[논문 리뷰] Towards a Prototype Global CO2 Emissions Monitoring System for Copernicus

Nicolas Bousserez|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 25.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ECMWF의 IFS에 대한 하이브리드 앙상블-변분 자료 융합 시스템을 제안하여 프로토타입 Copernicus 이산화탄소 배출 모니터링 서비스에서 상태/매개변수 동시 추정을 가능하게 한다. 앙상블 기반 오차 공분산과 애드조인트 기반 증분 전파를 통합하고, 운반 잭오비안의 앙상블 근사치를 사용해 4D-Var 윈도우를 연장함으로써, 이 방법은 공간 해상도를 향상시키고 누락된 물리 과정을 포함하며, 이산화탄소 및 함께 배출되는 트레이서(예: 일氧化탄소, 질소산화물)에 대한 장기간 윈도우 기반 원천 역산을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이질적인 이산화탄소 배출 제품(전 세계에서 국지적 수준까지)을 통합하여 통합된 글로벌 역산 시스템에 통합할 수 있는 강력하고 확장 가능한 방법론을 개발한다.
• 대기 온실가스 원천 역산을 위한 IFS의 현재 12시간 4D-Var 윈도우와 운반 전용 애드조인트 모델의 한계를 해결한다.
• 이산화탄소 및 함께 배출되는 트레이서(예: 일산화탄소, 질소산화물)의 동시 역산을 가능하게 하여 원천 기여도 분석을 향상시키고 인위적 배출와 생물학적 배출를 구분한다.
• 기존의 증분 4D-Var 아키텍처를 유지하면서 최소한의 계산 비용으로 원천 역산 기능을 추가할 수 있도록 비침습적 알고리즘을 설계하여 계산 오버헤드를 최소화한다.
• 국가 및 지역 수준의 배출 감소, 특히 국가가 결정한 기여도(NDC)와 관련된 정책적 모니터링을 지원한다.

제안 방법

• 앙상블 기반 증분과 애드조인트 기반 증분 전파를 조합하여 배경 오차 공분산 추정을 향상시키는 4D 하이브리드-4D-Var 알고리즘을 제안한다.
• 모델 오차를 변분 최적화 과정에 반영하기 위해 물리 경향의 스토케스틱 펌프팅 편향(SPPT)을 사용한 4D 하이브리드 B 행렬의 일반화를 도입한다.
• 운반 잭오비안의 앙상블 근사치를 활용하여 자료 융합 윈도우를 12시간을 초과해 연장함으로써, 온실가스 원천 역산을 위한 장기간 4D-Var를 가능하게 한다.
• 접선형 및 애드조인트 모델을 앙상블 기반 근사치와 함께 사용하여 대기 이산화탄소 운반의 시간스케일에 적합한 장기간 윈도우 4D-Var 시스템을 구성한다.
• 관측치와 후행 유속 간 오차 공분산을 사전 및 후행 앙상블의 표본 편차를 사용해 근사함으로써, 외부 후행 배출 제품의 자료 융합을 가능하게 한다.
• 기존 증분 4D-Var 아키텍처의 핵심 구조를 유지하면서 최소한의 계산 비용으로 원천 역산 기능을 추가하는 비침습적 프레임워크를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글로벌 대기화학 모델에서 상태 및 매개변수 동시 추정을 가능하게 하기 위해 하이브리드 앙상블-변분 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 IFS의 12시간 4D-Var 윈도우를 어떻게 수정하여 장기적 온실가스 원천 역산을 지원할 수 있는가?
• RQ3 애드조인트 모델에 누락된 화학 반응 과정을 계산 비용 증가 없이 증분 전파 과정에 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ4 일산화탄소 및 질소산화물과 같은 공-emitted 트레이서는 글로벌 역산 시스템에서 인위적 이산화탄소 배출 기여도의 정확성과 특이성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 다양한 모델과 공간 해상도에서 유도된 후행 배출 제품을 어떻게 일관되게 글로벌 IFS 기반 역산 시스템에 융합할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 4D-Var 시스템은 운반 잭오비안의 앙상블 근사치를 사용하여 12시간 윈도우 제한을 극복하고, 온실가스 원천 역산을 위한 장기간 4D-Var를 가능하게 한다.
• 앙상블 기반 오차 공분산의 부분적 4D 로컬라이제이션은 앙상블 및 애드조인트 기반 증분의 조합을 통해 달성되며, 이는 공간 해상도 향상과 오차 표현 개선을 가능하게 한다.
• 반응과 고해상도 운반 특성과 같은 화학 과정은 앙상블 기반 증분에 포함시킬 수 있으나, 애드조인트 모델 통합의 계산 비용은 효율적으로 유지된다.
• 이산화탄소 및 함께 배출되는 트레이서(예: 일산화탄소, 질소산화물)의 동시 역산은 원천 기여도에 추가적인 제약 조건을 제공하여 인위적 및 생물학적 이산화탄소 유속의 분리 정확도를 향상시킨다.
• 지역 또는 국지적 역산 시스템에서 유도된 외부 후행 배출 제품은 사전 및 후행 편차의 표본 기반 근사치를 사용하여 글로벌 IFS 기반 역산 시스템에 일관되게 융합될 수 있으며, 다중 스케일 융합이 가능하다.
• 이 프레임워크는 비침습적이며, 기존 증분 4D-Var 아키텍처를 유지하면서 최소한의 계산 오버헤드로 원천 역산 기능을 추가한다.