Module M | Modellierung
Das ITMS-Modellierungsmodul (ITMS-M) zielt darauf ab, die Elemente eines Datenassimilationssystems zu entwickeln, das in der Lage ist, Informationen aus einer Vielzahl von Datenströmen zu nutzen und die Konzentrationsdaten (Modul B) mit den Emissionsflüssen (Modul Q&S) zu verknüpfen, um räumlich und zeitlich aufgelöste Informationen über die THG-Flüsse in Deutschland zu liefern, die für die Entwicklung eines operationellen ITMS relevant sind.
Die Forschung im Rahmen von ITMS-M Phase 2 (ITMS2-M) zielt darauf ab, die notwendigen Entwicklungsschritte bereitzustellen, um den Übergang von der Demonstrationsphase von ITMS (am Ende von Phase 1) zu einem voroperativen System (ITMS der ersten Generation) zu vollziehen. Es werden mehr Gase und Emissionssektoren abgedeckt, wobei eine wachsende Anzahl von Beobachtungen, insbesondere Satellitendaten, sowie verbesserte Bottom-up- und Inversionsmodellierungsansätze genutzt werden. Die fortgesetzte Arbeit im Rahmen von ITMS2-M stützt sich auf das gebündelte Fachwissen dreier verschiedener Partnerinstitutionen (DWD, MPI-BGC und KIT-IMKASF), die sich auf unterschiedliche Themen konzentrieren;
Weiterentwicklung des CarboScope-Regional-Inversionssystems (CSR) zur voroperativen Schätzung von Treibhausgasen am Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC), Principal Investigator: Dr. habil. Christoph Gerbig;
Entwicklung der ICON-ART-Inversion zum Aufbau eines langfristig operativen Systems zur Datenassimilation von Treibhausgasen beim Deutscher Wetterdienst (DWD), Principal Investigator: Dr. Andrea Kaiser-Weiss;
Weiterentwicklung der sogenannten “Limited Area” Implementierung des ICON-ART Vorwärtsmodells (ICON-ART-LAM) am Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (KIT-IMKASF) des KIT, in enger Anbindung an die ICON-ART-Entwicklung des DWD, um den Transport von Aerosolen und Tracern im NWP-Modell des DWD zu ermöglichen; Principal Investigator: Dr. Roland Ruhnke;
[FIGURE caption: Die Rolle des ITMS-Moduls M bei der Entwicklung des voroperativen Systems in Phase 2]
Das MPI-BGC ist für die Koordination von ITMS2-M zuständig. Die Arbeit an ITMS2-M ist auf die verschiedenen Partnerinstitutionen aufgeteilt und gliedert sich in 14 Arbeitspakete (WP-M), nämlich:
ITMS2-M WP-M.201 | Erweiterung der operationellen Datenassimilation für die Zwecke der Treibhausgasinversion (DWD)
Im Mittelpunkt dieses Arbeitspakets steht die Entwicklung eines modularen und flexiblen Systems zur Datenassimilation von Treibhausgasen (THG). Das System integriert verschiedene Arten von Beobachtungen und verfügt über fortschrittliche Datenverarbeitungsfunktionen, darunter die Charakterisierung von Unsicherheiten, die Korrektur von Verzerrungen sowie Überwachungswerkzeuge. Es unterstützt eine Reihe von Datenassimilationsmethoden sowohl für die Assimilation atmosphärischer Konzentrationen als auch für die Inversion von THG-Flüssen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Prof. Roland Potthast
ITMS2-M WP-M.202 | Emissionsverifikation Methan für operationellen Betrieb am DWD (DWD)
Dieses Arbeitspaket wird während der gesamten Phase 2 jährliche Schätzungen der Methan (CH₄)-Inversion liefern und dabei auf den erfolgreichen Forschungs- und Entwicklungsergebnissen der ITMS-Phase 1 in den Modulen B, Q&S und M aufbauen. Während der Phase 2 werden zudem neu entwickelte und erfolgreich getestete Methoden und Datenprodukte schrittweise in das auf ICON-ART basierende operative Methan-Inversionssystem beim DWD integriert.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Andrea Kaiser-Weiss
ITMS2-M WP-M.203 | Assimilation von Methan-Satellitendaten und von FTIR Säulendaten mit DACE (DWD)
Im Mittelpunkt dieses Arbeitspakets steht die Weiterentwicklung der DWD-Datenassimilations-Entwicklungsumgebung (DACE), um die Integration von Treibhausgasbeobachtungen aus Satelliten und bodengestützten Säulenmessungen, beispielsweise mit Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometern (FTIR), zu ermöglichen. Die Entwicklung baut auf Methoden und Ergebnissen auf, die in der ersten Phase des ITMS-M-Projekts erarbeitet wurden.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Andrea Kaiser-Weiss
ITMS2-M WP-M.204 | Fortgesetzte Forschung zur Satellitendatenassimilation mit ICON-ART–CTDAS (MPI-BGC)
Aufbauend auf früheren Entwicklungen im Rahmen des RiGHGorous-Projekts wird in diesem Arbeitspaket das ensemblebasierte ICON-ART–CTDAS-Framework (CarbonTracker Data Assimilation Shell) für die Methan (CH₄)-Assimilation und dessen Anwendung auf Satellitenbeobachtungen weiterentwickelt. Zu den wichtigsten Aktivitäten gehören die Verbesserung der Darstellung von Modell-Daten-Diskrepanzen und korrelierten Messunsicherheiten, insbesondere solchen, die für die Satellitenfernerkundung relevant sind, sowie die Erweiterung des Frameworks auf die CO₂-Assimilation.
