Modelle zur Ozonverteilung in der Troposphäre

Beitrag von Dr. Johannes Bieser, Abteilung Stofftransport und Ökosystemdynamik

2010 wurde auf Betreiben der amerikanischen Umweltbehörde (EPA) und dem Forschungszentrum der Europäischen Kommission (JRC) eine internationale Vergleichsstudie für Chemietransportmodelle (CTM) ins Leben gerufen (AQMEII). CTMs sind ähnlich wie meteorologische Modelle, die zur Wettervorhersage genutzt werden. Sie enthalten jedoch zusätzlich einen umfangreichen Mechanismus, um Emissionen und chemische Reaktionen in der Atmosphäre zu berechnen.

Im Zuge der dritten AQMEII Phase wurde nun, neben einer Reihe anderer Fragestellungen, untersucht, ob die Modelle die Ozonverteilung in der Troposphäre korrekt rekonstruieren können. Dafür wurden die Ozonkonzentrationen in den untersten 20 km der Atmosphäre mit vier verschiedenen Modellsystemen berechnet, gemeinsam ausgewertet und mit Ozon-Sondenmessungen verglichen. Ein Ziel dieser Untersuchung war zu prüfen, ob die Modelle den Transport aus der Ozonschicht in ca. 18 km Höhe zur Erdoberfläche reproduzieren können. Durch die sogenannte „stratosphärische Einmischung“, die vor allem im Frühjahr vorkommt, kann die Ozonschicht kurzfristig eine signifikante Quelle für den Luftschadstoff in Bodennähe sein.

Vergleich von Messung (rot) und Modell (blau) für niedrige, mittlere und hohe Ozonkonzentrationen (links nach rechts). Jedes Panel zeigt die Ergebnisse für ein Modell.

Astitha, M., Kioutsioukis, I., Fisseha, G.A., Bianconi, R., Bieser, J., Christensen, J.H., Cooper, O.R., Galmarini, S., Hogrefe, C., Im, U., Johnson, B., Liu, P., Nopmongcol, U., Petropavlovskikh, I., Solazzo, E., Tarasick, D.W., & Yarwood, G. (2018): Seasonal ozone vertical profiles over North America using the AQMEII3 group of air quality models: model inter-comparison and stratospheric intrusions. Atmos. Chem. Phys., 18, 13925-13945, doi:10.5194/acp-18-13925-2018

Abstract:

This study evaluates simulated vertical ozone profiles produced in the framework of the third phase of the Air Quality Model Evaluation International Initiative (AQMEII3) against ozonesonde observations in North America for the year 2010. Four research groups from the United States (US) and Europe have provided modeled ozone vertical profiles to conduct this analysis. Because some of the modeling systems differ in their meteorological drivers, wind speed and temperature are also included in the analysis. In addition to the seasonal ozone profile evaluation for 2010, we also analyze chemically inert tracers designed to track the influence of lateral boundary conditions on simulated ozone profiles within the modeling domain. Finally, cases of stratospheric ozone intrusions during May–June 2010 are investigated by analyzing ozonesonde measurements and the corresponding model simulations at Intercontinental Chemical Transport Experiment Ozonesonde Network Study (IONS) experiment sites in the western United States. The evaluation of the seasonal ozone profiles reveals that, at a majority of the stations, ozone mixing ratios are underestimated in the 1–6km range. The seasonal change noted in the errors follows the one seen in the variance of ozone mixing ratios, with the majority of the models exhibiting less variability than the observations. The analysis of chemically inert tracers highlights the importance of lateral boundary conditions up to 250hPa for the lower-tropospheric ozone mixing ratios (0–2km). Finally, for the stratospheric intrusions, the models are generally able to reproduce the location and timing of most intrusions but underestimate the magnitude of the maximum mixing ratios in the 2–6km range and overestimate ozone up to the first kilometer possibly due to marine air influences that are not accurately described by the models. The choice of meteorological driver appears to be a greater predictor of model skill in this altitude range than the choice of air quality model.