Characterisation and application of portable solar absorption spectrometers for the detection of greenhouse gas emissions from regional anthropogenic sources

In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des kürzlich vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) etablierten Collaborative Carbon Column Observing Network (COCCON) eine umfassende Kalibrierungsprozedur für ein mobiles Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (EM27/SUN) entwickelt. Zusätzlich wurde die Langzeitstabilität des EM27/SUN untersucht. Zudem wurde ein Ensemble dieser Spektrometer genutzt, um lokale Emissionen starker Emitter der wichtigsten Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) zu quantifizieren.
Die Sicherstellung hochgenauer und präziser CO2 und CH4 Messungen ist äußerst wichtig für die Detektion lokaler Quellen dieser Gase. ... mehrSelbst eine Großstadt bewirkt nur eine Erhöhung der entlang des Sehstrahles gemittelten CO2-Konzentration im Promillebereich über dem atmosphärischen Hintergrund. Verglichen mit der nationalen Skala sind Unsicherheiten von lokalen CO2- und CH4-Emissionen größer. Genaue Messungen von lokalen Quellen, speziell Städten, sind daher wichtig für die Verifizierung von weltweiten Zielen zur Reduktion von Treibhausgasen.
Im ersten Teil der Arbeit wurde eine standardisierte Kalibrierungsroutine für EM27/SUN Spektrometer entwickelt. Diese beinhaltet eine Optimierung der optischen Ausrichtung des Spektrometers, Labormessungen für die Charakterisierung der instrumentellen Linienform und atmosphärische Vergleichsmessungen mit einem Referenz-EM27/SUN. Mittels dieser Kalibrierungsprozedur wurden zwischen 2014 und 2018 30 EM27/SUN Spektrometer am KIT justiert und überprüft, was zu sehr einheitlichen Charakteristika der Spektrometer führte. Aufgrund einer engen Zusammenarbeit mit dem Hersteller der EM27/SUN werden neue Spektrometer seit kurzem routinemäßig am KIT überprüft, bevor sie zu Arbeitsgruppen weltweit ausgeliefert werden. In einer dreieinhalbjährigen Studie wurde außerdem die Langzeitstabilität des EM27/SUN gegenüber einem Referenzspektrometer untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das EM27/SUN auf einer Zeitskala von mehreren Jahren stabil ist.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden mehrere EM27/SUN verwendet, um CO2- und CH4-Emissionsstärken von Großstädten zu quantifizieren. In einer ersten Kampagne, durchgeführt in Berlin im Juni und Juli 2014, wurden die Messungen mit einem Dispersionsmodell verglichen. Die beobachteten CO2-Signale sind mit einer Gesamtemissionsstärke der Stadt Berlin von 800 kg CO2 / s verträglich.
In einer zweiten Kampagne in Paris im April und Mai 2015 wurde mithilfe der Messungen ein bestehendes Emissionsinventar für den Großraum Paris zusammen mit dem Chemie-Transport-Modell CHIMERE verifiziert. Dabei wurde herausgefunden, dass die Emissionen im Ostteil der Stadt vom Modell unterschätzt werden. Im Gegensatz zu Berlin wurden für Paris außerdem signifikante CH4-Konzentrationsgradienten detektiert.
In einer dritten Kampagne, durchgeführt im Großraum Tokyo von Februar bis April 2016, wurden CO2- und CH4-Konzentrationsgradienten gemessen, die deutlich über den für Paris und Berlin ermittelten Werten liegen. Die berechnete CO2-Emissionsstärke zwischen Tokyo und Paris skaliert mit der Einwohnerzahl.
Die Ergebnisse dieser Arbeit werden helfen, die Reduktionsziele für Treibhausgase zu überprüfen, wie sie von internationalen Klimakonferenzen, speziell des Pariser COP21 Abkommens, gefordert werden.

In this study, a rigorous calibration procedure for a newly developed mobile Fourier transform infrared spectrometer (EM27/SUN) is implemented in the framework of the recently established COllaborative Carbon Column Observing Network (COCCON). Additionally, the long term stability of the EM27/SUN is investigated. An ensemble of these spectrometers is then used for the quantification of emission hot-spot regions of the most important greenhouse gases carbon dioxide (CO2) and methane (CH4).
The assurance of highly accurate and precise CO2 and CH4 measurements is of utmost importance for the detection of localised sources of these gases. ... mehrEven a major city is expected to introduce an enhancement of CO2 only in the sub-percent range over the atmospheric background concentration of approximately 400 ppmv.
Therefore, in the first part of this thesis a standardised calibration routine for EM27/SUN spectrometers is developed. It includes an optimisation of the spectrometers optical alignment, open path measurements for the characterisation of the instrumental line shape, and atmospheric comparison measurements with a reference EM27/SUN. Using this standardised calibration routine, 30 EM27/SUN were checked at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) between 2014 and 2018, leading to very uniform characteristics of the spectrometers. As a result of a collaboration with the manufacturer of the EM27/SUN, newly produced spectrometers are now routinely checked at the KIT prior to shipment to investigators worldwide. Additionally, in a 3.5 years lasting study, the long term performance of the EM27/SUN with respect to a co-located high resolution spectrometer is investigated and found to be stable on time scales of several years.
Compared to the national scale, uncertainties of local CO2 and CH4 emissions are higher for urban areas. Accurate observations of local sources, especially cities, are therefore important for the verification of worldwide mitigation goals. In the second part of this thesis, several EM27/SUN are utilised for the quantification of CO2 and CH4 emission strengths of major cities. In a first campaign performed in Berlin in June and July 2014, the EM27/SUN measurements are compared to a dispersion model using COSMO-DE high resolution wind fields. The CO2 emission strength of Berlin is estimated to 800 kg / s.
In a second campaign, the EM27/SUN was used in April and May 2015 in Paris to verify an existing emission inventory in conjunction with the atmospheric transport model CHIMERE. It is found that the emissions in the eastern suburbs of Paris are underestimated in the model. Furthermore, opposed to the Berlin campaign, also XCH4 gradients in the order of 5 ppbv are detected.
In a third campaign conducted in the Tokyo area from February until April 2016, the detected XCO2 and XCH4 gradients between different measurement sites, up to 9 ppmv and 30 ppbv, respectively, were larger compared to Berlin and Paris. The estimated CO2 emission strength between Tokyo and Paris scales with the number of inhabitants. Also, two EM27/SUN were used to verify coincident satellite CO2 observations from the Orbiting Carbon Observatory-2.
The findings of this thesis will support the evaluation of mitigation goals set by international treaties, e.g the Kyoto protocol and the Paris COP21 agreement.