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
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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.
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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
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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
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Michel Grutter, CCA–UNAM
Bióxido de nitrógeno (NO2)
proxy de la industrialización
GOME-1, 1996 - 2001
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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
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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.
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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.
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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
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Resultados
Michel Grutter, CCA–UNAM
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Michel Grutter, CCA–UNAM
Gracias
Michel Grutter de la Mora
Claudia Rivera Cárdenas
Wolfgang Stremme
Centro de Ciencias de la Atmósfera - UNAM
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