Original paper

The importance of dynamics/chemistry coupling in the evaluation of aircraft emission impact studies

Dessens, Olivier; Simon, Pascal

Meteorologische Zeitschrift Vol. 11 No. 3 (2002), p. 161 - 175

published: Aug 2, 2002

DOI: 10.1127/0941-2948/2002/0011-0161

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ArtNo. ESP025011103004, Price: 29.00 €

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Abstract

The effect of future subsonic and supersonic aircraft NOx emissions on atmospheric ozone is being investigated by the REPROBUS three-dimensional chemical-transport model (CTM). The CTM requires thermodynamic forcing (wind, temperature and humidity) to calculate the transport and chemistry of the atmospheric elements. These fields are computed by the ARPEGE/climat global climate model (GCM). Two modes of integration are possible when using the two models: the off-line mode, in which the wind and temperature fields are first computed in a reference simulation of the GCM (the GCM computes the ozone field used in its radiative scheme), and the on-line mode, in which the two models are coupled during the simulations (the ozone field computed by the CTM is used by the GCM radiative scheme). This choice enables either a focus on the impact of aircraft on the chemistry (off-line mode), or the study of the global effects including chemical/dynamical feedbacks through the radiative budget (on-line mode). For the 2015-2019 period, the expected changes in the sea surface temperature, in the greenhouse gases, and in the chlorinated and brominated compound concentrations, are prescribed. In the off-line simulations, the model results show a future increase in NOx and O3 due to both super- and subsonic fleets. A maximum change in the ozone column is observed in summer over the northern hemisphere mid-latitudes, reaching +0.2% to the background conditions for the subsonic fleet and +0.5% for the supersonic one. The on-line mode simulations indicate stronger changes due to feedbacks in the temperature fields. The largest changes exceed 30 Dobson units (between 8 and 10% of the total column) in loss or gain over the polar regions, and are produced by the supersonic fleet. The significant differences found in the results given by the two modes show the importance of the on-line mode of integration for impact studies such as NOx emissions by future aircraft fleets or ozone hole recovery (ongoing). Die Auswirkung zuküftiger NOx-Emissionen durch Unter- und Überschall-Flugverkehr auf das atmosphärische Ozon wird mit dem dreidimensionalen Chemie-Transport-Modell (CTM) REPROBUS untersucht. Das CTM benötigt zur Berechnung von Transport und Chemie der atmosphärischen Spurenstoffe einen thermodynamischen Antrieb (Wind, Temperatur und Feuchte). Diese Felder werden vom globalen Klimamodell (GCM) ARPEGE/climat berechnet. Zwei Integrationsformen sind bei der Benutzung der beiden Modelle möglich: Offline, so dass die Wind- und Temperaturfelder zuerst in einer Referenzsimulation des GCM berechnet werden (das GCM berechnet das Ozonfeld, welches zur Verwendung in seinem Strahlungsschema kommt) und Online, bei dem die beiden Modelle während der Simulation gekoppelt sind (das Ozonfeld, das vom CTM berechnet wird, findet im Strahlungsschema des GCM Verwendung). Diese Wahlmöglichkeit ermöglicht es entweder, sich auf die Auswirkungen des Luftverkehrs auf die Chemie (Offline) oder die Untersuchung der globalen Effekte mit den chemisch-dynamischen Rückkopplungen im Strahlunghaushalt (Online) zu konzentrieren. Für den Zeitraum 2015-2019 sind die zu erwartenden Änderungen in der Meeresoberflächentemperatur, den Treibhausgasen sowie in den Konzentrationen der chlorierten und bromierten Verbindungen vorgeschrieben. In den Offline-Simulationen zeigen die Modellresultate ein zukünftiges Anwachsen von NOx und O3 sowohl durch die Über- als auch die Unterschall-Flotte. Die größten Veränderungen im Ozongehalt der Luftsäule werden im Sommer über den mittleren Breiten der Nordhemisphäre beobachtet. Sie erreichen +0,2% gegenüber den Hintergrund-Bedingungn für die Unterschall-Flotte und +0,5% für die Überschall-Flotte. Die Simulationen im Online-Modus zeigen stärkere Veränderungen aufgrund von Rückkopplungen in den Temperaturfeldern. Die stärksten Veränderungen übersteigen 30 Dobson Units (zwischen 8 und 10% des Gesamtozons) beim Verlust bzw. Zugewinn über den Polargebieten und entstehen durch den Überschallverkehr. Die signifikanten Unterschiede bei den Resultaten aus beiden Moden zeigen die Bedeutung des Online-Modus der Integration für (derzeitige) Impakt-Studien, wie zum Beispiel NOx-Emissionen durch zukünftige Luftverkehrsflotten oder die Erholung des Ozonlochs.