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Implementing flux footprints in FLEXPART
Livio Garofalo
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorology and Climate Science
Betreuer*in
Andreas Stohl
DOI
10.25365/thesis.81712
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24381.73027.374745-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Urban greenhouse gas emission inventories are commonly based on bottom-up estimates derived from activity data, emission factors and spatial proxy data. While such inventories are essential to check compliance with local climate policies or air quality regulations, they are affected by substantial uncertainties, particularly in heterogeneous urban environments. Independent top-down perspectives are needed. Eddy covariance (EC) measurements do provide exactly that but are often costly to maintain and therefore only few, sometimes only one per city exist. Rather than capturing greenhouse gases only at a single point, they represent an integrated signal from surrounding source areas. Flux footprint modelling is needed to link these EC measurements to spatially resolved surface emissions. With an increasing amount of flux measurements the need for accurate flux footprints has increased strongly over the last decade. The aim of this thesis is to implement flux footprints in the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART and evaluate their application for urban CO2 analysis. The implemented approach was applied to the Arsenal tower in Vienna for the year 2022. For every half hourly averaged EC CO2 flux measurement a backward FLEXPART simulation was used to derive a corresponding flux footprint. These were combined with a spatially and temporally resolved CO2 emission inventory based on the Bundesländer Luftschadstoffinventur (BLI), including an additional human respiration source term. Based on the spatial emission map and the flux footprint a expected modelled CO2 flux was calculated for the Arsenal tower and compared to the measured CO2 at this location. In addition, the spatial extent of the footprints, the influence of boundary layer height, dominant wind sector patterns, differences to an established analytical footprint model as well as previous studies were investigated. The results show that the implemented approach in FLEXPART can produce physically plausible, time resolved flux footprints for the urban measurement site. The annual footprint exhibits a clear directional structure, with the strongest sensitivity, as expected, around the Arsenal tower and elongated contributions along the dominant transport directions. Seasonal differences in footprint extent are consistent with changes in different prevailing atmospheric stabilities for each season. While the modelled fluxes reproduced the general magnitude and temporal structure of the measured CO2 fluxes, systematic differences remain between the two. Overall, however, the findings are broadly consistent with previous studies at the Arsenal Tower, and are as expected when working with flux measurements, which are often subject to large uncertainties. Differences likely reflect a combination of footprint uncertainty, inventory uncertainty, temporal downscaling assumptions, and limitations of eddy-covariance measurements in complex urban terrain. The flux footprint framework implemented in FLEXPART draws from over three decades of scientific advances in the FLEXPART model. It provides a useful tool for flux modelling in general, and provides a basis for future inverse modelling approaches aimed at even more effectively constraining urban greenhouse gas emissions.
Abstract
(Englisch)
Emissionsinventare für Treibhausgase in Städten basieren in der Regel auf Bottom-up Schätzungen, die aus Aktivitätsdaten, Emissionsfaktoren und räumlichen Ersatzdaten abgeleitet werden. Obwohl solche Inventare für die Überprüfung der Einhaltung lokaler Klimapolitik oder Luftqualitätsvorschriften unerlässlich sind, sind sie mit erheblichen Unsicherheiten behaftet, insbesondere in heterogenen städtischen Umgebungen. Es bedarf unabhängiger Top-down-Perspektiven. Eddy-Kovarianz-Messungen (EC) liefern genau dies, sind jedoch oft kostspielig in der Wartung, weshalb es nur wenige davon gibt, manchmal sogar nur eine pro Stadt. Anstatt Treibhausgase nur an einem einzigen Punkt zu erfassen, stellen sie ein integriertes Signal aus den umliegenden Emissionsquellen dar. Eine Modellierung der Flux-Footprints ist erforderlich, um diese EC-Messungen mit räumlich aufgelösten Oberflächenemissionen zu verknüpfen. Ziel dieser Arbeit ist es, Flux-Footprints in das Lagrange-Partikelausbreitungsmodell FLEXPART zu implementieren und ihre Anwendung für die städtische CO2-Analyse zu bewerten. Der implementierte Ansatz wurde für das Jahr 2022 auf den Arsenal-Turm in Wien angewendet. Für jede halbstündlich gemittelte EC-CO2-Fluxmessung wurde eine rückwärtsgerichtete FLEXPART-Simulation verwendet, um einen entsprechenden Flux-Fußabdruck abzuleiten. Diese wurden mit einem räumlich und zeitlich aufgelösten CO2-Emissionskarte kombiniert, das auf der Bundesländer-Luftschadstoffinventur (BLI) basiert und einen zusätzlichen Term für die menschliche Atmung enthält. Auf der Grundlage der räumlichen Emissionskarte und des Fluss-Fußabdrucks wurde ein erwarteter modellierter CO2-Fluss für den Arsenal-Turm berechnet und mit dem an diesem Standort gemessenen CO2 verglichen. Darüber hinaus wurden die räumliche Ausdehnung der Fußabdrücke, der Einfluss der Grenzschicht Höhe, vorherschende Windrichtungs Muster, Unterschiede zu einem etablierten analytischen Fußabdruckmodell sowie frühere Studien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der in FLEXPART verwendete Ansatz physikalisch plausible und zeitaufgelöste Flussverteilungen für den städtischen Messstandort liefern kann. Die jährliche Flussverteilung weist eine klare Richtungsstruktur auf, wobei die größte Empfindlichkeit erwartungsgemäß im Bereich des Arsenal-Turms zu verzeichnen ist und sich die Beiträge entlang der vorherrschenden Transportrichtungen ausdehnen. Saisonale Unterschiede in der Ausdehnung der Fußabdrücke stimmen mit den Veränderungen der jeweils vorherrschenden atmosphärischen Stabilitäten überein. Während die modellierten Flüsse die allgemeine Größenordnung und zeitliche Struktur der gemessenen CO2-Flüsse wiedergaben, bestehen weiterhin systematische Unterschiede zwischen beiden. Insgesamt stimmen die Ergebnisse jedoch weitgehend mit früheren Studien am Arsenal Tower überein und entsprechen den Erwartungen bei der Arbeit mit Flussmessungen, die oft mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Die Unterschiede spiegeln wahrscheinlich eine Kombination aus Unsicherheiten hinsichtlich des Fußabdrucks, des Inventars, der Annahmen zur zeitlichen Herunterskalierung und der Einschränkungen von Eddy-Kovarianz-Messungen in komplexem städtischem Gelände wider. Das in FLEXPART implementierte Flux-Footprint-Framework stützt sich auf über drei Jahrzehnte wissenschaftlicher Fortschritte im FLEXPART-Modell. Es stellt ein nützliches Werkzeug für die Flux-Modellierung im Allgemeinen dar und bietet eine Grundlage für zukünftige inverse Modellierungsansätze, die darauf abzielen, städtische Treibhausgasemissionen noch effektiver einzugrenzen.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
FLEXPART Flussmessungen Fluss Footprrints Treibhausgasmodellierung Treibhausgasmodellierung im städtischen Raum Flussmessungen in Wien Treibhausgase in Wien
Schlagwörter
(Englisch)
FLEXPART flux footprints flux measurements urban greenhouse gas modelling flux measurements in Vienna flux modelling in Vienna Urban greenhouse gas emissions Greenhouse gas emissions in Vienna
Autor*innen
Livio Garofalo
Haupttitel (Englisch)
Implementing flux footprints in FLEXPART
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
97 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andreas Stohl
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.84 Meteorologie. Sonstiges
AC Nummer
AC17969360
Utheses ID
81692
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |