Validación “top-down” con observaciones satelitales
Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter de la Mora Claudia Rivera Cárdenas Wolfgang Stremme Centro de Ciencias de la Atmósfera - UNAM Estudios de Calidad del Aire y su Impacto en la Región Centro de México Segunda Reunión de Expertos 23-24 de Abril 2015 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Medición de monóxido de carbono (CO) desde el espacio Instrument: IASI Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ESA Met-Op-A Lanzaniento: October 2006 Interferometro FTIR Observaci-on: Nadir Resolución: 0.5 cm-1 Rango: 645 – 2560 cm-1 FOV: 12 km aprox. Sobrevuelo CDMX: 10:19 CO algoritmo de análisis: FORLI (LATMOS-IPSL) Otros gases: O3, N2O, NH3, CH4, CO2 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM George et al. Carbon monoxide distributions from the IASI/METOP mission: evaluation with other space-borne remote sensors. Atmos. Chem. Phys., 9, 8317–8330, 2009. Distribución global de CO Averaged IASI, MOPITT (1999), AIRS (2002) and TES (2004) CO total column distributions, binned on a 1◦×1◦ grid, for August 2008. All observations are for day-time, and were cloud-filtered following the recommendation provided by each retrieval team. Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Distribución global de CO en la ZMVM Top-down estimation of the carbon monoxide emissions from the Mexico Megacity based on FTIR measurements from ground and space. W. Stremme, M. Grutter, C. Rivera, A.R. Garcia, I. Ortega, M. George, C. Clerbaux, P.-F. Coheur, D. Hurtmans, J.W. Hannigan, M.T. Coffey. Atmos. Chem. Phys., 13, 1357-1376, 2013. Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM “top-down vs. bottom-up” • Spatial extrapolation (satellite) • Temporal extrapolation -> 24 h Inventario es 37% menor que la observación Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM OMI a bordo del Aura Lanzamiento: Julio 2004 Altitud de la órbita: 705 km Espectrometro UV/vis apuntando al NADIR (270-500 nm) Mide radiación solar reflejada por la superficie/atmósfera Resolución espacial 13 x 24 km Técnica DOAS Compuestos: O3, SO2, NO2, BrO, HCHO NO2 rutas de barcos Siguiendo los pasos de TOMS y SCIAMCHY, OMI monitorea la evolución de la capa de ozono Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Bióxido de nitrógeno (NO2) proxy de la industrialización GOME-1, 1996 - 2001 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM NO2 México 2006-2011 OMI/Aura data set version 003, level 2, NO2 data product version 1.1.4.4 (Claas, 2012) clod fraction below 20% 2006 - 2011 NASA’s Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center (GESDISC) (http:// disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/data-holdings/OMI) 2 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM NO2 columna tot. Red MAX-DOAS Nitrogen dioxide DOAS measurements from ground and space: comparison of zenith scattered sunlight ground-based measurements and OMI data in Central Mexico. C. Rivera, W. Stremme and M. Grutter. Atmosfera, 26(3). 2013. Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM NDJF MAM JJASO dry and cold dry and hot wet Nitrogen dioxide DOAS measurements from ground and space: comparison of zenith scattered sunlight ground-based measurements and OMI data in Central Mexico. C. Rivera, W. Stremme and M. Grutter. Atmosfera, 26(3). 2013. Validación “top-down” con observaciones satelitales VALIDACIÓN Medición de columnas desde la superficie MAX-DOAS / FTIR Michel Grutter, CCA–UNAM Diagrama de flujo en estudios de validación usando observaciones satelitales ECAIM Distribución espacial de gases con observaciones satelitales • Variabilidad atmosférica • Ciclos • tendencias • Eventos extremos • Transporte, etc. VALIDACIÓN Entradas: meteorología emisiones, uso de suelo, etc. Modelos de calidad del aire • la evaluación de escenarios • Nuevas tecnologías • Cambios de uso de suelo • Medidas de mitigación, etc. • Pronósticos, etc Validación “top-down” con observaciones satelitales Resultados Michel Grutter, CCA–UNAM Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Mapa del promedio de las columnas totales de CO a) medidas durante el 2011 con el instrumento IASI a bordo del satélite MeTop-A para el área de estudio, b) derivadas del modelo WRF-Chem durante el 2011. Satélite Modelo ZMVM Inventario nacional 2008 12.5 x 12.5 km Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Correlación entre las columnas de CO medidas por el instrumento IASI y la salida del modelo. La línea negra con pendiente = 1 representaría una correlación perfecta. Pendiente = 1.03 ZMVM toda la corona regional Pendiente = 0.87 r2 = 0.36 Ofsset = -1.78E17 moléculas/cm2 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Mapa del promedio de las columnas totales de CO medidas durante el 2014 con el instrumento IASI a bordo del satélite MetOp-A para el área de estudio, b) Mapa