Validation of an air quality numerical model and development of a post-processor filter

Abstract

The subject of this dissertation is the performance evaluation of an air quality numerical model and the development of a post-processing filter that improves model forecasts. The region of study is Southeastern Europe and emphasis will be given to Eastern Mediterranean. The purpose of the first part of this study is to examine the ability of two modelling systems to reproduce the influence of Etesian winds on near-surface ozone levels over Eastern Mediterranean. For this, the global MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate) reanalysis model IFS - MOZART (Integrated Forecast System - Model for Ozone and Related chemical Tracer) and an ensemble of regional air quality models MACC-II (MACC-Interim Implementation) are used. The evaluation is carried out for three background stations located in Malta, Cyprus and Crete for a period of five months (May - September) for years 2011-2012. The results pointed out that although both modelling systems underestimate ozone concentrations systematically, they can capture to a certain extend the impact of the Etesian on the ozone zonal distribution with the ensemble of regional models better reproducing ozone levels than global model. In the second part of this study, the performance of a high spatial and temporal resolution photochemical model, i.e., the CAMx (Comprehensive Air Quality Model with Extensions) which is coupled with the WRF (Weather Research and Forecasting) meteorological model is examined. Simulations of gaseous pollutants (O3, NO2, NO, CO, SO2) and particulate matter are compared with air quality data from 28 monitoring stations over Greece. The analysis is done for one month of every season of the year 2012 (i.e., January, April, July and October). The results suggest that model performance is satisfactory for particulate matter and gaseous pollutants for almost all stations. However, the model performance is less satisfactory for SO2. The model overestimates ozone concentrations at several stations resulting in a slight overall overestimation with the exception of July. WRF-CAMx simulations are able to reproduce ozone diurnal cycle quite well. For the other gas phase pollutants, the model shows a small underestimation of concentration levels. Statistical metrics for PM10 show a slight overestimation during January and April and an underestimation during the other two months. Similar results are calculated for PM2.5. The aim of the last study is to improve the performance of the WRF-CAMx modelling system in simulating pollution levels in Greece. For this purpose, a post-processing filter was developed in the Laboratory of Atmospheric Physics, Department of Physics, University of Patras that uses the Analog Ensemble (AnEn) methodology. The filter is applied on WRF-CAMx ozone and particulate matter simulations. AnEn searches for analogs in past forecasts to correct the present forecast. The results are promising, suggesting the successful development and implementation of the filter. The model performance is considerably improved and the corrected forecasts are closer to observations one. More specifically, there is a clear improvement in the correlation between corrected forecasts and observations.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιολόγηση της επίδοσης αριθμητικού μοντέλου ποιότητας του αέρα και η ανάπτυξη μετεπεξεργαστικού φίλτρου για τη βελτίωση της απόδοσης του. Η περιοχή μελέτης είναι η Νοτιοανατολική Ευρώπη και ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αξιολογείται η ικανότητα δύο συστημάτων μοντέλων να αναπαραγάγουν την επίδραση των Ετησιών ανέμων στα επίπεδα του επιφανειακού όζοντος στην Ανατολική Μεσόγειο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το παγκόσμιο μοντέλο MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate) Reanalysis IFS - MOZART (Integrated Forecast System - Model for Ozone and Related chemical Tracer) και το σύνολο περιφερειακών μοντέλων MACC-II (MACC-Interim Implementation). Η αξιολόγηση πραγματοποιείται για τρεις σταθμούς υποβάθρου που βρίσκονται στη Μάλτα, στην Κύπρο και την Κρήτη για μια χρονική περίοδο πέντε μηνών (Μάιος - Σεπτέμβριος) για τα έτη 2011-2012. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι παρόλο που τα δύο συστήματα μοντέλων υποεκτιμούν συστηματικά τις συγκεντρώσεις του επιφανειακού όζοντος, μπορούν να συλλάβουν ως ένα βαθμό την επίδραση των Ετησιών με το σύνολο των περιφερειακών μοντέλων να αναπαράγει καλύτερα τις τιμές του όζοντος σε σύγκριση με το παγκόσμιο μοντέλο. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης αξιολογείται η επίδοση του φωτοχημικού μοντέλου CAMx (Comprehensive Air Quality Model with Extensions) που συνδυάζεται με το μετεωρολογικό μοντέλο WRF (Weather Research και Forecasting). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται προσομοιώσεις για τα επίπεδα των O3, ΝΟ2, ΝΟ, SO2, CO και των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι προσομοιώσεις αυτές συγκρίνονται με επίγειες μετρήσεις από 28 σταθμούς παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης για την Ελλάδα. Η αποτίμηση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx αφορά σε ένα μήνα για κάθε εποχή του έτους 2012 και πιο συγκεκριμένα στους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο και Οκτώβριο. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι η επίδοση του WRF-CAMx είναι ικανοποιητική για τα αιωρούμενα σωματίδια και τους αέριους ρύπους σχεδόν για όλους τους σταθμούς. Λιγότερο καλή είναι η επίδοση του μοντέλου για το SO2. Το μοντέλο φαίνεται να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις του όζοντος σε αρκετούς σταθμούς με αποτέλεσμα μια μικρή συνολική υπερεκτίμηση με εξαίρεση τον Ιούλιο. Για τους υπόλοιπους αέριους ρύπους, το μοντέλο εμφανίζει μικρή υποεκτίμηση των επιπέδων συγκέντρωσης. Τα επίπεδα συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων PM10, εμφανίζουν μικρή υπερεκτίμηση κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου και Απριλίου και υποεκτίμηση τους άλλους δύο μήνες. Παρόμοια αποτελέσματα υπολογίζονται και για τα ΡΜ2.5. Ο στόχος της τελευταίας μελέτης είναι η βελτίωση της επίδοσης του μοντέλου WRF-CAMx στην προσομοίωση των επιπέδων ρύπανσης στην Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό αναπτύχτηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστήμιου Πατρών μετεπεξεργαστικό φίλτρο που βασίζεται στη μεθοδολογία Analog Ensemble (AnEn). Το φίλτρο εφαρμόζεται στις προσομοιώσεις του όζοντος και των αιωρούμενων σωματιδίων. Η AnEn αναζητά analogs σε προβλέψεις του παρελθόντος για να διορθώσει την παρούσα πρόβλεψη. Όπως αποδεικνύεται από την αποτίμηση της εφαρμογής του φίλτρου οι διορθωμένες προβλέψεις εμφανίζονται σημαντικά βελτιωμένες σε σχέση με τις αρχικές προβλέψεις του μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται μια σαφής βελτίωση της συσχέτισης μεταξύ των διορθωμένων προβλέψεων και των παρατηρήσεων.