Improving the Understanding of Emissions Gregory Frost - - PowerPoint PPT Presentation
Improving the Understanding of Emissions Gregory Frost NOAA/Earth System Research Laboratory University of Colorado/CIRES Boulder, Colorado Co-Chair, Global
NOAA/Earth ¡System ¡Research ¡Laboratory ¡ ¡ University ¡of ¡Colorado/CIRES ¡ Boulder, ¡Colorado ¡ Co-‑Chair, ¡Global ¡Emissions ¡IniCACve ¡ Gregory.J.Frost@noaa.gov ¡ Gregory.Frost@colorado.edu ¡
Thanks ¡to ¡Claire ¡Granier, ¡PauleKe ¡Middleton, ¡Leonor ¡Tarrasón, ¡ Jean-‑François ¡Lamarque, ¡Steven ¡Smith, ¡Terry ¡Kea6ng, ¡ ¡ David ¡Fahey, ¡Megan ¡Melamed, ¡David ¡Parrish, ¡Owen ¡Cooper, ¡ Jennifer ¡Logan, ¡David ¡Stevenson, ¡Paul ¡Young, ¡Cathy ¡Liousse, ¡ Qiang ¡Zhang, ¡Jeff ¡Peischl, ¡Si-‑Wan ¡Kim, ¡Jerome ¡Brioude, ¡ ¡ Ilana ¡Pollack, ¡Carsten ¡Warneke, ¡Gabrielle ¡Pétron, ¡Anna ¡Karion, ¡ and ¡many ¡other ¡colleagues ¡who ¡carried ¡out ¡the ¡research ¡and ¡ contributed ¡to ¡this ¡presenta6on. ¡
Figure: ¡A.R. ¡Ravishankara ¡
Societal ¡development ¡and ¡scien6fic ¡ innova6on ¡result ¡in ¡new ¡challenges ¡ in ¡emissions ¡understanding. ¡
Stakeholders ¡and ¡decision-‑makers ¡have ¡ common ¡requirements ¡for ¡emissions ¡ informa6on, ¡but ¡challenges ¡with ¡ emissions ¡informa6on ¡persist. ¡
Accurate ¡emissions ¡ informa6on ¡is ¡needed ¡ for ¡many ¡purposes. ¡
This ¡is ¡the ¡Century ¡
David ¡Fahey ¡
compliance ¡
Ac6ons ¡and ¡ decisions ¡about ¡the ¡ atmosphere ¡focus ¡
Figure ¡courtesy ¡of ¡A.R. ¡Ravishankara ¡
Emissions ¡informa?on ¡addresses ¡mul?ple ¡mandates ¡& ¡serves ¡many ¡uses ¡ Scien?fic ¡research ¡one ¡of ¡many ¡consumers ¡of ¡emissions ¡informa?on ¡ ¡
Research ¡ Forecas6ng ¡& ¡analysis ¡ Air ¡quality ¡ Long-‑range ¡transport ¡ Climate ¡change ¡ Regula?on ¡ Atmospheric ¡modeling ¡ Human ¡exposure ¡ Permi]ng ¡& ¡compliance ¡ Standards ¡aKainment ¡ Public ¡repor6ng ¡ Economics ¡ Emissions ¡trading ¡ Control ¡implementa6on ¡ Diplomacy ¡ Pollu6on ¡conven6ons ¡ Data ¡sharing ¡ Mul6na6onal ¡agreements ¡ Assessments ¡ ¡
Emissions ¡factor ¡= ¡mass ¡of ¡ compound ¡X ¡emiKed ¡by ¡ source ¡S ¡per ¡unit ¡ac6vity ¡ Ac?vity ¡of ¡source ¡S, ¡ e.g., ¡amount ¡of ¡fuel ¡ burned ¡ Effec?veness ¡of ¡control ¡ measures ¡for ¡compound ¡ X ¡at ¡source ¡S ¡ Sum ¡up ¡all ¡ sources ¡S ¡ Total ¡mass ¡of ¡ compound ¡X ¡ emiKed ¡
Calculated ¡for… ¡ Specific ¡region ¡ Specific ¡6me ¡ Also ¡need… ¡ Spa6al ¡alloca6on ¡ Temporal ¡varia6on ¡ Specia6on ¡
Example: ¡On-‑road ¡motor ¡vehicles ¡
