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Das MECO(n)-Modellsystem: Die Verbindung von globalem Klima und regionaler Luftqualität

Anthropogene und natürliche Emissionen diverser Spurengase wie beispielsweise Stickoxide, leicht-flüchtige Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder aber auch Partikelemissionen, beeinflussen sowohl die Luftqualität als auch das Klima. Die Spurenstoffe sind dabei nicht unbedingt direkt klimawirksam, dienen jedoch teilweise als Vorläufersubstanzen z.B. für die Bildung von troposphärischem Ozon, welches wiederum strahlungswirksam ist.

Üblicherweise werden die Klimawirkung und die Luftqualität getrennt betrachtet. Zur Untersuchung des Einflusses von Emissionen auf das Klima werden globale Klimachemie- oder Erdsystemmodelle genutzt. Da mit einem Raster von etwa 100 km die Auflösung dieser Modelle meistens zu grob für eine Untersuchung von regionalen Luftqualitätsaspekten ist, werden für die Analyse der Emissionseffekte auf die Luftqualität regionale Klimachemie- oder regionale Chemietransportmodelle genutzt, die mit Auflösungen von unter 50 km berechnet werden.

Aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeit ist es jedoch wünschenswert, die Effekte auf das Klima und die Luftqualität gemeinsam zu betrachten. Aus diesem Grund fokussieren die AerChemMIP-Simulationen im Rahmen von CMIP6 beispielsweise auf eine transiente Beschreibung von Metriken, die sowohl für die Luftqualität als auch das Klima von Interesse sind (Collins et al, 2017). Bisherige Modelle ermöglichen diese gleichzeitige Betrachtung jedoch nur eingeschränkt. Dies war eine der Motivationen für die Entwicklung des MECO(n)-Modellsystems. MECO(n) steht für „MESSy-fied ECHAM and COSMO/MESSy models nested n times“. Das System besteht aus dem globalen Klimachemiemodell EMAC, welches zur Laufzeit online mit dem regionalen Klimachemiemodell COSMO-CLM/MESSy gekoppelt wird. Das „n“ im Namen des Modells gibt dabei die Anzahl der COSMO-CLM/MESSy-Instanzen an. In MECO(3) gibt es zum Beispiel 3 COSMO-CLM/MESSy-Instanzen, wie schematisch in Abbildung 1 dargestellt.


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Abbildung 1: Schematische Darstellung eines MECO(3)-Systems mit drei Verfeinerungen über Europa mit einer Auflösung von 50 km, 12 km sowie 7 km. Exemplarisch dargestellt sind bodennahe Mischungsverhältnisse von Stickoxiden.

Die notwendigen meteorologischen und chemischen Randbedingungen für die regionalen Modellinstanzen werden jeweils zur Laufzeit von der nächst gröber aufgelösten Modellinstanz (entweder EMAC oder COSMO-CLM/MESSy) zur Verfügung gestellt. Da, ähnlich wie die verschiedenen Komponenten in einem Erdsystemmodell, alle Modellinstanzen zur gleichen Zeit laufen, erfolgt der Austausch der Randbedingungen dabei effizient über Message-Passing-Interface-(MPI)-Kommunikation. Ein Zwischenspeichern von Dateien auf der Festplatte ist nicht nötig.

MECO(n) wird vom MESSy-Konsortium entwickelt und betrieben. Die ursprüngliche Entwicklung geht auf das von der DFG finanzierte Projekt MACCHIATO (Modeling of atmospheric chemistry and transport from global to local scales) zurück. Seitdem tragen die Mitglieder des MESSy-Konsortiums in vielen weiteren Projekten zur Weiterentwicklung bei. So wird zurzeit beispielsweise im Rahmen des HGF-ESM-Projekts die Darstellung von Aerosolen im regionalen Modell optimiert.

Sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Nutzung in diversen wissenschaftlichen Projekten sind die vom DKRZ zur Verfügung gestellten Ressourcen sehr wichtig. Die Konfiguration zur Untersuchung von detaillierten Luftqualitätsaspekten in Europa verwendet zum Beispiel 40 Rechnerknoten und benötigt für die Berechnung eines Simulationsmonats ca. 11.000 Knotenstunden.
Eine große Herausforderung ist dabei vor allem der Speicherplatz: Bei der Verwendung detaillierter Troposphären- und Stratosphärenchemie, sowie zusätzlicher Diagnostiken zur Quellzuordnung bestimmter Emissionen und deren Wirkung auf Ozon werden über 200 Tracer definiert, die zur Untersuchung von Luftqualitätsaspekten mit hoher zeitlicher Auflösung (1 Stunde) gespeichert und archiviert werden müssen. Für einen Monat erhält man daraus einen Datensatz von ca. 15 Terabytes Größe. Solche Rechner-, Speicher- und Archivierungsressourcen bietet kein anderes Rechenzentrum in Deutschland.

Mit dem MECO(n)-System ist es so möglich, bestimmte Prozesse auf regionaler Skala detailliert zu untersuchen. Ein Hauptfokus liegt dabei auf den chemischen Prozessen und den damit verbundenen Luftqualitätsaspekten. Wichtig ist diese regionale Darstellung insbesondere für nichtlineare Prozesse, bei denen die Ergebnisse eines globalen Modells nicht linear auf die regionale Skala extrapoliert werden können. Als Beispiel zeigt Abbildung 2 bodennahe Mischungsverhältnisse für Stickoxide und Ozon über Europa im globalen Modell (etwa 300 km Auflösung), sowie im regionalen Modell (7 km Auflösung). Das regionale Modell dient dabei nicht nur zur Untersuchung von Luftqualitätsaspekten, sondern ermöglicht auch detaillierte Vergleiche mit Beobachtungsdaten, auf Basis dessen Modellfehler gefunden und korrigiert werden können. Dies hilft wiederum auch bei der Verbesserung des globalen Modells, was wiederum verlässlichere Klimaprojektionen ermöglicht.

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Abbildung 2: Simulierte bodennahe Mischungsverhältnisse von Stickoxiden (NOx) und Ozon über Europa. Dargestellt sind die Simulationsergebnisse des globalen Modells (links), sowie des regionalen Modells (rechts).


Konkret wird das Modellsystem MECO(n) am DKRZ zurzeit für folgende Projekte verwendet:

  • Zur Untersuchung des Einflusses von Unsicherheiten in den Emissionskatastern des Verkehrs auf das Ozonbudget in Europa. Hierfür werden die Emissionskataster für den Landverkehr in verschiedenen Simulationen systematisch variiert und die Auswirkungen dieser Variationen auf simulierte Ozon- und Stickoxidmischungsverhältnisse untersucht.  
  • Im Rahmen des BMBF finanzierten AIRSPACE (Aircraft Remote Sensing of Greenhouse Gaseswith combined Passive and Active instruments)-Projekts wurde zudem ein Vorhersagesystem auf Basis von MECO(n) entwickelt, welches bereits erfolgreich zur Planung von Flugmesskampagnen eingesetzt wurde.
  • Neben den Vorhersagen für Kampagnen werden auch vergangene Kampagnenzeiträume simuliert, z.B. die im Juli 2017 durchgeführte EMeRGe-Europa-Kampagne. Die Diagnostiken des Modells helfen dabei die gemessenen Konzentrationen den verschiedenen Emissionsquellen zuzuordnen. Abbildung 3 zeigt beispielhaft die simulierten Beiträge von Landverkehr sowie dem Schiffsverkehr zu bodennahen Mischungsverhältnissen von reaktiven Stickstoffen (NOx). Diese Beiträge können auch entlang der Flugzeugtrajektorien analysiert werden (Abbildung 4). Dies hilft gemessene Mischungsverhältnisse zu interpretieren, sowie das Model zu evaluieren.
  • Ebenfalls simuliert wird der Zeitraum einer Kampagne, die im Rahmen des vom BMBF finanzierten Projektes Urban Climate under Change (UC)² durchgeführt wurde. Mithilfe der lokalen Messungen werden hierbei die im Modell verwendeten Emissionskataster für CO2 und CH4 verbessert.

