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NOCES meetingPlymouth, 2005 June 13-15
Top-down v.s. bottom-up estimates of air-sea CO2 fluxes : No winner so far …
P. Bousquet, A. Idelkadi, C. Carouge, P. Peylin, Z. Lachkar,Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (France)
and NOCES WP1 modelers
With the contributions of P. J. Rayner (LSCE), C. Rodenbeck (MPI), G. McKinley (MIT)
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Forward modeling : Impact of spatio-temporal air-sea fluxes of CO2 and O2 (WP1) on atmospheric concentrationsPenetration of marin air within Eurasian continent
Inverse modeling :Interannual air-sea flux estimates with uncertainties at a regional scale on a monthly basisComparison of inversion estimates with fluxes from WP1
Time schedule : Year 1 : - LMDZt transport model with interannual meteorology DONE Yr1Year 2 : - forward modeling using air-sea fluxes from WP1 DONE
- Comparison with atmospheric observations (AEROCARB) DONE- Set up of inversion procedure DONE Yr2
Year 3 : - Inversions using air-sea fluxes from WP1 NOT DONE- Comparison with WP1 estimates and other estimates DONE
WP2 : Atmospheric modeling of interannual variability
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CO2 Atmospheric network
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Spatial discretisation of atmospheric inversion
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LMDZt, a GCM with offline, retro-transport and zooming capabilities
• 96x72 cells : • 3.75°x2.5°---> 0.5°x0.5° (Europe)
• 19/38 hybrids vertival layers
• Direct transport nudged •on ECMWF analysis
• Back-transport capability
Jour 2 Jour 4
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Forward and inverse simulations
• Forward modeling :
• Impact of IAV of ocean CO2 flux at atm. stations around Europefor different ocean models
• Impact of IAV of transport of ocean CO2 fluxes at atm. Stations around Europe
• Inverse modeling :
• Impact of different spatio-temporal ocean flux priors on inversion results
• Comparison between inverse results to ocean models outputs at basin scale on a monthly basis
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Atmospheric Inversions
Atmosphericconcentrations
Surface fluxes
360
365
370
375
380
2001 2001.2 2001.4 2001.6 2001.8 2002
dates
CO2
(ppm)
Yearly observationsMBL & coastal sites
Monthly observationsMBL & coastal sites
Synoptic observationsAll sites (continental)
368
369
370
371
372
373
374
2001 2001.2 2001.4 2001.6 2001.8 2002
dates
CO2
(ppm)
350
360
370
380
390
400
2001 2001.2 2001.4 2001.6 2001.8 2002
dates
CO2
(ppm)
Transport model- Coarse global models
- Global high resolution models,zoomable, nested or regional models
Monthly flux estimates Large regions
Monthly flux estimatesModel resolution or Small regions
Yearly flux estimates Large regions
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Spatial structure of modelled air-sea CO2 fluxes
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COCO-NEMURO ORCA2 (MPI) ORCA2 (IPSL)
Takahashi Climatology MPI model MIT model
QuickTime™
et undécom
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gC/m2/yr -90 90
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Temporal variations of air-sea CO2 fluxes (1)
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Temporal variations of air-sea CO2 fluxes (2)
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Temporal variations of air-sea CO2 fluxes (3)
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Temporal variations of air-sea CO2 fluxes (4)
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Temporal variations of air-sea CO2 fluxes (5)
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Temporal variations of air-sea CO2 fluxes (6)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (1)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (2)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (1)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (1’)
Mc Kinley et al., 2004
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (3)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (4)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (5)
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Top-down inversions v.s. bottom-up ocean models (6)
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Top-down inversions - TRANSCOM 3 experiment (1)
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Top-down inversions - TRANSCOM 3 experiment (2)
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Top-down inversions - TRANSCOM 3 experiment (3)
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Top-down inversions - TRANSCOM 3 experiment (4)
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![Page 27: NOCES meeting Plymouth, 2005 June 13-15 Top-down v.s. bottom-up estimates of air-sea CO 2 fluxes : No winner so far … P. Bousquet, A. Idelkadi, C. Carouge,](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062808/56649d615503460f94a42771/html5/thumbnails/27.jpg)
NOCES - 13-15 June 2005, Plymouth, UK 2
In this study we analyze the variations of DIC, TA, Temperature and salinity observed along the same track, between Iceland and the Newfoundland over the period 1993-2003.
