Attività di Ricerca e Validazione CETEMPS per QUITSAT Gabriele Curci Paolo Stocchi Gianluca Redaelli Meeting QUITSAT QRv1, CGS Milano, 18 marzo 2008

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)

Il modulo è offline (S/S monitoraggio) 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)

Mod1_CO&COV: Ricerca Funzioni peso su Parigi 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) 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)

Mod1_CO&COV: Ricerca Gennaio 2004 Luglio 2004 NASA QUITSAT QM4v1

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 Preparazione dati MOZAIC per confronto con dati MOPITT Ricampionamento sui 7 livelli verticali di MOPITT (Xmoz) Calcolo matrice funzioni peso A = I - CX·Ca-1 Trasformazione X’moz = A·Xmoz + (I-A)·Xa-priori 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 Francoforte, 22/07/2004 (Discesa, 72 profs)

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

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

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

Media oraria su tutte le stazioni Mod4_MetM: Ricerca VELOCITA’ VENTO 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 Bias Media oraria su tutte le stazioni

Media oraria su tutte le stazioni Mod4_MetM: Ricerca TEMPERATURA 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 Bias Media oraria su tutte le stazioni

Mod4_MetM: Ricerca TEMPERATURA 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 VELOCITA’ VENTO

Il modulo è offline (S/S monitoraggio) 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)

Mod6_TT&AssimProc: Ricerca TOP Le condizioni al contorno (BC) sono implementate come concentrazioni imposte ai bordi laterali e superiore del dominio Dominio del modello regionale (Chimere) NORTH Altitude WEST EAST SOUTH Latitude Le concentrazioni BC sono trasportate all’interno del dominio dai venti Longitude

Mod6_TT&AssimProc: Ricerca In Chimere le BC standard sono medie mensili da run climatologici di modelli globali LMDz-INCA per i gas GOCART per gli aerosol Ozone BC for July

Mod6_TT&AssimProc: Ricerca Implementazione BC Orarie GEOS-Chem in Chimere GEOS-Chem global CTM Hourly GEOS-Chem timeseries gas & aerosol (binary format)‏ ts_YYYYMMDD.bpch ts_YYYYMMDD.bpch ts_YYYYMMDD.bpch ts_YYYYMMDD.bpch If .not. conse-cutive run src/prep/ preptop_geoschem src/prep/ preplat_geoschem Chimere pre-processing inicoarse.nc Hourly Chimere BC (netCDF)‏ TOP_CONCS.nc LAT_CONCS.nc FILES Chimere core V200709C LEGEND Existing CODE New CODE

Mod6_TT&AssimProc: Ricerca BC Orarie da GEOS-Chem Ozone BC for July

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

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

Mod6_TT&AssimProc: Validazione NO2 (QM5v1) Confronto con stazioni AirBase (Com. EU) di BACKGROUND Media di NO2: sottostima 10-20 ug/m3

Il modulo è offline (S/S previsione) 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)

Mod3_CF: Ricerca Sim. RMS Bias Corr. STD 35.4 9.7 0.77 CHE 43.6 15.9 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] 125 110 90 75 CHE 125 Confronto con AirBase O3 obs. 110 Sim. RMS Bias Corr. STD 35.4 9.7 0.77 CHE 43.6 15.9 0.66 90 75

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 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

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