Vehicle ¡ fleet ¡ Road ¡ type ¡ Emissions ¡ source ¡ Fuel ¡ type ¡ Control ¡ technology ¡ Distance ¡ driven ¡ Fuel ¡ economy ¡ Vehicle ¡ condiCon ¡ Vehicle ¡ load ¡
Parrish ¡et ¡al. ¡(2012) ¡ Cooper ¡et ¡al. ¡(2012) ¡
Zugspitze, ¡Jungfraujoch, ¡ Sonnblick ¡ Western ¡US ¡ Eastern ¡US ¡
Do ¡observed ¡changes ¡in ¡atmospheric ¡composi6on ¡result ¡from ¡emissions ¡changes? ¡
Logan ¡et ¡al. ¡ (2012) ¡
Young ¡et ¡al. ¡(2013) ¡ Troposphere ¡ozone ¡column ¡difference ¡ ¡
1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 Year 200 400 600 800 O3 RF / mWm-2
RCP8.5 RCP2.6 RCP6.0 RCP4.5
Stevenson ¡et ¡al. ¡ (2013) ¡ Ozone ¡radia?ve ¡forcing ¡ ¡ ACCMIP ¡8-‑model ¡mean ¡
distribu6ons ¡ ¡
por6on ¡of ¡uncertainty ¡in ¡modeled ¡ composi6on ¡and ¡climate ¡forcing ¡
Parrish ¡et ¡al., ¡ in ¡review ¡ Normalized ¡surface ¡
By ¡2020, ¡GEIA ¡will ¡be ¡a ¡key ¡forum ¡for ¡emissions ¡knowledge ¡that ¡serves ¡ stakeholders ¡and ¡decision-‑makers ¡in ¡a ¡rapidly ¡evolving ¡global ¡society. ¡
GEIA ¡ Network ¡& ¡ Web ¡Portal ¡
Emissions ¡& ¡ Ancillary ¡Data ¡ Projects ¡& ¡ Collabora6ons ¡ Science ¡-‑Policy ¡ Links ¡ Data ¡Sharing ¡ New ¡Emissions ¡ Challenges ¡ Process ¡ Understanding ¡ Informa6on ¡ about ¡Emissions ¡ Capacity ¡ Building ¡ Outreach ¡
Analysis ¡ Access ¡ ¡ Community ¡ ¡
Strengthening ¡the ¡community ¡of ¡ emissions ¡stakeholder ¡groups ¡ Building ¡the ¡ scienCfic ¡ basis ¡for ¡ emissions ¡ data ¡by ¡ enhancing ¡ analysis ¡of ¡ emissions ¡ processes ¡ PromoCng ¡ broad ¡and ¡ consistent ¡ access ¡to ¡ emissions ¡ informaCon ¡ hKp://www.geiacenter.org/ ¡
GEIA ¡Leadership ¡Team ¡
Co-‑Chairs: ¡Gregory ¡Frost, ¡Leonor ¡Tarrasón ¡ Database ¡Manager: ¡Claire ¡Granier ¡ Network ¡Manager: ¡PauleKe ¡Middleton ¡
GEIA ¡Network ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 1500 ¡contacts ¡worldwide ¡
Na6ons ¡with ¡ GEIA ¡member(s) ¡ SSC ¡member(s) ¡
GEIA ¡Scien?fic ¡Steering ¡CommiKee ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
Gregory ¡Frost ¡ Leonor ¡Tarrasón ¡ Alexander ¡Baklanov ¡ Beatriz ¡Cardenas ¡ Hugo ¡Denier ¡van ¡der ¡Gon ¡ Claire ¡Granier ¡ ¡ Alex ¡Guenther ¡ ¡ Greet ¡Janssens-‑Maenhout ¡ Johannes ¡Kaiser ¡ Terry ¡Kea6ng ¡ Zbigniew ¡Klimont ¡ Jean-‑François ¡Lamarque ¡ Catherine ¡Liousse ¡ PauleKe ¡Middleton ¡ Toshimasa ¡Ohara ¡ Mar6n ¡Schultz ¡ Ute ¡Skiba ¡ John ¡van ¡Aardenne ¡ Yuxuan ¡Wang ¡
Interna?onal ¡Scien?fic ¡Connec?ons ¡
hKp://www.geiacenter.org/ ¡
Guiding ¡programs ¡
Original ¡goal ¡
