ITMS-M Rollen bei der Modellentwicklung und -implementierung

Modul 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 in der Demonstrationsphase (Phase 1) von ITMS-M konzentriert sich auf die Schlüsselaspekte der beiden wichtigsten Treibhausgase CO2 und CH4, deren atmosphärische Konzentration vom Menschen beeinflusst wird.

Die Forschung in ITMS-M baut auf der Erfahrung der verantwortlichen Partnerinstitutionen auf:

  1. Das CarboScope-Regional Inversion System (CSR), als Ausgangspunkt für die präoperative THG-Abschätzung am Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC), Verantwortliche Person: Dr. habil. Christoph Gerbig;

  2. Die Entwicklung der ICON-ART-Inversion für den Aufbau eines langfristigen operationellen THG-Datenassimilationssystems beim Deutscher Wetterdienst (DWD), Verantwortlich: Dr. Andrea Kaiser-Weiss;

  3. Die Entwicklung von ICON-Forward Modelling limited-area implementation (ICON-ART-LAM) am Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (KIT-IMK-ASF) des KIT als Schnittstelle zur ICON-ART-Entwicklung des DWD, um Aerosol- und Tracertransport im NWP-Modell des DWD zu ermöglichen, Verantwortliche Person: Dr. Roland Ruhnke;

  4. Städtesimulationen zur Verfolgung fossiler CO₂-Emissionen in Städten und Ballungsräumen in Deutschland an der Universität Heidelberg (UHEI), Verantwortlich: Dr. Sanam Vardag.

Das ITMS-M Modul wird koordiniert von Dr. habil. Christoph Gerbig und Dr. Rachael Akinyede vom MPI-BGC. Die Arbeiten in ITMS-M Phase 1 sind in 13 Arbeitspakete (WP-AP.s) unterteilt, deren beteiligte Wissenschaftler (fett) und Mitarbeiter im Folgenden beschrieben werden:

ITMS-M AP-M.1 | Konsolidierung der bisherigen Erfahrungen

In diesem Arbeitspaket werden die bestehenden Erfahrungen mit der Datenassimilation mit ICON und ICON-ART mit den Erfahrungen mit Flußinversionen aus dem CarboScope Regional Inversionssystem (CSR) kombiniert. Andere Forschungsarbeiten, z.B. mit WRF-GHG und aus den Copernicus-Diensten, werden in die Überprüfung einbezogen. Dies beinhaltet eine SWOT-Analyse (Stärken, Schwächen, Chancen, Gefahren), eine wissenschaftliche Leistungsverfolgung und eine Bewertung der Entwicklungsmöglichkeiten innerhalb des Moduls.

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.2 | Abschätzung der biogenen CO2-Flüsse und der anthropogenen CH4-Emissionen

Der Rahmen des CarbosScope Regionalen Inversionssystems

Dieses Arbeitspaket nutzt das CSR-Inversionssystem, um die CH4-Emissionen für die nationale THG-Berichterstattung zu verfolgen, wobei der Schwerpunkt auf den vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen liegt, da es bei den natürlichen Flüssen Unsicherheiten gibt. Unter Verwendung von CAMS-, ICOS- oder CarboScope-Daten wird das System nahezu in Echtzeit Aktualisierungen und endgültige jährliche THG-Schätzungen bis September jeden Jahres bereitstellen und dabei laufende Verbesserungen aus verwandten Projekten einbeziehen.

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.3 | Implementierung der meteorologischen Felder von ICON in CSR

Das CSR-System verwendet das Lagrangesche Modell STILT, das von meteorologischen Feldern des ECMWF IFS mit einer Auflösung von 0,25° × 0,25° angetrieben wird, was der räumlichen Auflösung der IFS-Felder im Jahr 2006 entspricht. Das NWP-System des DWD bietet höher aufgelöste meteorologische Felder aus dem ICON-EU-Nest (6,5 km). Die Integration dieser Felder in STILT wird die Lagrangesche Transportmodellierung verbessern und die Kompatibilität mit der ICON-ART-basierten THG-Datenassimilation erhöhen, insbesondere wenn CSR als Referenzinversion dient.

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.4 | Verbesserung der vertikalen Mischung in CSR

Eine falsche Zuordnung der PBL-Höhe in Modellen führt zu erheblichen Fehlern in den berechneten Flüssen auf globaler und regionaler Ebene. In diesem Arbeitspaket sammeln Forscher des MPI-BGC PBL-Beobachtungen aus mehreren über Deutschland verfügbaren Datenströmen, um den Modelltransport innerhalb des CarboscopeRegional Inversion Frameworks zu verbessern, das das STILT-Modell für den THG-Transport verwendet. Parallel dazu arbeitet die DWD-Gruppe an der Verbesserung des PBL- und Vertikaltransports innerhalb von ICON, um ihn im ICON-ART-LAM-Inversionssystem des DWD zu nutzen.

