Influence of synoptic and local meteorological conditions on surface ozone concentrations over Europe

Abstract

Climate change is expected to alter global, regional and local meteorological conditions and as a result, the changes in the climate system will play an essential role on future air quality. Tropospheric ozone is considered one of the most harmful pollutants and it is strongly dependent on weather conditions. Therefore, understanding the impacts of near-term climate change on ozone concentrations is crucial for developing effective air quality policies. This dissertation focuses on the analysis of the influence of synoptic and local meteorological conditions on ground-level ozone over Europe and it provides a comprehensive spatial characterization of the most important meteorological key-driving factors of surface ozone concentrations over the whole domain. For this purpose two approaches are proposed: i) a weather types classification and ii) regression methods. Firstly, large-scale atmospheric circulation is examined through a weather types classification, implemented grid cell-by-grid cell over Europe. The ability of a suite of global climate models to reproduce realistic synoptic patterns in the present climate is evaluated against two reanalysis products. Additionally, the association between weather types and anomalies of maximum and minimum temperatures is investigated. In general, the models are able to capture realistic synoptic patterns when compared to the reanalyses. However, some limitations to reproduce the frequencies of certain weather types, such as low flow conditions over South Europe in summer and autumn are found. The projected changes in the frequency of weather types under future climate scenarios reveal an increase of anticyclonic days and warmer conditions affecting the British Isles in summer, and more westerlies and consequently mild winter conditions over Central Europe. As a result of a projected increase of low flow conditions over the Mediterranean basin, stagnant situations would become more frequent, favouring episodes of air pollution. Further analysis indicate that changes in the frequency of weather types represent a minor contribution of the total change of projected European temperatures. Thus, the temperature changes could be attributed to the so-called within-type variations (changes of the weather types themselves). In the context of climate change, that implies that global warming would also affect the characteristics of some weather types over time (i.e., within-type variations) that are associated with warmer temperatures under future conditions. Secondly, the classification of weather types provides an easy physically interpretable framework for assessing the impacts of synoptic conditions on ozone concentrations. A synoptic-regression approach is developed to investigate the effect of both, synoptic and local meteorological conditions on surface ozone over the European domain. It is shown that local meteorological conditions are generally dominant factors influencing surface ozone variability, rather than the synoptic conditions. The results reveal distinctive regional and seasonal patterns of the most influential ozone drivers. In particular, local meteorological conditions have a strong influence over Central and East Europe, where maximum temperature becomes the most important driver of surface ozone in summer and relative humidity along with surface solar radiation in spring. Finally, a multi-model assessment examines the capability of a set of state-of-the-art air quality models to reproduce the observed relationship between meteorological variables and surface ozone. The results show distinctive seasonal and regional performances in the statistical models developed for each dataset (i.e. observations and model outputs). Overall, the air quality models are in better agreement with observations over the regions referred to as internal regions: England, France, Mid-Europe, North Italy and East Europe. On the contrary, they present more limitations over the rest of the regions, referred to as the external regions: Inflow, Scandinavia, Iberian Peninsula, Mediterranean and the Balkans. There is a larger meteorological contribution in the internal regions, especially in summer where the local meteorology plays an important role in photochemical processes. A minor meteorological effect is found in the external regions, probably due to a major influence of the dynamical processes that are not captured by the statistical models. Most of the air quality models tend to overestimate the sensitivity to maximum temperature and solar radiation and none of them are able to capture the strength of the observed relationship between ozone and relative humidity appropriately. Here, dry deposition schemes may be a key for the underestimation of such relationship. Further analysis of the slopes of the ozone-temperature relationship indicates that the air quality models capture the observed relationship between ozone and temperature in most of the internal regions in summer, while in spring they overestimate it in most of the European regions.

