verwendung nächtlicher Ver3kalprofile an hohen Messtürmen - tropospherische Profildaten (IAGOS)

- Nutzung der Mischungsschichthöhen (PBLH) von Ceilometer

•  Unsicherheiten in der Transportmodellierung – Repräsenta3onsfehler - Sta3onen in der Nähe starker Punktquellen

- Höhere Auflösung der Modelle

- Anbindung der Inversionsmodelle an ICON als atmosphärisches Modell

Referenzen

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