Eine zentrale Herausforderung bei der inversen Transportmodellierung von Treibhausgasen ist die genaue Darstellung der Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht, die sich auf die vertikalen Profile und die Schätzungen der Mischungshöhe (MH) auswirkt. Dieses Arbeitspaket wird Daten aus dem Ceilometer-Netzwerk des DWD nutzen, um MH-Felder für die Inversionsmodelle STILT und CSR zu optimieren, MH-Definitionen in ICON-Simulationen zu bewerten und Parametrisierungen für eine verbesserte Modellierung der Treibhausgaskonzentration und Emissionsverifizierung zu verfeinern.

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.5 | Nutzung von ICOS- und IAGOS-Vertikalprofilen

Das CSR-Inversionssystem verwendet derzeit ICOS-Turmmessungen auf höchster Ebene während gut gemischter Grenzschichtbedingungen (11:00-16:00 LT). Dieses Arbeitspaket erweitert das System durch die Einbeziehung von ICOS-Profildaten, die nächtliche Flüsse erfassen, und von hochauflösenden vertikalen Profilen aus IAGOS-Flugzeugmessungen, die zusätzliche Erkenntnisse über die Flüsse zwischen Oberfläche und Atmosphäre liefern.

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.6 | Gleichzeitige Nutzung mehrerer Spezies in der CSR Inversion

Die Modell-Daten-Fehlanpassung von CH4 zeigt eine signifikante Korrelation mit der von Radon (Rn) und liefert Informationen über die Leistung von Transportmodellen, die in einer gemeinsamen CH4-Rn-Inversion zur Ableitung von CH4-Flüssen verwendet werden könnten.

Die Integration von Daten mehrerer Treibhausgase und Spurengase in die inverse Modellierung verbessert die Flussschätzungen durch die Nutzung von Synergien bei Emissionsmustern und Transportverhalten. Dieses Arbeitspaket konzentriert sich auf die Entwicklung der Fähigkeit, Beobachtungen mehrerer Arten, wie CO₂, ¹⁴C-CO₂ (zur Trennung biogener und anthropogener Flüsse) und Radon (zur Bewertung der atmosphärischen Durchmischung), zu assimilieren.

 

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.7 | Spezifikation des ICON Vorwärtsmodells für ITMS

Diese Abbildung zeigt die OH-Zahlenkonzentration (untere Grafik, hier SSOH genannt) an der Oberfläche aus einer ICON-ART-Testsimulation und die entsprechenden Methan (CH4)-Volumenmischungsverhältnisse nach 156 Stunden. Methan wurde mit konstanten 1670 ppb ohne Emissionen und OH-Senke nur über die neue SSOH-Chemie initialisiert.
Diese Abbildung zeigt einen Vergleich der Methan (CH4)-Volumenmischungsverhältnisse aus Messungen der ICOS-Stationen (Mittelwert aller Stationen) mit Simulationsdaten von ICON-ART und CAMS.

Das ICON-Modellsystem mit seinem ICON-ART-Modul ermöglicht globale bis regionale Simulationen von Aerosol- und Spurengasdynamik, einschließlich Treibhausgasen (THG). Die Implementierung für ein begrenztes Gebiet (ICON-ART-LAM) unterstützt eine detaillierte Quellenkennzeichnung nach Typ und Region, was eine Quantifizierung der Emissionsbeiträge ermöglicht. Dieses Arbeitspaket optimiert die Modelleinstellungen (Chemie, Gitter, Auflösung und Fläche) für effiziente Berechnungen. Eine wichtige Aufgabe dieses Arbeitspakets ist die Entwicklung einer neuen, stark vereinfachten OH-Chemie zur Abschätzung der OH-Senke von Treibhausgasen. In Experimenten werden die ICON-ART-Chemie-Setups sowie die ICON- und CAMS-Meteorologie als Grenzen miteinander verglichen und anhand von ICOS-Beobachtungen validiert, um die Qualität und Genauigkeit zu verbessern.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.8 | Erste THG-Assimilation in ICON-ART

ICON-ART Modellierung von CH4 : mit konfigurierbaren Tracern, hier zur Veranschaulichung 3 Tracer: frische deutsche Emissionen (rot), frische europäische Emissionen (grün) und Hintergrund (blau) je nach Region und/oder Alter der Emission, „frisch“ bezieht sich auf weniger als 24 Stunden.
ICON-ART Modellierung von CH4: CH4-Beobachtungen vom ICOS-Standort PUY (schwarz) mit Modell - Äquivalenten unter Verwendung meteorologischer Ensembles (rot).

Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, einen Demonstrator für die Assimilierung von CH4- und CO2-Beobachtungen (in Vorbereitung auch für N2O) aus ICOS oder vergleichbaren Punktbeobachtungen im ICON-ART-LAM-System durch Anpassung von Konzentrationsfeldern zu entwickeln. Dabei sollen Synergien mit der meteorologischen Datenassimilationsumgebung beim DWD genutzt werden, da dies der Schlüssel für einen erfolgreichen Betrieb von ITMS in der Zukunft ist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.9 | THG-Satellitendatenassimilation in ICON-ART

Taylor-Diagramm, das die Vorteile von ICON-ART- LAM, angetrieben durch CAMS-Grenzkonzentrationen und ICON-NWP Meteorologie, zeigt und eine so verbesserte Übereinstimmung mit den ICOS-Beobachtungen aufweist.

In diesem Arbeitspaket wird das erste System zur Assimilation von Treibhausgas-Satellitendaten innerhalb von ICON-ART-LAM entwickelt, beginnend mit der Assimilation von CH4-Satellitensäulen aus S5P-Daten und der Vorbereitung von MERLIN CH4-Beobachtungen und CO₂-Satellitenbeobachtungen. Die Assimilierung wird optimierte Konzentrationsfelder liefern.

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

  • Dr. Anne-Marlene Blechschmid (DWD)

ITMS-M AP-M.10 | Entwicklung der THG-Flussinversion in ICON-ART

Beispiel für Analyse-Inkremente auf Ebene 72 (etwa 90 m Höhe) der EnVar-Implementierung, angewandt auf ein Methankonzentrationsfeld (in ppb) am 2021-06-30T12:00.
LETKF-Parameterstudie auf Ebene 70 zur Veranschaulichung die Konzentrationsanalyse, die auf die Beobachtung am Beobachtungsort gezogen wird, mit abnehmendem Einfluss bei wachsender Entfernung.

Dieses Arbeitspaket konzentriert sich auf die Entwicklung des ersten ICON-THG-Inversionssystems mit ICON-ART-LAM für Emissionsschätzungen, wobei die fortschrittlichen Datenassimilationstechniken und die Erfahrung des DWD genutzt werden. Es integriert globale und regionale Methoden, aerosolbezogene Systeme und Synergien mit der CSR-Inversion und dem Community Inversion Framework des VERIFY-Projekts zur Unterstützung des ITMS.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.11 | Transfer zur operationellen Umgebung

DWD ITMS-Betriebssystem Komponenten und Schnittstellen.

Dieses Arbeitspaket bereitet die Betriebsumgebung für das ICON-System zur Inversion von Treibhausgasemissionen vor, indem es die Ergebnisse aus verwandten Aufgaben integriert und die Rechenressourcen optimiert. Es konzentriert sich auf die Leistungsüberwachung, die unabhängige Validierung und die Nutzung von Synergien mit der operativen Infrastruktur des DWD.

 

 

 

 

 

 

 

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.12 | Simuliertes Monitoring-Experiment für urbanes anthropogenes CO2

Der hochauflösende Inversionsrahmen zur Bewertung von Überwachungsstrategien in städtischen Gebieten.

Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, kosteneffiziente Beobachtungsstrategien zur Verfolgung fossiler CO₂-Emissionen in deutschen Städten und Ballungsräumen zu entwickeln. Mithilfe hochauflösender Modellierung werden potenzielle Beobachtungsnetze und Probenahmestrategien zur Verringerung von Unsicherheiten evaluiert, wobei der Schwerpunkt auf Ballungsräumen wie Berlin, Rhein-Ruhr und München liegt, um die Grundlage für ein optimiertes urbanes CO₂-Messnetz in Deutschland zu schaffen.

 

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

ITMS-M AP-M.13 | Datenmanagement für zukünftigen operationellen Betrieb

Dieses Arbeitspaket umfasst die Überwachung und Verbesserung der Qualität der Messdaten für das ITMS, die Verwaltung des Datenflusses, die Unterstützung damit verbundener Aktivitäten und die Überwachung von Speicherplatz und Computerressourcen. Darüber hinaus umfasst die Arbeit die Qualitätssicherung, die Versionskontrolle, die Dokumentation und die Behebung betrieblicher Probleme.

Beteiligte WissenschaftlerInnen:

 

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