sources: ¡“GEIA ¡inventory” ¡ Evolving ¡goals ¡
Chairs ¡
hKp://www.geiacenter.org/ ¡
GEIA ¡ Network ¡ & ¡Web ¡ Portal ¡
Emissions ¡& ¡ Ancillary ¡Data ¡ Projects ¡& ¡ Collabora6ons ¡ Science ¡-‑ Policy ¡Links ¡ Data ¡Sharing ¡ New ¡ Emissions ¡ Challenges ¡ Process ¡ Understanding ¡ Informa6on ¡ about ¡ Emissions ¡ Capacity ¡ Building ¡ Outreach ¡
Analysis ¡ Access ¡ ¡ Community ¡ ¡
GEIA’s ¡emissions ¡database ¡and ¡visualizaCon/analysis ¡plaborm ¡ Global ¡ Inventories ¡ Regional ¡ Inventories ¡ Ancillary ¡ Datasets ¡ hKp://pole-‑ether.fr/eccad ¡ ¡
Temporal ¡varia6on ¡of ¡na6onal ¡emissions ¡ Total ¡emiKed ¡for ¡different ¡regions ¡ Ancillary ¡data ¡
Currently ¡under ¡development: ¡maps ¡of ¡comparison ¡calculaCons, ¡scaRer ¡plots ¡ Visualiza6on ¡of ¡emissions ¡maps ¡ Limita?ons ¡of ¡ECCAD-‑1: ¡resolu6on, ¡download ¡system, ¡data ¡selec6on ¡
hKp://pole-‑ether.fr/eccad ¡ ¡
Thanks ¡to ¡US ¡EPA! ¡ ¡ hKp://eccad2.sedoo.fr/interface/ ¡ ¡
datasets ¡to ¡be ¡added ¡soon ¡
HTAPv2 ¡2008 ¡total ¡NOx ¡emissions ¡ HTAPv2 ¡2008 ¡total ¡ NOx ¡emissions ¡
East ¡Asian ¡ Emissions ¡ Assessment ¡
Conference ¡Objec?ve ¡ Explore ¡role ¡of ¡emissions ¡as ¡crucial ¡link ¡between ¡scien6fic ¡ innova6on ¡and ¡societal ¡development ¡ ¡ Intended ¡Audience ¡
Boulder ¡FlaCrons ¡ Conference ¡LocaCon: ¡NCAR ¡Center ¡Green ¡
Na=onal ¡Center ¡for ¡ Atmospheric ¡Research ¡ Boulder, ¡Colorado, ¡USA ¡
Update ¡of ¡Granier ¡et ¡al. ¡including ¡recent ¡inventories ¡(in ¡preparaCon) ¡
450$ 500$ 550$ 600$ 650$ 700$ 750$ 800$ 850$
M A C C i t y $ R C P 8 . 5 $ R C P 6 $ R C P 4 . 5 $ R C P 2 . 6 $ E D G A R 5 H T A P 2 $ P E G A S O S _ P B L $ P E G A S O S _ M F R $ E C L I P S E _ C L E $ CO$Total$global$emissions$(Tg$CO/yr)$
Total$
2010 ¡global ¡anthropogenic ¡CO ¡emissions ¡ ACCMIP ¡inventory ¡development ¡ Lamarque ¡et ¡al. ¡ (2010) ¡ Granier ¡et ¡al. ¡(2011) ¡ China ¡anthropogenic ¡CO ¡emissions ¡
Aircrad ¡plume ¡ sampling ¡ CorrelaCon ¡plot ¡ slope ¡fit ¡
Parish ¡PP ¡ 2000 ¡ 2006 ¡
Aircrad ¡data ¡before ¡ & ¡ader ¡NOx ¡controls ¡
Mon6cello ¡power ¡plant ¡(TX), ¡9/16/06 ¡
CEMS ¡-‑ ¡aircrad ¡comparison ¡ Peischl ¡et ¡al. ¡(2010) ¡
Aircra} ¡sampling ¡quan6fies ¡atmospheric ¡ NOx ¡declines ¡downwind ¡of ¡power ¡plants ¡ Confirma6on ¡of ¡in-‑stack ¡monitoring ¡(CEMS) ¡
Kim ¡et ¡al. ¡(2006) ¡
¡ ¡Ohio ¡River ¡Valley: ¡Satellite ¡ ¡ ¡Ohio ¡River ¡Valley: ¡Inventory ¡ ¡ ¡Northeast ¡US: ¡Satellite ¡ ¡ ¡Northeast ¡US: ¡Inventory ¡ SCIAMACHY ¡tropospheric ¡NO2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ver=cal ¡columns, ¡summer ¡2004 ¡mean ¡
Satellite ¡column ¡NO2 ¡retrievals ¡map ¡point ¡ and ¡urban ¡sources ¡ Satellite ¡NO2 ¡column ¡trends ¡show ¡impacts ¡of ¡ NOx ¡controls ¡on ¡US ¡power ¡plants ¡ Confirma6on ¡of ¡in-‑stack ¡monitoring ¡(CEMS) ¡
Surface, ¡airborne, ¡& ¡satellite ¡observa6ons ¡show ¡ consistency ¡in ¡interannual ¡trends ¡ Ambient ¡NOx ¡& ¡VOCs ¡decreasing ¡for ¡50 ¡yrs ¡ Demonstrates ¡declining ¡motor ¡vehicle ¡ emissions ¡
South ¡Coast ¡Air ¡Basin ¡(Los ¡Angeles) ¡
LAX ¡ Cal ¡ Tech ¡ Ontario ¡
2005 ¡ 2010 ¡
NO2 ¡ver6cal ¡column ¡density, ¡1015 ¡molec. ¡cm-‑2 ¡
¡ ¡ ¡OMI ¡NO2 ¡Columns, ¡May-‑Sept ¡
LAX ¡ Cal ¡ Tech ¡ Ontario ¡
Kim ¡et ¡al., ¡in ¡prep ¡ Pollack ¡et ¡al. ¡(2013) ¡ Warneke ¡ et ¡al. ¡ (2012) ¡
Weekend ¡ Weekday ¡
CalNex ¡2010 ¡ South ¡Coast ¡ Air ¡Basin ¡
Pollack ¡et ¡al. ¡(2012) ¡
BoKom-‑up ¡& ¡Posterior ¡NOx ¡Flux, ¡kg/s ¡
Brioude ¡et ¡al. ¡(2013) ¡
Surface, ¡airborne, ¡& ¡satellite ¡observa6ons ¡show ¡ consistency ¡in ¡weekend ¡effect: ¡
Lower ¡ambient ¡NOx ¡on ¡weekends ¡ Atmospheric ¡changes ¡result ¡from ¡lower ¡
weekend ¡NOx ¡emissions ¡
Inverse ¡modeling ¡demonstrates ¡which ¡
inventories ¡capture ¡weekend ¡effect ¡
5 10 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Tg CH4/yr
2010 2011 2012 2013
Reported ¡2σ ¡ error: ¡20-‑30% ¡
EPA ¡GHG ¡Inventories ¡for ¡NG ¡Produc?on, ¡2010-‑2013 ¡
US ¡GHG ¡emission ¡inventories ¡for ¡natural ¡ gas ¡produc6on ¡revised ¡frequently ¡
mixing ¡ height ¡ (PBL) ¡ Wind ¡ emissions ¡ Wind ¡ Upwind ¡ Downwind ¡
Aircrad ¡mass ¡balance ¡
Hydrocarbon ¡leak ¡rates ¡inferred ¡from ¡
Inventories ¡ underes6mate ¡ methane ¡leakage ¡from ¡ natural ¡gas ¡produc6on ¡
2012 ¡ Uintah ¡Basin, ¡UT ¡ Karion ¡et ¡al. ¡(2013) ¡ 2008 ¡ Denver-‑Julesburg ¡Basin, ¡CO ¡ Pétron ¡et ¡al. ¡(2012) ¡ 2012 ¡ Denver-‑Julesburg ¡Basin, ¡CO ¡ Pétron ¡et ¡al., ¡in ¡review ¡
CalNex ¡2010 ¡ Los ¡Angeles ¡Basin ¡
Measured ¡CH4/CO ¡+ ¡inventory ¡CO ¡ ¡ ¡Total ¡E(CH4) ¡in ¡LA ¡Basin ¡ Mass ¡balance ¡of ¡E(CH4) ¡ ¡Validate ¡landfill, ¡dairy ¡inventories ¡ Alkane ¡ra6os ¡ ¡ ¡Par66on ¡source ¡contribu6ons ¡ Resolve ¡top-‑down/boKom-‑up ¡CH4 ¡ discrepancy ¡in ¡LA ¡Basin ¡ Raw ¡gas ¡leaks ¡significant ¡CH4 ¡sources ¡ (12-‑17%) ¡
Peischl ¡et ¡al. ¡(2013) ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
Mul?variate ¡source ¡appor?onment ¡
