Figuur 1. Tijdreeks van de grootte van het Antarctisch ozongat in 2008, gedefinieerd als de fractie van het oppervlak waar de ozonkolom minder dan 220 Dobson eenheden is.
Figuur 1. Tijdreeks van de grootte van het Antarctisch ozongat in 2008, gedefinieerd als de fractie van het oppervlak waar de ozonkolom minder dan 220 Dobson eenheden is. Getoond worden de verwachtingen zonder assimilatie met het systeem IFS-MOZART-3 (blauw), IFS-TM5 (rood) en de verwachtingen met assimilatie van SBUV, OMI en MLS ozonmetingen met IFS-MOZART (groen) en met IFS-TM5 (magenta).
Sinds kort bestaat er een vergelijkbaar systeem voor de assimilatie en verwachting van de chemische samenstelling van de atmosfeer. Met de verbetering van waarnemingen vanuit satellieten komt nieuwe informatie beschikbaar over het effect van natuurlijke en door mensen veroorzaakte uitstoot op de concentraties van broeikasgassen en fijn stof in de lucht. Bovendien kan hiermee het effect van deze emissies op de luchtkwaliteit in stedelijke gebieden, en dus de gezondheid van mensen worden bestudeerd. Deze informatie zal bijvoorbeeld gaan bijdragen aan verbeterde verwachtingen van smogepisodes.

Met dit nieuwe operationele systeem kan de ontwikkeling van het Antarctisch ozongat in detail gevolgd worden, evenals het transport van luchtvervuiling tussen de verschillende continenten. Maar ook de rook van bosbranden, zandstormen uit woestijnen en de lokale luchtvervuiling door bijvoorbeeld stikstof dioxide (NO2) kunnen als onderdeel van dit systeem gevolgd worden. Deze laatste substantie wordt gemeten met satellietinstrumenten zoals OMI (Ozone Monitoring Instrument). De metingen van de samenstelling van de atmosfeer leveren zo samen met de meteorologie een consistent beeld van de aardatmosfeer(1). Als de chemische samenstelling van de lucht beter bekend is kan dit ook weer helpen om tot verbeteringen in de weersverwachting zelf te komen.

Dit nieuwe wereldwijd dekkende systeem voor de analyse en verwachting van broeikasgassen, reactieve gassen zoals ozon en koolmonoxide, en fijn stof is gebaseerd op het meteorologische model van het ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) en is gekoppeld aan een systeem voor de verwachting van de regionale luchtkwaliteit boven Europa. Het systeem is ontwikkeld en wordt ge-operationaliseerd in de internationale projecten GEMS(2) (Global and Regional Earth-System Monitoring Using Satellite and In situ Data; EU 6e kader onderzoeksproject, 2005-2009) en MACC (Monitoring Atmospheric Composition & Climate; 2009-2011). Verder ligt de nadruk op de ontwikkeling van producten en diensten voor specifieke gebruikers, zoals milieu- en gezondheidsinstanties, beleidsmakers en het algemene publiek. Dagelijkse mondiale analyses en de meest recente voorspellingen met dit nieuwe systeem zijn te vinden onder "GMES-atmosphere". (zie externe links)

De afdelingen “Chemie en Klimaat” en “Aardobservatie Klimaat” van het KNMI leveren een aantal belangrijke bijdragen aan deze projecten, waaronder de meest recente datasets van de satellietinstrumenten OMI en Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography (SCIAMACHY), die worden gebruikt voor de assimilatie en evaluatie van het systeem. Meer specifiek zijn de OMI metingen van NO2 gebruikt voor een evaluatie van het ensemble systeem voor de voorspelling van de luchtkwaliteit boven Europa. Verder vormt het chemie-transportmodel TM5 een van de bouwstenen voor de mondiale analyse van de chemische samenstelling van de atmosfeer. Tot slot draagt het KNMI, samen met TNO en RIVM, nog bij aan de Europese luchtkwaliteitverwachtingen met het Nederlandse model LOTOS-EUROS. Op de eerste twee genoemde aspecten gaan we hieronder nader in.
Figuur 2. Berekeningen van maandgemiddelde ozon hoogteprofielen (ozon in partiële druk, mPa) met het IFS-TM5 model met assimilatie (blauw), zonder assimilatie (oranje) in vergelijking met lokale ballonmetingen (rood) vanaf het station Neumayer op Antarctica, voor augustus (links) en oktober (rechts) 2008. De afbraak van ozon in het ozongat tussen 30 en 150 hPa hoogte is duidelijk zichtbaar in oktober. Dit wordt niet goed beschreven door het vrijdraaiende model. De assimilatie van ozonmetingen van meerdere satellietinstrumenten leidt wel tot een goede overeenkomst met de onafhankelijke ballonmetingen.
Figuur 2. Berekeningen van maandgemiddelde ozon hoogteprofielen (ozon in partiële druk, mPa) met het IFS-TM5 model met assimilatie (blauw), zonder assimilatie (oranje) in vergelijking met lokale ballonmetingen (rood) vanaf het station Neumayer op Antarctica, voor augustus (links) en oktober (rechts) 2008. De afbraak van ozon in het ozongat tussen 30 en 150 hPa hoogte is duidelijk zichtbaar in oktober. Dit wordt niet goed beschreven door het vrijdraaiende model. De assimilatie van ozonmetingen van meerdere satellietinstrumenten leidt wel tot een goede overeenkomst met de onafhankelijke ballonmetingen.

