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Evaluating the CO distributions from current atmospheric chemistry models using satellite observations from MOPITT and SCIAMACHY

Cheng, Liu

German Title: Auswertung der CO-Distributionen von aktuellen Atmosphärenchemiemodellen mit Satellitenbeobachtungen aus MOPITT und SCIAMACHY

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Abstract

This thesis developed a new CO vertical column density product from near IR observations of the SCIAMACHY instrument aboard ENVISAT. To correct the effects of the ice layer on the SCIAMACHY near-IR detectors a normalization procedure based on collocated MOPITT observations over the oceans was developed. Although in this thesis only SCIAMACHY observations for effective cloud fractions below 20% are used, the remaining effects of clouds can still be large due to the higher cloud top albedo. Thus, a newly developed correction scheme is applied, which explicitly considers the cloud fraction, cloud top height and surface albedo of individual observations. The resulting SCIAMACHY CO data is well suited for the investigation of the CO distribution over the continents, where important emission sources are located. This thesis compared the new SCIAMACHY CO data set, and also observations from the MOPITT instrument, to the results from three chemistry climate models (MATCH, EMAC, and GEOS); the focus of this comparison is on regions with strong CO emissions (from biomass burning or anthropogenic sources). The comparison indicates that over most of these regions the simulated CO vertical column densities are systematically smaller than the satellite observations with the largest differences compared to the SCIAMACHY observations. Because of the high sensitivity of the SCIAMACHY observations for the lowest part of the atmosphere, this indicates that especially close to the surface the model simulations systematically underestimate the true atmospheric CO concentrations, probably caused by an underestimation of the true CO emissions by current emission inventories.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der vertikale Säulendichten von CO aus spektralen Messungen im nahen Infrarot des SCIAMACHY Satelliten-Instruments auf ENVISAT bestimmt. Effekte der Eis-Schicht auf den SCIAMACHY Detektoren wurden durch Vergleich mit MOPITT-Messungen über Ozean empirisch korrigiert. Obwohl in dieser Arbeit nur Beobachtungen mit effektiver Wolkenbedeckung unter 20% verwendet werden, können Wolkeneffekte aufgrund der hohen Wolkenalbedo immer noch groß sein. Daher wurde ein neu entwickeltes Korrekturschema angewendet, das explizit Wolkenbedeckung, Wolkenhöhe und Bodenalbedo für jede Einzelbeobachtung berücksichtigt. Die resultierenden SCIAMACHY CO Säulendichten erlauben die Untersuchung der CO-Verteilung über Kontinenten, also über den Quellregionen. Der resultierende Datensatz wurde mit Messungen des MOPITT Instruments sowie Modellergebnissen von drei globalen Chemiemodellen (MATCH, EMAC und GEOS) verglichen; der Fokus des Vergleichs liegt auf Regionen mit hohen CO Emissionen, also Gebiete mit Biomassenverbrennung oder anthropogenen Quellen. Der Vergleich ergab, dass über den meisten Regionen die modellierten CO Säulendichten systematisch niedriger als die Satellitenbeobachtungen sind, wobei die größten Differenzen im Vergleich mit SCIAMACHY auftreten. Da SCIAMACHY auch für die untere Troposphäre noch sensitiv ist, lässt dies darauf schließen, dass insbesondere nahe der Oberfläche die Modelle die wahre CO Konzentration unterschätzen, möglicherweise aufgrund zu niedriger CO Emissionen in heutigen Inventaren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 27 October 2010
Date Deposited: 06 Dec 2010 07:27
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: CO , SCIAMACHY , MOPITT , chemistry models , satellite
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