Electronic ¡copies ¡of ¡the ¡following ¡are ¡available ¡upon ¡request ¡ Brioude, ¡J., ¡et ¡al., ¡2011: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡116, ¡D20305 ¡ Brioude, ¡J., ¡et ¡al., ¡2012: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡117, ¡D05312 ¡ Brioude, ¡J., ¡et ¡al., ¡2013: ¡Atmos. ¡Chem. ¡Phys., ¡13, ¡3661–3677 ¡ Cooper, ¡O. ¡R., ¡et ¡al., ¡2012: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡117, ¡D22307 ¡ Frost, ¡G. ¡J., ¡et ¡al., ¡2012: ¡Atmos. ¡Environ., ¡51, ¡333–334 ¡ Frost, ¡G. ¡J., ¡et ¡al., ¡2013: ¡Atmos. ¡Environ., ¡81, ¡710-‑712 ¡ Granier, ¡C., ¡et ¡al., ¡2011: ¡ClimaCc ¡Change, ¡109, ¡163–190 ¡ Karion, ¡A., ¡et ¡al., ¡2013: ¡Geophys. ¡Res. ¡LeR., ¡40, ¡4393–4397 ¡ Kim, ¡S.-‑W., ¡et ¡al., ¡2006: ¡Geophys. ¡Res. ¡LeR., ¡33, ¡L22812 ¡ Kim, ¡S.-‑W., ¡et ¡al., ¡2011: ¡Atmos. ¡Chem. ¡Phys., ¡11, ¡11361-‑11386 ¡ Lamarque, ¡J.-‑F., ¡et ¡al., ¡2010: ¡Atmos. ¡Chem. ¡Phys., ¡10, ¡7017–7039 ¡ Logan, ¡J., ¡et ¡al., ¡2012: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡117, ¡D09301 ¡ Parrish, ¡D. ¡D., ¡et ¡al., ¡2012: ¡Atmos. ¡Chem. ¡Phys., ¡12, ¡11485–11504 ¡ Peischl, ¡J., ¡et ¡al., ¡2010: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡115, ¡D16303 ¡ Peischl, ¡J., ¡et ¡al., ¡2013: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡118, ¡4974–4990 ¡ Pétron, ¡G., ¡et ¡al., ¡2012. ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡117, ¡D04304 ¡ Pollack, ¡I., ¡et ¡al., ¡2012: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡117, ¡D00V05 ¡ Pollack, ¡I., ¡et ¡al., ¡2013: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡118, ¡5893–5911 ¡ Stevenson, ¡D. ¡S., ¡et ¡al., ¡2013: ¡Atmos. ¡Chem. ¡Phys., ¡13, ¡3063–3085 ¡ Warneke, ¡C., ¡et ¡al., ¡2012: ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡117, ¡D00V17 ¡ Young, ¡P. ¡J., ¡et ¡al., ¡2013: ¡Atmos. ¡Chem. ¡Phys., ¡13, ¡2063–2090 ¡
Houston ¡and ¡Dallas, ¡TexAQS ¡2006 ¡
Aircra} ¡measurements ¡ enable ¡spa6al ¡ separa6on ¡of ¡sources ¡ ¡ Evaluate ¡sectoral ¡ par66oning ¡ Observa6ons ¡& ¡ models ¡consistent ¡
0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡ 3 ¡ 3.5 ¡ 4 ¡ 4.5 ¡
Houston ¡ Urban ¡area ¡ Ship ¡channel ¡
EPA ¡ NEI ¡ 3DVAR ¡ 4DVAR ¡
NOx ¡avg ¡flux ¡ ¡ (kg/s/m^2 ¡*10-‑9) ¡
Inverse ¡vs. ¡Inventory ¡E(NOx) ¡
Brioude ¡et ¡al. ¡ (2011) ¡
Aircrad ¡vs. ¡Model ¡NO2 ¡
Kim ¡et ¡al. ¡ (2011) ¡
Inverse ¡vs ¡Inventory ¡E(CO2) ¡ Houston, ¡9/26/06 ¡
Brioude ¡et ¡al. ¡(2012) ¡
Use ¡rela6onships ¡ between ¡tracers ¡in ¡ inversion ¡ Es6mate ¡fossil ¡fuel ¡ CO2 ¡emissions ¡