[論文レビュー] 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 Beekmann+2 more|ArXiv.org|Dec 14, 2006

Atmospheric chemistry and aerosols参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2003年6月から8月にかけて、ヨーロッパ、中東、北アフリカ地域の1°解像度グリッド化（1°解像度）NOx排出量の不確実性を低減するために、SCIAMACHY衛星NO2柱およびEMEP地上観測オゾンデータを統合する、新しい逆問題モデル手法を開発した。一貫したフレームワーク内で排出量の大きさとその不確実性を同時に推定することで、特に都市部および工業地域において顕著なバイアスを示す事前の排出量推定値が明らかになり、衛星観測および地上観測とのモデル一致が向上した。

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.

研究の動機と目的

• 化学輸送モデル（CTM）におけるNOx排出量の空間的分布を、衛星および地上観測データを統合することで改善すること。
• 複雑な排出源を有する地域における、事前NOx排出推定値の不確実性を低減すること。
• 入力データの不確実性を事前に定義するのではなく、排出量とともに推定される一貫した逆問題フレームワークを構築すること。
• 独立したNO2およびオゾン観測を用いて、是正された排出量がモデル性能に与える影響を評価すること。
• ヨーロッパ、中東、北アフリカにおける現在の標準排出量インventoriesに見られる地域的バイアスを評価すること。

提案手法

• 2003年6月から8月の期間における、SCIAMACHY衛星機器からの対流圏NO2柱データを用いる。
• EMEP監視ネットワークからの近地面オゾン観測を、排出量不確実性レベルを制約するための情報として統合する。
• CHIMERE CTMフレームワーク内に高度な逆問題モデル手法を適用し、事後NOx排出量とその不確実性を同時に推定する。
• 排出量フィールドと整合的に不確実性の大きさを推定する統計的手法を採用し、事前に定義された誤差仮定を回避する。
• ヨーロッパ、中東、北アフリカ全域にわたる1°空間解像度グリッドを用いて、グリッド化NOx排出量を扱う。
• モデル出力と衛星NO2柱および地上オゾン測定値の両方を比較することで、結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衛星NO2および地上オゾン観測が、CTMにおけるNOx排出量の空間的構造をどの程度改善できるか。
• RQ2 ヨーロッパおよび周辺地域における、事前NOx排出量の不確実性は空間的にどのように変動するか。
• RQ3 現在の標準NOx排出量インベントリに見られる地域的バイアスは何か。また、観測制約を用いてそれらを是正できるか。
• RQ4 排出量不確実性を自己一貫的に推定することで、標準的手法よりも独立観測との一致が向上するか。
• RQ5 是正された排出量が、観測されたNO2および近地面オゾン濃度を再現するモデルの能力にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 標準CHIMEREモデルにおける事前NOx排出推定値は、複数の地域でバイアスを示しており、特に都市部および工業地域で顕著である。
• 総NOx排出量における不確実性の幾何平均標準偏差は、ヨーロッパでは約1.7、ヨーロッパ外では約2.1と推定された。
• 是正された排出量フィールドは、SCIAMACHY NO2柱およびEMEPの近地面オゾン観測との両方で、モデルの一致を顕著に改善した。
• 逆問題フレームワークは、中東および北アフリカ地域において、排出量が過小または過大に推定されている領域を効果的に同定した。
• 事前に定義された不確実性仮定への依存度を低減することで、より強固でデータ駆動型の排出量不確実性推定が可能になった。
• 結果から、衛星観測と地上観測を統合することで、NOx排出量インベントリの空間的忠実性および正確性が向上することが示された。