Ocean measurements
Cruise track : 1993-2003
The analysis is focus on the
open ocean region, 53°N-62°N/45°W-20°W
Iceland
Corbiere, pers. com
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And observations ? (1)
290310330350370390
1992199419961998200020022004Year
fCO2 (µatm)CO2 air MH (µatm)CO2 océan (µatm)CO2 air GV (µatm)
Figure 6 : Evolution de la fugacité dans l’eau de surf ace de l’atlantique Nord (zone 53-
60°N) déduite des mesures de DIC et TA du programme Suratlante. Sont indiquées également les fugacité dans l’air, déduites d e la base GlobalView (2003, vert) ou de s mesures de CO2 monitorées à Mace Hhead ( M.Ramonet, cf rapport FlamenCO2 groupe 2). La s aisonalité de fCO2 océanique est bien marquée (proche de l’équilibre en hiver boréal, sous-saturée au printemps). On note une tendance à l’accroissement du CO2 océanique, lié principalement à un réchauffement d’environ 2°C sur la décennie.
Mace-HeadOcéanGlobalview
North Atlantic pCO2 measurements
Metzl et al., pers. Comm.
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NOCES - 13-15 June 2005, Plymouth, UK 11
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
1993 1995 1997 1999 2001 2003
CO2 flux (mmol/m2/d)
SURATLANT CO2 flux
Inversion CO2 monthly flux
The sink is lower than observed and the model doesn’t capture the seasonal variation and the extreme event in 2003
And observations ? (2)
Corbiere, pers. com
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-10-9-8-7-6-5-4-3-2-101
1993 1994 1995 1996 1997 1998Year
CO2 flux (mmol/m2/d)
Ocean model is close to the observations for the period 1993-1997and he does capture the seasonal variability
ORCA-PISCES Flux
SURATLANT Flux
NOCES - 13-15 June 2005, Plymouth, UK 14
And observations ? (3)
Corbiere, pers. com
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And observations ? (2)
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
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Peylin et al., 2005
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And observations ? (3)
Gruber et al., 2002
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And observations ? (4)
Seasonal Sea-to-Air CO2 fluxes in the Southern Ocean
-12
0
12
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Month (2 years rep.)
Flux (mmol/m2/d)
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Flux (PgC/yr)
OISO
Clim
ORCA-P
AIMwinter source
summer sink
Metzl et al., Liège 2-6 May 2005
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Atmospheric forward modelling
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MHD
SCH
HUN
ORL
Contribution of air-sea fluxes to CO2 IAV at atmospheric stations (LMDZ model)
0.0 0.2 0.4
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Conclusions (temporary..)
• IAV of air-sea CO2 fluxes in ocean models mostly stays within ± 0.1 GtC/yr at basin scale except in the equatorial pacific (± 0.3 GtC/yr)---> counteracting effects occur at least in the North Atlantic: DIC/SST, convection/export, DIC/Alkalinity, other ??
• IAV of air-sea CO2 fluxes in inversions is larger, up to ± 0.5GtC/yr at basin scale. IAV of Pacific ocean and austral ocean only slightly dominate other ocean regions.---> Effects of the inversion algorithm & set-up (prior error structure, aggregation error,..) and of the choice and the number of atmospheric stations used (critical when including continental sites).
• Agreement in equatorial pacific and in the fact that pacific dominates IAV.
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Climate and weather
fields
Atmospheric Transport model
Atmosphericmeasurements
Towards a carbon cycle data assimilation system
optimizedFluxes
Emissionsinventories
Ecologicalmeasurements
Forest/soil inventories
Eddy Flux towers
Remote sensing of
Atm. conc
Data assimilation
link
optimizedmodel
parameters
Model of land surface fluxes
Remote sensing of Vegetation properties
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