Da zu erwarten ist, dass der Klimawandel die globalen, regionalen und kommunalen meteorologischen Zustände verändern wird, werden die Veränderungen des Klimasystems eine wesentliche Rolle in Bezug auf die zukünftig Luftqualität spielen. Troposphärisches Ozon gilt als einer der schädlichsten Schadstoffe und ist stark abhängig von den Wetterbedingungen. Die zeitnahen Auswirkungen des Klimawandels zu verstehen ist daher dringend erforderlich, um eine effektive Luftqualitätspolitik zu entwickeln. Diese Doktorarbeit legt den Schwerpunkt auf die Analyse des Einflusses von synoptischen und kommunalen meteorologischen Zuständen auf bodennahes Ozon in Europa und sie liefert eine umfassende räumliche Charakterisierung der wichtigsten Schlüsselfaktoren der Oberflächen-Ozon-Konzentration auf dem gesamten Gebiet. Zu diesem Zweck werden zwei Ansätze vorgeschlagen: i) eine objektive Wetterlagenklassifikation und ii) Regressionsmethoden. Zunächst wird die großflächige atmosphärische Zirkulation durch eine objektiveWetterlagenklassifikation untersucht – umgesetzt in Form von Gitterzelle zu Gitterzelle in Europa. Es wird ein Vergleich zwischen der Fähigkeit mehrerer globaler Klimamodelle realistisch aussehende synoptische Muster im gegenwärtigen Klima zu reproduzieren einerseits und neuen Darlegungen andererseits aufgestellt und anschließend ausgewertet. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen Wetterarten und Anomalien von Maximal- und Mindesttemperaturen untersucht. Im Vergleich mit den neuen Darlegungen können die Modelle im Allgemeinen realistische synoptische Muster erfassen. Allerdings gibt es einige Einschränkungen in der Reproduktion der Frequenzen bestimmter Wetterarten, wie z. B. niedrige Strömungsbedingungen über Südeuropa im Sommer und Herbst. Die prognostizierten Veränderungen bezüglich der Häufigkeit der Wetterarten unter zukünftigen Klimaszenarien zeigen einen Anstieg antizyklonischer Tage und wärmeren Bedingungen, die die britischen Inseln im Sommer beeinflussen, sowie mehrere Westwindzonen, welche folglich mildeWinterbedingungen über Mitteleuropa hervorbringen. Infolge einer prognostizierten Zunahme der niedrigen Strömungsbedingungen über dem Mittelmeerraum würden stagnierende Situationen häufiger vorkommen, was die Folgen der Luftverschmutzung begünstigt. Eine Analyse des Abbaus zur Beurteilung der Auswirkungen der Frequenzänderungen auf die prognostizierten Temperaturen deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Häufigkeit derWetterarten einen geringen Beitrag zur Gesamtveränderung der europäischen Temperaturen darstellen. So könnten die Temperaturveränderungen den sogenannten In-Typ-Variationen (selbst Änderungen der Wetterarten) zugeschrieben werden. Im Kontext des Klimawandels bedeutet dies, dass die globale Erwärmung auch die Eigenschaften einiger Wetterarten im Laufe der Zeit beeinflussen würde (d.h. In-Typ-Variationen ), die mit wärmeren Temperaturen unter zukünftigen Bedingungen verbunden sind. Zweitens bietet die Einordnung von Wetterarten einen einfachen physikalisch interpretierbaren Rahmen, um die Auswirkungen von synoptischen Bedingungen auf die Ozonkonzentration zu bewerten. Ein Ansatz der synoptischen Regression wird entwickelt, um die Wirkung von sowohl synoptischen als auch kommunalen meteorologischen Bedingungen auf Oberflächen-Ozon auf europäischem Gebiet zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass kommunale meteorologische Bedingungen in der Regel dominierende Faktoren sind, die die Oberflächen-Ozon-Variabilität beeinflussen, und nicht synoptische Bedingungen. Die Ergebnisse zeigen regionale und saisonale Muster der einflussreichsten Ozon Treiber. Die Ozon- Persistenz (vom Vortag) ist auch als Prädiktor enthalten und scheint eine wesentliche Rolle über Südeuropa zu spielen, wohingegen die kommunalen/ regionalen meteorologischen Bedingungen einen starken Einfluss auf Mittel- und Osteuropa haben. Besonders die Maximaltemperatur und relative Luftfeuchtigkeit sind der wichtigste Treiber für Oberflächen-Ozon im Sommer zusammen mit Oberflächen- Sonnenstrahlung im Frühling. Der letzte Teil der Doktorarbeit untersucht eine Multimodell-Bewertung der Fähigkeit einer Reihe von hochmodernen Modellen zur Luftqualität, um die beobachtete Beziehung zwischen meteorologischen Variablen und Oberflächen-Ozon zu reproduzieren. Die Ergebnisse zeigen deutliche saisonale und regionale Leistungen der statistischen Modellen, die für jeden Datensatz (d. H. Beobachtungen und Modellausgaben) entwickelt wurden. Insgesamt stehen die Luftqualitätsmodelle in größerer Übereinstimmung zu den Beobachtungen über die Regionen, welche als folgende interne Regionen bezeichnet werden: England, Frankreich, Mitteleuropa, Norditalien und Osteuropa. Dem gegenübergestellt sind Regionen, welche mehr Einschränkungen gegenüber den übrigen Regionen haben. Solche werden als äußere Regionen bezeichnet: Inflow, Skandinavien, die Iberische Halbinsel, das Mittelmeer und die Balkanstaaten. Es gibt einen größeren meteorologischen Beitrag in den internen Regionen, vor allem im Sommer, wo die lokale Meteorologie eine wichtige Rolle bei photochemischen Prozessen spielt. Eine kleinere meteorologische Wirkung findet sich in den äußeren Regionen, vermutlich aufgrund eines großen Einflusses der dynamischen Prozesse, die nicht durch die statistischen Modelle erfasst werden. Die meisten Luftqualitätsmodelle neigen dazu, die Empfindlichkeit gegen Maximaltemperatur und Sonneneinstrahlung zu überschätzen, und keines von ihnen kann die Stärke der beobachteten Wechselwirkung zwischen Ozon und relativer Feuchtigkeit passend erfassen. Hier könnten trockene Ablagerungsschemata ein Lösungsansatz für die Unterschätzung einer solchen Beziehung bieten. Eine weitere Analyse des Anstiegs der Beziehung zwischen Ozon und Temperatur deutet darauf hin, dass die Luftqualitätsmodelle die beobachtete Beziehung zwischen Ozon und Temperatur in den meisten internen Regionen im Sommer einfangen, während sie diese im Frühjahr sie in den meisten europäischen Regionen überschätzen.