Beobachtungen von TCCON/COCCON, Flugzeugen und AirCore werden in Zusammenarbeit mit Modul B die Bewertung und Validierung des Systems unterstützen. Darüber hinaus werden meteorologische Eingabefelder für STILT aus kurzfristigen ICON-ART-Vorhersagen generiert, wobei auf den Entwicklungen aus der ITMS-Phase 1 aufgebaut wird.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. habil. Christoph Gerbig
ITMS2-M WP-M.205 | CO2 Vorwärts-modellierung von ICON-ART mittels ITMS prior fluxes (DWD)
Dieses Arbeitspaket konzentriert sich auf die Verbesserung der Darstellung der großen und stark variierenden CO₂-Flüsse aus der terrestrischen Biosphäre und liefert damit eine wichtige Grundlage für die Unterscheidung zwischen biogenen und anthropogenen CO₂-Quellen. Bestehende Produkte zu biogenen CO₂-Flüssen werden für die Vorwärtsmodellierung von ICON-ART integriert und ausgewertet, einschließlich weiterer Tests des bereits implementierten Vegetation Photosynthesis and Respiration Model (VPRM) in Zusammenarbeit mit den ITMS-Partnern. Gegebenenfalls werden auch Produkte zu anthropogenen und ozeanischen CO₂-Flüssen von CAMS und anderen internationalen Anbietern (z. B. G3W) einbezogen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Andrea Kaiser-Weiss
ITMS2-M WP-M.206 | Vorbereitung operationeller CO2 Datenassimilation und Inversion, biogene/anthropogene Anteile separierend (DWD)
Dieses Arbeitspaket konzentriert sich auf die Entwicklung und Anpassung des ITMS-M-DWD-Datenassimilationssystems für CO₂-Inversionen. Die modellierten CO₂-Werte aus biogenen, anthropogenen und ozeanischen Quellen werden effizient mit den Beobachtungen aus Modul B abgeglichen, wodurch die Grundlage für die Auswahl geeigneter Beobachtungen für die Inversion geschaffen wird.
Aufbauend auf dem bestehenden technischen Rahmenwerk von ITMS-M-DWD wird das System speziell auf CO₂ und die entsprechenden Beobachtungssysteme zugeschnitten, einschließlich der Entwicklung geeigneter Fehlercharakterisierungen und Parametereinstellungen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Andrea Kaiser-Weiss
ITMS2-M WP-M.207 | Implementierung einer nahtlosen super-vereinfachten Chemie innerhalb von ICON-ART (KIT IMKASF)
Dieses Arbeitspaket dient der Weiterentwicklung des in Phase 1 in ICON-ART implementierten vereinfachten OH-Chemieschemas, das zur Darstellung des chemischen Abbaus von Methan (CH₄) aus der Atmosphäre verwendet wird. Um dessen zuverlässige langfristige Anwendung in ITMS zu ermöglichen, wird das Schema erweitert, um wichtige Einflüsse auf die OH-Konzentrationen zu berücksichtigen, insbesondere Temperaturänderungen und stratosphärisches Ozon.
Die Entwicklungen werden die simulierten CH₄-Profile für die Assimilation von Satellitenbeobachtungen verbessern und eine Bewertung der Unsicherheiten beinhalten, die mit dem modellierten chemischen Abbau von Methan verbunden sind. Aufkommende KI-basierte chemische Ansätze werden ebenfalls als potenzielle Alternativen evaluiert, sofern geeignete Lösungen öffentlich verfügbar werden.