 

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Abbildung 3: Simulierte bodennahe Mischungsverhältnisse von Landverkehrsemissionen (links) und Schiffsemissionen (rechts) zu bodennahen reaktiven Stickoxiden.

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Abbildung 4: Simulierte Mischungsverhältnisse von reaktivem Stickstoff entlang des Flugwegs des Forschungsflugzeugs HALO während eines Messflugs im Rahmen der EMeRGe-Europa-Kampagne.

 

Zukünftig ist es außerdem geplant, ausgewählte Zeiträume der CMIP6-Simulationen mit MECO(n) zu simulieren, um hier neben dem Klimaaspekt, der auf der globalen Skala untersucht wird, auch projizierte Entwicklungen der Luftqualität analysieren zu können.

Das MESSy-Konsortium:

Betrieben und entwickelt wird MECO(n) vom MESSy-Konsortium bestehend aus 19 internationalen Partnern. Alle Partner und weitere Informationen unter: messy-interface.org

Kontakt:

 

Publikationen zu MECO(n) und den Ozondiagnostiken:

Kerkweg, A. and Jöckel, P.: The 1-way on-line coupled atmospheric chemistry model system MECO(n) – Part 1: Description of the limited-area atmospheric chemistry model COSMO/MESSy, Geosci. Model Dev., 5, 87–110, https://doi.org/10.5194/gmd-5-87-2012, 2012.

Kerkweg, A. and Jöckel, P.: The 1-way on-line coupled atmospheric chemistry model system MECO(n) – Part 2: On-line coupling with the Multi-Model-Driver (MMD), Geosci. Model Dev., 5, 111–128, https://doi.org/10.5194/gmd-5-111-2012, 2012.

Hofmann, C., Kerkweg, A., Wernli, H., and Jöckel, P.: The 1-way on-line coupled atmospheric chemistry model system MECO(n) – Part 3: Meteorological evaluation of the on-line coupled system, Geosci. Model Dev., 5, 129–147, https://doi.org/10.5194/gmd-5-129-2012, 2012.

Mertens, M., Kerkweg, A., Jöckel, P., Tost, H., and Hofmann, C.: The 1-way on-line coupled model system MECO(n) – Part 4: Chemical evaluation (based on MESSy v2.52), Geosci. Model Dev., 9, 3545–3567, https://doi.org/10.5194/gmd-9-3545-2016, 2016.

Kerkweg, A., Hofmann, C., Jöckel, P., Mertens, M., and Pante, G.: The on-line coupled atmospheric chemistry model system MECO(n) – Part 5: Expanding the Multi-Model-Driver (MMD v2.0) for 2-way data exchange including data interpolation via GRID (v1.0), Geosci. Model Dev., 11, 1059–1076, https://doi.org/10.5194/gmd-11-1059-2018, 2018.

Rieger, V. S., Mertens, M., and Grewe, V.: An advanced method of contributing emissions to short-lived chemical species (OH and HO2): the TAGGING 1.1 submodel based on the Modular Earth Submodel System (MESSy 2.53), Geosci. Model Dev., 11, 2049–2066, https://doi.org/10.5194/gmd-11-2049-2018, 2018.

Grewe, V., Tsati, E., Mertens, M., Frömming, C., and Jöckel, P.: Contribution of emissions to concentrations: the TAGGING 1.0 submodel based on the Modular Earth Submodel System (MESSy 2.52), Geosci. Model Dev., 10, 2615–2633, https://doi.org/10.5194/gmd-10-2615-2017, 2017.

Literatur:

Collins, W. J., Lamarque, J.-F., Schulz, M., Boucher, O., Eyring, V., Hegglin, M. I., Maycock, A., Myhre, G., Prather, M., Shindell, D., and Smith, S. J.: AerChemMIP: quantifying the effects of chemistry and aerosols in CMIP6, Geosci. Model Dev., 10, 585–607, https://doi.org/10.5194/gmd-10-585-2017, 2017.


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