Attività di Ricerca e
Validazione CETEMPS per
QUITSAT
Gabriele Curci
Paolo Stocchi
Gianluca Redaelli
Meeting QUITSAT QRv1, CGS Milano, 18 marzo 2008
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
QUITSAT @ CETEMPS (v1)
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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)
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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)
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod1_CO&COV: Ricerca
MOPITT (Measurement Of Pollution In
The Troposphere) è un radiometro
nell’infrarosso (4.7-2.3 µm)
Funzioni peso su Parigi
Inverno (24/01/04)
Estate (22/07/04)
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)
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)
QM4v1
QUITSAT
NASA
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod1_CO&COV: Ricerca
Gennaio 2004
Luglio 2004
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
1.
Ricampionamento sui 7 livelli verticali di MOPITT (Xmoz)
2.
Calcolo matrice funzioni peso A = I - CX·Ca-1
3.
Trasformazione X’moz = A·Xmoz + (I-A)·Xa-priori
4.
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)
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod1_CO&COV: Validazione QM4v1
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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 GEOSChem ha un bias <10% rispetto a
MOPITT e MOZAIC (v. Figura)
MONITORAGGIO
TRASPORTO
TRASFRONTALIERO
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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)
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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
Mod4_MetM: Ricerca
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
VELOCITA’ VENTO
Confronto con dati da centraline meteo
forniti dall’ARPA Emilia-Romagna
(database DEXTER)
Bias
VELOCITA’ VENTO A 10 m
• Simulazione MM5 Luglio 2005
• Bias medio compreso tra -1 e +1 m/s
Media oraria su tutte le stazioni
Mod4_MetM: Ricerca
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
TEMPERATURA
Confronto con dati da centraline meteo
forniti dall’ARPA Emilia-Romagna
(database DEXTER)
Bias
TEMPERATURA AL SUOLO
• Simulazione MM5 Luglio 2005
• Bias medio compreso tra -1 e -5 °C
Media oraria su tutte le stazioni
Mod4_MetM: Ricerca
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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)
TOP
Le condizioni al
contorno (BC) sono
implementate come
concentrazioni
imposte ai bordi
laterali e superiore
del dominio
NORTH
Altitude
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod6_TT&AssimProc: Ricerca
WEST
SOUTH
Longitude
Dominio del modello
regionale (Chimere)
EAST
Le concentrazioni BC
sono trasportate
all’interno del
dominio dai venti
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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
GEOS-Chem
global CTM
If .not.
consecutive
run
ts_YYYYMMDD.bpch
ts_YYYYMMDD.bpch
ts_YYYYMMDD.bpch
ts_YYYYMMDD.bpch
src/prep/
preptop_geoschem
src/prep/
preplat_geoschem
TOP_CONCS.nc
LAT_CONCS.nc
inicoarse.nc
LEGEND
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Implementazione BC Orarie GEOS-Chem in Chimere
FILES
Existing CODE
New CODE
Chimere core
V200709C
Hourly
GEOS-Chem
timeseries
gas & aerosol
(binary format)
Chimere
pre-processing
Hourly
Chimere BC
(netCDF)
Mod6_TT&AssimProc: Ricerca
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
BC Orarie da GEOS-Chem
Ozone BC
for July
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod6_TT&AssimProc: Validazione NO2 (QM5v1)
Confronto con stazioni
AirBase (Com. EU) di
BACKGROUND
Media di NO2: sottostima
10-20 ug/m3
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
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
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
STD
Test di sensibilità sulla
parametrizzazione dell’altezza del PBL
125
Simulazione estate 2004
110
Altezza PBL (h) determina diffusione
turbolenta:
90
K(z) ≈ z·(1-z/h)
75
STD = altezza PBL da output MM5
CHE = altezza PBL ricalcolata secondo
Cheinet [2002, PhD Thesis]
Confronto con AirBase O3 obs.
Sim.
RMS
Bias
CHE
125
110
Corr.
STD
35.4
9.7
0.77
CHE
43.6
15.9
0.66
90
75
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod3_CF: Validazione Ozono (QF(b)v1)
Confronto con stazioni
AirBase (Com. EU) di
BACKGROUND RURAL
Run EUROPEO (50 km)
Run QUITSAT (10 km)
ug/m3
D+0
D+1
D+2
D+0
D+1
D+2
Obs.
123.4
92.0
92.3
92.7
112.0
113.3
114.4
Ozono massimo
Bias
-31.4
-31.0
-30.7
-11.4
-10.1
-9.0
EUR ~ -31 ug/m3
RMS
42.9
42.6
42.5
31.4
31.3
31.6
QUI ~ -10 ug/m3
Corr
0.33
0.32
0.30
0.53
0.51
0.49
su dominio QUITSAT
Da EUR a QUITSAT:
• Migliorano bias, RMS
e correlazione
Da D+0 a D+2:
• Migliora bias
• RMS ~ invariato
• Peggiora correlazione
5 anni di Eccellenza al servizio della comunità
Mod3_CF: Validazione NO2 (QF(b)v1)
Confronto con stazioni
AirBase (Com. EU) di
BACKGROUND RURAL
ug/m3
EUR
QUI
su dominio QUITSAT
Obs.
25.8
1.9
10.3
(D+0)
Bias
-23.9
-15.6
RMS
38.9
27.4
Corr
0.33
0.53
NO2 medio
EUR ~ -24 ug/m3
QUI ~ -15 ug/m3
Da EUR a QUITSAT:
• Migliorano molto bias,
RMS e correlazione