Aufbauend auf WP-M.7 aus ITMS-Phase 1 setzt dieses Arbeitspaket somit die Entwicklung des vereinfachten OH-Chemieschemas fort, um dessen nahtlose und zuverlässige langfristige Nutzung im ITMS-Modellierungssystem zu ermöglichen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Roland Ruhnke
ITMS2-M WP-M.208 | CarboScope-Regional (CSR) Referenzinversionen (MPI-BGC)
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wird das Inversionssystem „CarboScope-Regional“ (CSR) genutzt, um die CO₂-, CH₄- und N₂O-Flüsse europaweit und auf nationaler Ebene zu schätzen, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf Deutschland liegt. Die Verwendung kontinuierlicher atmosphärischer Beobachtungen ermöglicht eine detaillierte Darstellung zeitlicher Schwankungen der Treibhausgasflüsse, insbesondere für CO₂.
Aufbauend auf den Entwicklungen der Phase 1 werden im Rahmen dieser Arbeiten Methoden zur Einbeziehung von Nachtbeobachtungen und vertikalen Profilen weiterentwickelt, um die biogenen Brutto-CO₂-Flüsse genauer zu bestimmen. Zudem werden Multi-Tracer-Inversionsansätze etabliert, um die Trennung anthropogener und biosphärischer Flusskomponenten zu verbessern und weitere Verbesserungen in der Modellierung des atmosphärischen Transports zu unterstützen. Der Nutzen dieser Entwicklungen wird anhand der etablierten CSR-Referenzinversion bewertet.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
ITMS2-M WP-M.209 | Transport in der “grey zone“ (Auflösung km-Skala) (DWD)
Dieses Arbeitspaket konzentriert sich auf die Verbesserung der Darstellung des Transports atmosphärischer Tracer über Deutschland und angrenzende Regionen durch die Implementierung eines ICON-ART-Modellbereichs mit höherer Auflösung (ICON-D2). Die erhöhte Auflösung ermöglicht eine bessere Erfassung atmosphärischer Prozesse, komplexer Geländeverhältnisse und Tal-Dynamiken, die den Transport von Treibhausgasen beeinflussen.
Weitere Entwicklungen werden das System auf die Modellierung mit einer Auflösung von 2 km und feiner vorbereiten, einschließlich verbesserter Turbulenz- und Konvektionsschemata für den Tracertransport im Kilometermaßstab. Im Rahmen der Arbeiten wird zudem untersucht, wie sich verschiedene Darstellungen des atmosphärischen Transports bei steigender Modellauflösung verhalten, und es werden Möglichkeiten zur verbesserten Darstellung der unteren Troposphäre und der Mischschicht im Rahmen der Datenassimilation erforscht.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Linda Schlemmer
ITMS2-M WP-M.210 | Bewertung der Assimilation von Mischungsschichthöhen- (MH-) Informationen innerhalb von ICON, Anwendung auf aus Ceilometer-Rückstreuung, AMDAR-, Radiosonden- und Radonmessungen abgeleitete MHs (MPI-BGC)
Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, den atmosphärischen Transport in den ITMS-Inversionssystemen zu verbessern, indem Beobachtungen der Mischhöhe aus dem europäischen Ceilometer-Netzwerk stärker genutzt werden. Aufbauend auf den in Phase 1 entwickelten Methoden wird der Beobachtungsdatensatz um europaweite Messungen aus dem E-PROFILES-Netzwerk erweitert, wodurch konsistentere Informationen über die planetare Grenzschicht (PBL) und die Mischhöhen im gesamten Modellierungsgebiet bereitgestellt werden.
Der erweiterte Datensatz wird in das STILT–CSR-Framework integriert, während gleichzeitig Methoden entwickelt werden, um beobachtungsbasierte Mischhöhen durch Datenassimilation direkt in das ICON-ART–CTDAS-Framework einzubinden. Verschiedene Assimilationsansätze werden evaluiert und getestet, um ihre Auswirkungen auf den atmosphärischen Transport und die Treibhausgassimulationen zu ermitteln. Erfolgreiche Entwicklungen bilden die Grundlage für eine mögliche Integration in das operative System im Anschluss an Phase 2. Die Arbeiten werden eng mit dem Arbeitspaket WP-M.209 koordiniert, um die Konsistenz bei den ICON-Modellkonfigurationen, der Wahl der Parametrisierungen und der Bewertung der Modellleistung sicherzustellen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. habil. Christoph Gerbig
ITMS2-M WP-M.211 | Multi-Spezies-Inversion unter Verwendung von Rn und CH₄, Rn + CO₂ sowie Rn + N₂O innerhalb von CSR, basierend auf verbesserten Rn-Karten aus Phase 1 (entwickelt im Rahmen von ITMS-M.6) (MPI-BGC)
Dieses Arbeitspaket untersucht das Potenzial von Radon (Rn) als zusätzlichen Tracer zur Verbesserung der Schätzungen von CH₄-, CO₂- und N₂O-Flüssen, wobei die Ähnlichkeiten bei der Beeinflussung dieser Gase durch vertikale atmosphärische Vermischung genutzt werden. Der Ansatz wird zudem untersuchen, ob Radon dazu beitragen kann, Beobachtungen außerhalb des Nachmittagszeitraums besser zu nutzen, deren Darstellung in atmosphärischen Transportmodellen schwieriger ist und die daher in CSR-Inversionen bislang in der Regel nicht verwendet wurden.