del promedio de columnas totales de CO derivadas del modelo WRF-Chem durante el 2014 72.2% r2=0.50 39.6% r2=0.36 Satélite Modelo Inventario regional 2006 (refinado) 3 x 3 km 47.6% r2=0.57 36.6% r2=0.45 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Correlación entre las columnas de CO medidas por el instrumento IASI y la salida del modelo para las regiones elegidas y el área total Michel Grutter, CCA–UNAM Validación “top-down” con observaciones satelitales Resultados de la correlación para CO entre las columnas medidas por el instrumento IASI en el 2014 y la salida del modelo para las regiones elegidas y el área total Latitud [grados] Area Longitud [grados] Coef. de correlación Discrepancia sistemática r r2 constante pendiente Area completa 19.25 a 19.55 -99.25 a -98.95 0.76 0.57 6.57E+16 0.347 Ciudad de Mexico 19.25 a 19.55 -99.25 a -98.95 0.70 0.50 -7.17E+17 0.722 Puebla-Tlax-Apiz. 18.65 a 19.60 -98.69 a -97.85 0.67 0.45 4.11E+16 0.366 Toluca 19.00 a 19.65 -100.00 a -99.45 0.60 0.36 -1.70E+16 0.396 Cuernavaca 18.50 a 19.00 -99.50 a -98.75 0.57 -1.46E+17 0.476 0.76 Consistencia con estudio previo La subestimación es mayor en las periferias de la corona regional Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Mapas del promedio de las columnas totales de NO2 a) medidas durante el 2011 con el instrumento OMI a bordo del satélite Aura para el área de estudio y b) derivadas del modelo WRF-Chem durante el 2011. Inventario nacional 2008 12.5 x 12.5 km Michel Grutter, CCA–UNAM Validación “top-down” con observaciones satelitales Correlación entre las columnas medidas por el instrumento OMI y la salida del modelo toda la corona regional Pendiente = 5.4 r2 = 0.74 Offsset = -1.5E16 moléculas/cm2 Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Comparación de la distribución espacial de la columna de NO2 a) medida durante el 2014 con el instrumento OMI a bordo del satélite Aura y b) resultado del modelo WRF-Chem durante el 2014 usando emisiones del inventario del 2006. 35.7% r2=0.64 10.3% r2=0.25 Satélite Modelo Inventario regional 2006 (refinado) 3 x 3 km 7.1% r2=0.09 12.9% r2=0.16 La subestimación es mayor en las periferias de la corona regional Una validación previa del producto satelital es necesaria Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Correlación entre las columnas de NO2 medidas por el instrumento OMI y la salida del modelo para las regiones elegidas y el área total Michel Grutter, CCA–UNAM Validación “top-down” con observaciones satelitales Resultados de la correlación para NO2 entre las columnas medidas por el instrumento OMI en el 2014 y la salida del modelo para las regiones elegidas y el área total Latitud [grados] Area Longitud [grados] Coef. de correlación Discrepancia sistemática r r2 constante pendiente Area completa 19.25 a 19.55 -99.25 a -98.95 0.80 0.65 -5.60E+14 0.189 Ciudad de Mexico 19.25 a 19.55 -99.25 a -98.95 0.80 0.64 -2.05E+15 0.357 Puebla-Tlax-Apiz. 18.65 a 19.60 -98.69 a -97.85 0.39 0.16 -2.27E+14 0.129 Toluca 19.00 a 19.65 -100.00 a -99.45 0.50 0.25 -1.21E+14 0.103 Cuernavaca 18.50 a 19.00 -99.50 a -98.75 0.09 8.14E+13 0.071 0.31 La subestimación es mayor en las periferias de la corona regional Una validación previa del producto satelital es necesaria Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Conclusiones • Distribución espacial de contaminantes en la corona regional a través de observaciones satelitales • La comparación de los mapas de satélites ayudan en la validación de los modelos de calidad del aire • La medición de columnas vs. concentraciones en superficie ofrece muchas ventajas (vínculo directo con las emsiones) • Evidente subestimación de las emisiones en regiones perféricas a la ZMVM • Futuras misiones lograrán contar con mucho mayor resolución espacial Global pollution monitoring constellation (2018-2020) TEMPO (hourly) Sentinel-4 (hourly) GEMS (hourly) Sentinel-5P (once per day) Courtesy Jhoon Kim, Andreas Richter Policy-relevant science and environmental services enabled by common observations • Improved emissions, at common confidence levels, over industrialized Northern Hemisphere 8/13/14 24 Slide: Kelly Chance • Improved air quality forecasts and assimilation systems TEMPO hourly NO2 sweep 8/13/14 25 Slide: Kelly Chance Lanzamiento: Técnica: Resolución esp: Res. Temporal: Gases: 2018-2019 UV/vis spectrom. 1.65 x 4.54 km 1 h !!!! NO2, O3, HCHO SO2, AOD, UV-i PI: Kelly Chance Smithsonian AO Participación de la UNAM en el grupo científico de la misión Slide: Kelly Chance Validación “top-down” con observaciones satelitales Michel Grutter, CCA–UNAM Gracias Michel Grutter de la Mora Claudia Rivera Cárdenas Wolfgang Stremme Centro de Ciencias de la Atmósfera - UNAM Estudios de Calidad del Aire y su Impacto en la Región Centro de México Segunda Reunión de Expertos 23-24 de Abril 2015
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