Dagelijkse analyse van de chemische samenstelling van de atmosfeer op mondiale schaal: het Antarctisch ozongat.
Het mondiale assimilatiesysteem voor chemisch actieve gassen bestaat uit een koppeling tussen een aantal chemie-transportmodellen, TM5 en MOZART-3, met het ECMWF weermodel(3). Een resultaat hiervan is te zien in figuur 1. Deze figuur toont verwachtingen van het Antarctisch ozongat met en zonder de assimilatie van ozon(4) zoals gemeten door de satelliet instrumenten SBUV (Solar Backscatter Ultraviolet Experiment), OMI and MLS (Microwave Limb Sounder). De IFS-MOZART simulatie zonder assimilatie voorspelt de vorming van het ozongat op het juiste moment, maar de diepte van het ozongat wordt onderschat met ongeveer 40%. Stratosferisch ozon wordt in deze versie van het TM5 model beschreven door een klimatologie. Door deze aanname wordt het lange voortbestaan van het ozongat in 2008 (tot midden december) in IFS-TM5 niet goed beschreven. Dit toont aan dat beide simulaties hun tekortkomingen hebben. In tegenstelling tot deze vrije simulaties zijn de verwachtingen die wel satellietmetingen assimileren onderling goed vergelijkbaar. Dat demonstreert de meerwaarde van het nieuwe systeem. In figuur 2 is een evaluatie te zien van het hoogteprofiel van ozon in de TM5 modelconfiguratie met en zonder de assimilatie van satellietmetingen. Dit toont aan dat het gemodelleerde profiel goed overeenkomt met onafhankelijke metingen van ozonsondes. Dit is te danken aan de ‘multi-sensor’ benadering waarbij het MLS instrument essentieel blijkt om een goede profielvorm te krijgen, en de instrumenten OMI, SBUV, en SCIAMACHY belangrijke informatie toevoegen met betrekking tot de lokale totale ozonkolom. Ondanks verschillen in de chemieschema’s die in MOZART-3 en TM5 worden gebruikt, zijn de metingen goed in staat om het systeem te corrigeren, en zo de verwachting van de verdeling van ozon gedurende het ozongat in belangrijke mate te verbeteren. Dit voorbeeld toont het nut van de toepassing van geavanceerde assimilatietechnieken binnen de atmosferische chemie, zoals oorspronkelijk ontwikkeld voor de numerieke weersvoorspelling.

Figuur 3. Gemiddelde troposferische NO2 kolommen in augustus 2008 zoals gemeten met het OMI satellietinstrument, in vergelijking met berekeningen met drie regionale luchtkwaliteitmodellen (EURAD, CHIMERE en SILAM) en met de mondiale chemie-transportmodellen MOZART-3 en TM5.
Figuur 3. Gemiddelde troposferische NO2 kolommen in augustus 2008 zoals gemeten met het OMI satellietinstrument, in vergelijking met berekeningen met drie regionale luchtkwaliteitmodellen (EURAD, CHIMERE en SILAM) en met de mondiale chemie-transportmodellen MOZART-3 en TM5.


