Simulating short lived carbonaceous compounds with an atmospheric chemistry general circulation model [Elektronische Ressource] / Andrea Pozzer

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• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: English
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Extrait

Simulatingshortlived
carbonaceouscompounds
withanatmosphericchemistry
generalcirculationmodel
Dissertation
zurErlangungdesGrades,
“DoktorderNaturwissenschaften”
amFachbereichPhysikder
JohannesGutenberg Universitat
inMainz
AndreaPozzer
geb. inVerona
Mainz,2007Abstract
A newly developed atmospheric chemistry general circulation model (ECHAM5/MESSy1) has been used
to study the chemistry and transport of ozone precursors, with particular focus on non methane hydrocar-
bonsandoxidationproducts. Forthispurposethemodelhasbeenextensivelyevaluatedusingobservations
from different data sources. This analysis indicates that the model realistically predicts the distribution
of ozone, both the abundance and the seasonal cycle. At the tropopause the model accurately simulates
stratosphere troposphere exchange without prescribed fluxes or concentrations. The model simulates the
ozone related precursors with different degrees of correlation with observations. While alkanes are well
reproduced, some discrepancies are present for alkenes. For oxygenated compounds, the model accu
rately reproduces formaldehyde (HCHO), while the correlation between observations and model results
for methanol (CH OH) and acetone (CH COCH ) are much lower. To increase the ability of the model3 3 3
ECHAM5/MESSy1 to simulate oxygenated compounds, some sensitivity studies have been conducted.
These species are influenced by oceanic emission/deposition, and the gas exchange of these gases is as
sociated with relative large uncertainties. To improve the simulation results of ECHAM5/MESSy1 , the
new submodel AIRSEA has been developed within the MESSy framework. This submodel takes into
account ocean atmosphere gas exchange including oxygenated organic compounds. AIRSEA, which re
quires knowledge of the liquid phase concentration of the gases in the ocean near the surface, has been
extensively tested. The application of the new submodel improves somewhat the representation of acetone
and methanol, although the use of a prescribed liquid phase concentration largely limits the success of this
approach due to the lack of observations. This work revealed new insights about organic compounds. It
highlights the importance of the coupling between the ocean and the atmosphere for the budgets of many
gases.
iiiZusammenfassung
Ein neu entwickeltes globales Atmosphärenchemie und Zirkulationsmodell ( ECHAM5/MESSy1) wurde
verwendetumdieChemieunddenTransportvonOzonvorläufersubstanzenzuuntersuchen,mitdemSchw
erpunktaufNichtmethankohlenwasserstoffen. ZudiesemZweckwurdedasModelldurchdenVergleichder
Ergebnisse mit Messungen verschiedenen Ursprungs umfangreich evaluiert. Die Analyse zeigt, daß das
Modell die Verteilung von Ozon realistisch vorhersagt, und zwar sowohl die Menge als auch den Jahres
gang. An der Tropopause gibt das Modell den Austausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre ohne
vorgeschriebene Flüsse oder Konzentrationen richtig wieder. Das Modell simuliert die Ozonvorläufersub
stanzen mit verschiedener Qualität im Vergleich zu den Messungen. Obwohl die Alkane vom Modell gut
wiedergebenwerden,ergibtsicheinigeAbweichungenfürdieAlkene. VondenoxidiertenSubstanzenwird
Formaldehyd (HCHO) richtig wiedergegeben, während die Korrelationen zwischen Beobachtungen und
Modellergebnissen für Methanol (CH OH) und Aceton (CH COCH ) weitaus schlechter ausfallen. Um3 3 3
die Qualität des Modells im Bezug auf oxidierte Substanzen zu verbessern, wurden einige Sensitivitätsstu
dien durchgeführt. Diese Substanzen werden durch Emissionen/Deposition von/in den Ozean beeinflußt,
und die Kenntnis über den Gasaustausch mit dem Ozean ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Um die
ErgebnissedesModellsECHAM5/MESSy1 zuverbessernwurdedasneueSubmodellAIRSEAentwickelt
undindieMESSy Strukturintegriert. DiesesSubmodellberücksichtigtdenGasaustauschzwischenOzean
undAtmosphäreeinschließlichderoxidiertenSubstanzen. AIRSEA,welchesInformationenüberdieFlüs
sigphasenkonzentrationdesGasesimOberflächenwasserdesOzeansbenötigtwurdeausgiebiggetestet. Die
AnwendungdesneuenSubmodellsverbessertgeringfügigdieModellergebnissefürAcetonundMethanol,
obwohldieVerwendungeinervorgeschriebenenFlüssigphasenkonzentrationstarkdenErfolgderMethode
einschränkt,daMeßergebnissenichtinausreichendemMaßezuVerfügungstehen. DieseArbeitvermittelt
neue Einsichten über organische Substanzen. Sie stellt die Wichtigkeit der Kopplung zwischen Ozean und
AtmosphärefürdieBudgetsvielerGaseheraus.
iiiivContents
1 Introduction 1
1.1 Troposphericchemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Ozoneandradicalsinthetroposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 COoxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Organiccompoundsinatmosphericchemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 CH oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.2.2 TheoxidationofNonMethaneHydroCarbons(NMHC) . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 OxygenatedVOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Descriptionandevaluationofthemodel 9
2.1 TheECHAM5/MESSymodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 ECHAM5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 MESSy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Evaluationofthemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Ozone(O ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
2.3.2 Aircraftandstationmeasurements: generaloverview . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.3 Carbonmonoxide(CO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.4 NonMethaneHydrocarbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 TheAIRSEAsubmodel 51
3.1 TheoryandimplementationintheMESSySystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.1 Thetwolayermodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.2 Solubilityeffectonthetransfervelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3 Waterphasetransfervelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.4 Gasphasetransfervelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 EvaluationoftheAIRSEAsubmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Dimethylsulfide(DMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2 ISOPRENE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3 Carbondioxide(CO ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
vvi CONTENTS
3.3 Conclusionsandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4 LagrangianrepresentationinMESSy 73
4.1 ECHAM5/MESSyinLagrangianrepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 DRYDEPinLagrangianrepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 MECCAin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Conclusionsandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 ImprovementsoftheVOCrepresentation 81
5.1 Sensitivitystudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.1 Updatesofthemodelsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.2 Importanceofdrydeposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.3 TheAIRSEAsubmodelandtheOVOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 ConclusionsandOutlook 103
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A Statisticaltools 107
A.1 Basicstatistic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.2 Taylordiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A.2.1 Weightingfactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
B Meccareactiontables 111
C ConstantsusedintheAIRSEAsubmodel 125Chapter1
Introduction
Ozonehasgenerallybeenrecognisedforitsimportanceinatmosphericchemistry. Itisessentialforprotect
ing the Earth from high energetic solar rays (UV c with a wavelength of ≈ 200 280 nm, thanks to the the
“ozone layer”, and preventing our planet to become inhabitable (Diffey, 1991; van der Leun and de Gruijl,
2002). On the other hand, ozone itself is a toxic gas which can have detrimental effects on humans and
crops(Lippmann,1989;McKee,1993;Longstrethetal.,1995). Hencemonitoringthelevelofozoneinthe
troposphe