Der Ansatz der Mehrstoffinversion wird zunächst im CSR-System implementiert und im Vergleich zu Standardinversionen bewertet. Je nach Leistungsfähigkeit soll der Ansatz anschließend auf das ICON-ART–CTDAS-Framework übertragen werden.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. habil. Christoph Gerbig
ITMS2-M WP-M.212 | Entwicklung einer Multi-Spezies-Assimilation mit ICON-ART–CTDAS zur Trennung fossiler und biogener CO₂-Flüsse (MPI-BGC)
Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, die Trennung zwischen CO₂-Flüssen aus fossilen Brennstoffen und aus der Biosphäre zu verbessern, was für die Überprüfung anthropogener CO₂-Emissionen und ein besseres Verständnis der Veränderungen bei den natürlichen Kohlenstoffflüssen wichtig ist.
Das ICON-ART–CTDAS-Framework wird erweitert, um zusätzliche Tracer einzubeziehen, die Informationen über CO₂-Emissionen aus fossilen Brennstoffen liefern, darunter CO, NO₂, O₂/N₂ und ¹⁴C, sowie satellitengestützte CO- und NO₂-Beobachtungen. Das Online-Emissionsmodell (OEM) wird ebenfalls weiterentwickelt, um gemeinsame Flussensembles für mehrere Tracer zu unterstützen und deren kombinierte Nutzung im Inversionssystem zu ermöglichen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. habil. Christoph Gerbig
ITMS2-M WP-M.213 | Vorbereitung der Schnittstellen zu globalen Diensten im G3W-Kontext, Einfluss globaler Randbedingungen (MPI-BGC)
Dieses Arbeitspaket untersucht, wie laterale Randbedingungen (LBCs) aus globalen Atmosphärenmodellen die regionalen CO₂- und CH₄-Flussschätzungen innerhalb des CSR-Inversionssystems beeinflussen. Frühere Analysen haben erhebliche Unterschiede bei den regionalen Schätzungen gezeigt, wenn unterschiedliche globale Produkte verwendet werden, weshalb es wichtig ist, diese Unsicherheitsquelle besser zu verstehen und zu quantifizieren.
Die Sensitivität der Inversionsergebnisse gegenüber Faktoren wie den in globalen und regionalen Systemen assimilierten Beobachtungen und den in globalen Transportmodellen verwendeten meteorologischen Daten wird bewertet. Die Arbeit soll ermitteln, inwieweit regionale Treibhausgasschätzungen von den globalen Produkten abhängen, die die Randbedingungen liefern, und die Charakterisierung der mit LBCs verbundenen Unsicherheiten verbessern.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. habil. Christoph Gerbig
ITMS2-M WP-M.214 | Entwicklung der N2O Emissionsverifikation mit dem ICON-ART System (DWD)
Dieses Arbeitspaket konzentriert sich auf die Entwicklung des Inversionsrahmens für Lachgas (N₂O). Aufgrund der hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität der N₂O-Quellen und -Senken erfordert die Inversion detaillierte Vorabinformationen zu den Flüssen aus dem Modul Q&S, einschließlich Informationen darüber, wie sich die Emissionen im Zeitverlauf verändern.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden weiterentwickelt, um diese zeitliche Variabilität im Inversionssystem abzubilden und zu berücksichtigen. In Sensitivitätsstudien wird zudem die geeignete räumliche und zeitliche Auflösung ermittelt, um robuste N₂O-Flussschätzungen zu erstellen und dabei die Variabilität auf feineren Skalen zu berücksichtigen.
Beteiligte WissenschaftlerInnen:
Dr. Andrea Kaiser-Weiss