Gemodelleerde en gemeten vervuiling van stikstofdioxide (NO2) boven Europa
Figuur 3 toont de vergelijking van OMI NO2 metingen met een aantal Europese regionale luchtkwaliteitmodellen en de twee eerdergenoemde mondiale chemie-transportmodellen (TM5 en MOZART-3). Deze regionale modellen dragen bij aan het Europese systeem voor de verwachting van de luchtkwaliteit. De berekende waarden van NO2 zijn vergeleken met satellietmetingen van het OMI instrument om de kwaliteit van deze verwachtingen te bepalen5). De resultaten van deze vergelijking illustreren het belang van de hoge resolutie in de regionale modellen (20-40 km), in vergelijking met de mondiale modellen (100-300 km), om de ruimtelijke variabiliteit van luchtvervuiling te kunnen oplossen. De verschillen tussen de onderlinge resultaten van de luchtkwaliteitmodellen geven een indicatie van de onzekerheid in deze modelberekeningen. Een dergelijke vergelijking helpt om tekortkomingen zoals fouten in de veronderstelde uitstoot (emissies) te identificeren. Ook onzekerheden met betrekking tot de OMI meting, zoals een geringe mate van overschatting van NO2 in zomer, kon worden gedetecteerd(5). Zowel de kwaliteit van de modellen als die van de meetmethodieken hebben baat bij een dergelijke evaluatie.

Conclusie
In het kader van de Europese projecten GEMS en MACC is een uniek nieuw assimilatiesysteem ontwikkeld dat de mondiale samenstelling van de atmosfeer van dag tot dag analyseert, en dat korte-termijn verwachtingen produceert. Dit systeem beschrijft de ruimtelijke verdeling van broeikasgassen, chemisch actieve gassen en fijn stof door toepassing van geavanceerde data-assimilatietechniek, afkomstig uit de meteorologie, toe te passen binnen de atmosferische chemie. De mondiale analyse wordt gecombineerd met een ensemble van 10 Europese regionale luchtkwaliteitmodellen, die dagelijks een gedetailleerd beeld geven van de luchtvervuiling boven Europa. Deze resultaten vormen de eerste fase van een lange-termijn ontwikkeling om actuele en nauwkeurige informatie van de samenstelling van de atmosfeer beschikbaar te stellen. In de periode 2012-2014 zal het nieuwe systeem een operationele status krijgen, waarbij de dagelijkse levering van verwachtingen en analyses gegarandeerd wordt. De geplande TROPOMI satellietmissie, waarvan het KNMI de wetenschappelijke leiding heeft, zal waarnemingen doen die een cruciale bijdrage leveren aan deze nieuwe dienst.

Referenties

  1. IGACO, 2004. An Integrated Global Atmospheric Chemistry Observation theme for the IGOS partnership. GAW Report 159, 54pp (zie externe links).
  2. Hollingsworth, A., R.J. Engelen, C. Textor, A. Benedetti, O. Boucher, F. Chevallier, A. Dethof, H. Elbern, H. Eskes, J. Flemming, C. Granier, J.W. Kaiser, J.J. Morcrette, P. Rayner, V.H. Peuch, L. Rouil, M.G. Schultz, A.J. Simmons and the GEMS consortium, 2008. Toward a Monitoring and Forecasting System for Atmospheric Composition: The GEMS Project. Bull. Amer. Meteor. Soc., 89, 1147-1164.
  3. Flemming, J., A. Inness, H. Flentje, V. Huijnen, P. Moinat, M.G. Schultz and O. Stein, 2009. Coupling global chemistry transport models to ECMWF's integrated forecast system. Geosci. Model Dev., 2, 253-265.
  4. Flemming, J., Inness, A., Jones, L., Eskes, H. J., Huijnen, V., Schultz, M. G., Stein, O., Cariolle, D., Kinnison, D., and Brasseur, G., 2010. Forecasts and assimilation experiments of the Antarctic Ozone Hole 2008. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 10, 9173-9217.
  5. Huijnen, V., Eskes, H. J., Poupkou, A., Elbern, H., Boersma, K. F., Foret, G., Sofiev, M., Valdebenito, A., Flemming, J., Stein, O., Gross, A., Robertson, L., D'Isidoro, M., Kioutsioukis, I., Friese, E., Amstrup, B., Bergstrom, R., Strunk, A., Vira, J., Zyryanov, D., Maurizi, A., Melas, D., Peuch, V.-H., and Zerefos, C., 2010. Comparison of OMI NO2 tropospheric columns with an ensemble of global and European regional air quality models, Atmos. Chem. Phys., 10, 3273-3296.