institut für physik der atmosphäre institut für physik der atmosphäre climate-chemistry...

21
Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für Physik der Atmosphäre Oberpfaffenhofen

Upload: samantha-green

Post on 28-Mar-2015

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Institut für

Physik der Atmosphäre

Climate-Chemistry Interactions -User Requirements

Martin Dameris

DLR-Institut für Physik der AtmosphäreOberpfaffenhofen

Page 2: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Modelling of climate-chemistry interactions - Why?

Climate change detected (e.g. IPCC, 2001).

Changes in atmospheric composition observed (e.g. WMO, 2003).

Coupling of chemical processes in climate models.

Climate-Chemistry Models (CCMs) have been employed to examine the feedback between dynamical, physical and chemical processes.

Page 3: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Modelling of climate-chemistry interactions - Why?

The primary goals of CCMs are to

support analyses of (long-term) observations of trace gases and aerosols,

evaluate emission control measures,

determine and quantify underlying dynamical, physical and chemical processes, and their feedback,

explain recent changes (variability),

assess possible future trends.

Page 4: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Modelling of climate-chemistry interactions - scientific applications or problems

Tropospheric air quality (chemical weather).

The effect of surface pollution (including traffic), aviation and natural factors on chemical, radiative and dynamical (e.g. long-range transport) processes in the upper troposphere and stratosphere.

How do climate change impact atmospheric chemistry (composition) and vice versa?

A key science issue is to determine the timing of ozone recovery and future ultraviolet radiation at the surface.

Page 5: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Development of CCMs - general progress in recent years

about 15 years ago• first coupling of climate models

(GCMs) to simplified chemistry (e.g. Cariolle et al., 1990).

about 7 years ago• off-line climate-chemistry models (CCMs) with

complex chemistry (e.g. Steil et al., 1998);• first results regarding ozone recovery (e.g.

Dameris et al.,1998; Shindell et al., 1998).

today• interactively coupled CCMs available (e.g. Hein

et al., 2001);• investigations of feedback between dynamical,

physical, and chemical processes (e.g. Schnadt et al., 2002; Austin et al., 2003).

Page 6: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

The CCM E39/C - Description of model system

Surface, aircraft, lightning

NOx Emissions [Tg N/a]

RadiationLong-waveShort-wave

Chemical Boundary Conditions

Atmosphere: CFCs, at 10 hPa: ClX, NOy,

Surface: CH4, CO

Chemistry (CHEM)Methane oxidation

Heterogeneous Cl reactionsPSC I, II, aerosolsDry/wet deposition

Photolysis

Feedback

O 3, H

2O, C

H 4, N

2O, C

FCs

Prognostic variables (vorticity, divergence, temperature, specific humidity, log-surface pressure, cloud water),

hydrological cycle, diffusion, gravity wave drag, transport of tracers,

soil model, boundary layer;sea surface temperatures.

T30, 39 layers, top layer centred at 10 hPaDynamics (ECHAM)

Hein et al., 2001

Page 7: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Application of CCMs for process studies

Investigation of

chemical composition and climate variability (change), tropospheric and stratospheric coupling,

especially in order to determine and quantify feedback processes.

Page 8: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. MSU: temperature anomalies (1979-1990), 13-21 km, global mean

Page 9: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. NCEP analysis: zonal mean temperature (80°N, 30 hPa)

NCEP E39/C

Type I PSC

Type II PSC

Hein et al., 2001

E19/CType I PSC

Page 10: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. NCEP analysis: zonal mean wind (60°N, 30 hPa) E39/C NCEP

Hein et al., 2001

E19/C

Page 11: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. GOME: ozone columns [in DU]

Gome data provided by DLR-DFD, Dr. M. Bittner

Page 12: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. ground based and TOMS-data: climatological mean values of total ozone and “trends”

Mo

de

lO

bse

rva

tions

1990 1990 - 1980

Hein et al., 2001; Schnadt et al., 2002

La

titu

de

McPeters et al., 1996

-26

-4

-6

-24

Page 13: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. GOME: NO2 tropospheric columns (July)

E39/C (1990) GOME (1996 - 2000)

Lauer et al., 2001;

GOME-data provided by IUP, A. Richter and J. Burrows

Page 14: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. GOME: NO2 tropospheric columns, annual cycle over Africa

Lauer et al., 2001;Matthes, 2003

ECHAM4/CHEMECHAM4/CBM (G.-J. Roelofs, Utrecht)GOME

Page 15: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Comparison - E39/C vs. GOME: NO2 tropospheric columns, annual cycle over Africa and Europe

Lauer et al., 2001;Matthes, 2003

ECHAM4/CHEMECHAM4/CBM (G.-J. Roelofs, Utrecht)GOME

Page 16: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Application of CCMs for sensitivity studies

E.g., assessments of future

chemical composition, climate change, feedback processes

in the lower stratosphere, in particular with respect to ozone.

Page 17: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

E39/C - predictions

Southern / Northern Hemisphere spring time

1990

2015

adapted from Schnadt et al., 2002

Page 18: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

E39/C and others - predictions

Austin, Schnadt, Dameris, et al., 2003

SH: ozone recovery expected

to begin within the range

2001 to 2008

TOMS E39/C

NH: ozone recovery expected

to begin within the range

2004 to 2019

Page 19: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Evaluation of CCMs - user requirements

Satellite data products are required for validation of CCMs!

Global coverage (hor. resolution: 50*50 km2).

Long-term observation of spatial-temporal variability (inter-annual, seasonal, diurnal) of dynamical, physical and chemical parameters, in particular temperature, wind, cloud cover, H2O, CH4, O3, CO, OH, NOx, HNO3,N2O, aerosol microphysics.

Profiles (vert. resolution: 1 km; troposphere: at least 2-3 independent pieces of height resolved information, with one point in the boundary layer).

Temporally high-resolution sampling (troposphere: 60 min.; stratosphere: 3 hours).

Page 20: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

Evaluation of CCMs - user requirements

Geostationary platforms are required! (3-5 missions necessary to get global coverage)

Page 21: Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Climate-Chemistry Interactions - User Requirements Martin Dameris DLR-Institut für

Institut für

Physik der Atmosphäre

The End. Thank you!