[論文レビュー] Towards a Prototype Global CO2 Emissions Monitoring System for Copernicus

Nicolas Bousserez|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ECMWFのIFSにおけるハイブリッドアンサンブル-変分データ同調システムを提案し、プロトタイプのコペルニクスCO2排出量監視サービスにおける連続的状態／パラメータ推定を可能にする。アンサンブルベースの誤差共分散と随伴モデルに基づく増分伝播を統合し、輸送ヤコビアンのアンサンブル近似を用いて4D-Varの時間窓を拡張することで、空間分解能の向上、欠落した物理過程の組み込み、CO2および共発生するトレーサー（例：CO, NO2）の長時間窓源推定が可能になる。

ABSTRACT

This document describes in detail a new hybrid ensemble-variational algorithm that generalizes existing ensemble or variational data assimilation approaches and would enable joint state/parameter estimations in ECMWF's Integrated Forecasting System (IFS). The proposed methodology is intended to serve as the basis for a prototype Copernicus CO2 emission monitoring service. The main characteristics of the system are: 1) 4D hybridization of ensemble information with full-rank statistical modeling by combining an ensemble-based increment with an adjoint-based increment propagation, allowing one to increase current spatial resolution and/or include forward model processes missing from the adjoint integration; 2) combination of tangent-linear and adjoint solvers with ensemble-based approximations of transport Jacobians to construct a long-window 4D-Var with timescales relevant to greenhouse gas source inversion. The proposed methodology is non-intrusive in the sense that the main structure of the current incremental 4D-Var algorithm remains unchanged, while the additional computational cost associated with the source inversion component is minimized.

研究の動機と目的

• グローバルからローカルまでの異種CO2排出量製品を統合する包括的でスケーラブルな手法を確立する。
• IFSにおける温室効果ガス源逆問題のための現在の12時間4D-Var窓と輸送のみを考慮する随伴モデルの限界を克服する。
• CO2および共発生するトレーサー（例：CO, NO2）の連合逆問題を可能にし、人為的排出と生物由来排出を分離・特定する。
• 既存のインクリメンタル4D-Var構造を保ちつつ、計算コストを最小限に抑えた非侵襲的アルゴリズムを設計する。
• 各国・地域の排出削減目標（NDC）を含む、政策に配慮した国家的・地域的排出量削減の監視を支援する。

提案手法

• アンサンブルベースの増分と随伴モデルに基づく増分伝播を組み合わせることで、背景誤差共分散推定を改善する4Dハイブリッド-4D-Varアルゴリズムを提案する。
• モデル誤差を変分最適化に組み込むために、物理項の確率的摂動（SPPT）を用いた4DハイブリッドB行列の一般化を導入する。
• 輸送ヤコビアンのアンサンブル近似を用いることで、12時間を超える時間窓にまで同調窓を拡張し、温室効果ガス源逆問題に向けた長時間窓4D-Varを実現する。
• 接線型モデルと随伴モデルに加え、アンサンブルベースの近似を用いて、大気中CO2輸送の時間スケールに適した長時間窓4D-Varシステムを構築する。
• 観測と事後フラックス間の誤差共分散を、事前および事後アンサンブルからの標本偏差を用いて近似することで、外部の事後排出量製品の同調を可能にする。
• 既存のインクリメンタル4D-Var構造を保ちつつ、最小限の計算コストで源逆問題機能を追加できる非侵襲的フレームワークを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバル大気化学モデルにおける連続的状態とパrameter推定を可能にするハイブリッドアンサンブル-変分システムは、どのように設計可能か？
• RQ2 IFSにおける12時間4D-Var窓を拡張することで、長期的温室効果ガス源逆問題を支えるために必要な変更は何か？
• RQ3 随伴モデルに欠落している化学反応プロセスを、計算コストを増加させることなく、増分伝播に効果的に組み込む方法は何か？
• RQ4 CO や NO2 などの共発生トレーサーは、グローバル逆問題システムにおいて、人為的CO2排出量の特定精度と特異性を向上させられるか？
• RQ5 多様なモデルおよび空間スケールから得られる事後排出量製品を、グローバルなIFSベースの逆問題システムに一貫して同調可能か？

主な発見

• 提案されたハイブリッド4D-Varシステムは、輸送ヤコビアンのアンサンブル近似を用いることで、現在のIFSの12時間窓制限を超えて、長時間窓4D-Varによる温室効果ガス源逆問題を可能にする。
• アンサンブルと随伴モデルの増分を組み合わせることで、アンサンブルベース誤差共分散の部分的4D局在化を達成し、空間分解能と誤差表現の両方を向上させる。
• 反応や高分解能輸送特徴といった化学的プロセスをアンサンブルベースの増分に組み込むことができるが、随伴モデルの統合計算コストは効率的である。
• CO2および共発生トレーサー（例：CO, NO2）の連合逆問題により、排出源の特定に追加の制約が加わり、人為的排出と生物由来排出の分離が改善される。
• 地域的またはローカルな逆問題システムから得られる外部の事後排出量製品は、事前および事後アンサンブルからの偏差の標本近似を用いて、グローバルIFSベースの逆問題システムに統合可能であり、マルチスケール統合が実現される。
• このフレームワークは非侵襲的であり、既存のインクリメンタル4D-Var構造を保ちつつ、最小限の計算オーバーヘッドで源逆問題機能を追加可能である。