[논문 리뷰] The use of satellite and ground based measurements for estimating and reducing uncertainties in the spatial distribution of emissions of nitrogen oxides

I. B. Konovalov, Matthias Beekmann외 2명|ArXiv.org|2006. 12. 14.

Atmospheric chemistry and aerosols참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2003년 6월~8월 동안 유럽, 중동 및 북아프리카 지역의 1° 해상도 격자형(NOx) 배출량의 불확실성을 줄이기 위해 SCIAMACHY 위성 NO2 열량과 EMEP 지상 기반 오존 관측치를 통합하는 새로운 역모델링 접근법을 개발한다. 일관된 프레임워크 내에서 배출량 크기와 그 불확실성을 동시에 추정함으로써, 특히 도시 및 산업 지역에서 기존 배출량에 심각한 편향이 있음을 밝혀내며, 위성 및 지상 관측치와의 모델 일치도를 향상시킨다.

ABSTRACT

We explore possibilities of improving the spatial structure of NOx emissions employed in a continental scale chemistry transport model (CTM) by using satellite measurements of nitrogen dioxide and ground-based observations of near surface ozone. In this study, we combine the tropospheric NO2 columns derived from SCIAMACHY measurements, the data from the EMEP ozone-monitoring network and the calculations performed with the CHIMERE CTM in the framework of an advanced inverse modelling scheme. All data used in the study correspond to the period of June-August 2003. The main distinctive feature of our inversion scheme is that, in contrast to more common inverse modelling approaches, the magnitudes of uncertainties in the input data are not explicitly predefined but rather estimated consistently with the a posteriori emissions as a result of the inversion. While the tropospheric NO2 columns are used for fitting the spatial distribution of the emission parameters of the model, the ozone observations are only used to estimate the averaged levels of uncertainties in a priori emissions. We use our method in order to estimate and to reduce uncertainties in the gridded (with the resolution of 1 degree) NOx emission data for Europe, Middle East and Northern Africa. It is found that the a priori emission estimates used in the standard version of CHIMERE are probably biased in several regions. On average, the uncertainties in total NOx emissions are estimated to be about 1.7 in terms of the geometric standard deviation in Europe and about 2.1 outside of Europe. The corrected emission estimates provide better agreement of the modelled results with observations for both NO2 columns and near surface concentrations of ozone.

연구 동기 및 목표

• 화학운반모델(CTM)에서 NOx 배출량의 공간 분포를 위성 및 지상 기반 관측치를 통합하여 향상시키기 위해.
• 복잡한 배출원을 가진 지역에서 사전 추정된 NOx 배출량의 불확실성을 줄이기 위해.
• 입력 데이터의 불확실성을 사전에 정의된 것이 아니라, 배출량과 함께 일관된 프레임워크 내에서 추정하는 자기일관성 있는 역모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 독립적인 NO2 및 오존 관측치를 사용하여 수정된 배출량이 모델 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 유럽, 중동 및 북아프리카 지역의 기존 표준 배출량 인벤토리에 존재하는 지역적 편향을 평가하고, 관측 제약 조건을 통해 이를 수정할 수 있는 방법을 모색하기 위해.

제안 방법

• 2003년 6월~8월 기간 동안 SCIAMACHY 위성 기구에서 확보한 대기저항성 NO2 열량 자료를 사용한다.
• EMEP 모니터링 네트워크에서 확보한 근지표 오존 관측치를 활용하여 배출 불확실성 수준을 제약한다.
• CHIMERE CTM 프레임워크 내에서 고도화된 역모델링 기법을 적용하여 사후 NOx 배출량과 그 불확실성을 동시 추정한다.
• 배출장과 일관되게 불확실성 크기를 추정하는 통계적 접근법을 사용하여 사전 정의된 오차 가정을 피한다.
• 유럽, 중동 및 북아프리카 전역에 걸쳐 1° 공간 해상도 격자에서 격자형 NOx 배출량을 설정한다.
• 모델 출력 결과를 위성 NO2 열량 및 지상 오존 측정치와 비교하여 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위성 NO2 및 지상 기반 오존 관측치가 함께 기여함으로써, CTM 내에서 NOx 배출량의 공간 구조는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ2 유럽 및 주변 지역 전역에서 사전 추정된 NOx 배출량의 불확실성은 어떻게 공간적으로 변화하는가?
• RQ3 기존 표준 NOx 배출량 인벤토리에 존재하는 지역적 편향은 무엇이며, 관측 제약 조건을 통해 이를 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ4 배출 불확실성의 자기일관성 있는 추정 방식은 기존 접근법보다 독립적인 관측치와의 일치도를 더 높이는가?
• RQ5 수정된 배출량은 모델이 관측된 NO2 및 근지표 오존 수준을 재현하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준 CHIMERE 모델 내 사전 추정 NOx 배출량은 여러 지역에서 편향되어 있으며, 특히 도시 및 산업 지역에서 두드러진다.
• 전체 NOx 배출량의 불확실성에 대한 기하평균 표준편차는 유럽 지역에서 약 1.7, 유럽 외부에서는 약 2.1로 추정된다.
• 수정된 배출장은 SCIAMACHY NO2 열량 및 EMEP 근지표 오존 관측치와의 모델 일치도를 크게 향상시킨다.
• 역모델링 프레임워크는 중동 및 북아프리카 지역에서 배출량이 과소 또는 과대 추정된 지역을 성공적으로 식별한다.
• 사전 정의된 불확실성 가정에 의존하는 것을 줄여, 더 강건하고 자료 기반의 배출 불확실성 추정 방식을 가능하게 한다.
• 결과적으로 위성 및 지상 기반 관측치를 융합함으로써 NOx 배출량 인벤토리의 공간 정밀도와 정확도가 향상됨을 입증한다.