Assimilation von satellitenbasierten Aerosolmessungen verbessert Qualität der Prognose der Luftqualität
12. November 2010
Assimilation von satellitenbasierten Aerosolmessungen verbessert Qualität der Prognose der Luftqualität
In der numerischen Wettervorhersage konnte in den vergangenen Jahren durch die Assimilation von satellitenbasierten Messungen eine erhebliche Verbesserung der Prognosegenauigkeit erzielt werden. Bei der Vorhersage der Luftqualität (Gase und Partikel) ist die Nutzung von Satelliten noch nicht etabliert und basiert derzeit häufig auf sogenannten statischen Emissionskatastern. Einzelne episodische Ereignisse wie z.B. Waldbrände oder Vulkanaktivität werden damit in der Regel nicht in der Prognose berücksichtigt. In Zusammenarbeit mit der Universität zu Köln wird an einem Verfahren gearbeitet, welches die getrennte, komponentenweise Assimilation von Satellitenbeobachtungen von wasserlöslichen, wasserunlöslichen, rußhaltigen sowie aus Seesalz und Mineralstaub bestehenden Aerosolpartikel in der bodennahen Grenzschicht in ein so genanntes Chemie-Transport-Modell erlaubt. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die Kenntnis des „Beobachtungsoperators“, wie er jetzt entwickelt wurde.
Hierbei handelt es sich um eine Abbildung von den gemessenen physikalischen Eigenschaften von Aerosolkomponenten auf die mit ihren chemischen Eigenschaften beschriebenen Aerosoltypen des Chemie-Transport-Modells. Gleichzeitig sind verschiedene Größenverteilungen in Modell und Messung zu berücksichtigen. Dies erlaubt den Transfer der Modellvariablen aus dem Raum der chemischen Massenkonzentrationen in den Raum der aerosoloptischen Dicke, in dem anschließend ein zweidimensionales, variationelles Assimilationsverfahren angewandt wird. Dieses minimiert iterativ eine Kostenfunktion, die den Abstand zwischen dem Modelllauf ohne Assimilation und den Messungen beschreibt.
Die Qualität der Analysefelder nach Abschluss des Assimilationsschritts wurde durch Validierungen der aerosoloptischen Dicke mit AERONET-Bodenmessungen insbesondere in Situationen mit Sandsturmausbrüchen aus der Sahara, durch Vergleiche mit Messungen des englischen ‚Black Smoke und Sulphur Dioxide Networks’ für russhaltige Partikel und durch den Vergleich mit Messungen der wasserlöslichen Aerosolkomponenten SO4, NH4 und NO3 im Rahmen von EMEP (Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-range Transmission of Air pollutants in Europe) untersucht. Es konnte für den Zeitraum der ASSET-Kampagne vom Juli – November 2003 jeweils für die wasserlöslichen, die rußhaltigen und die mineralstaubhaltigen Komponenten separat eine Reduktion der mittleren Abweichung und dadurch des RMSE in den Analysefeldern nachgewiesen werden. Außerdem konnte die verbesserte Modellierung von Waldbrand- und Sandsturm-Episoden exemplarisch gezeigt werden.
Prognose Luftqualität
Karte der mittleren Differenz zwischen Satellitenbeobachtung und Hintergrundfeld in der Rußkomponente (links), der mittleren Differenz zwischen Beobachtungen und dem Analysefeld (Mitte) und der Anzahl der verwendeten Beobachtungen pro Modellgitterbox (rechts) für den Monat August 2003. Waldbrände im Süden der Iberischen Halbinsel verursachen positive Differenzen zwischen Beobachtungen und Hintergrundfeld (gelbe und orange Bereiche). Der Nutzen der Assimilation von Beobachtungen dieses Ereignisses zeigt sich im Verschwinden dieser Differenzen im Analysefeld (grüne Farbe).
