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Arctic Ozone
Possible Reduction Strategies
What can be done given uncertanties in the
(Arctic) O3 budget and climate change?
Kathy Law
Service d’Aéronomie/IPSL-UPMC-CNRS
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Outline

O3 radiative forcing - IR altitude sensitivity
O3 budget (Arctic & NH) - uncertainties photochemical lifetime vs transport timescales


Which emissions?

Regions
 NOx, CO/VOCs or CH4?

Response in a changing climate (O3, CH4)
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
O3 radiative
forcing
Max effect on Ts
from IR heating
between 4 - 22 km
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Surface ∆O3 less
important
From Forster &
Shine, 1997
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Uncertainties in O3 RF:
Results from IPCC models - GHGs plus strat. O3 (Gauss et al., 2006)
 Strat. vs trop. model differences (1850 to 2000)

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T=trop, S=strat.
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Arctic Ozone Budget
STE
North Pole
Flux in
Flux out
UT Transport
Residence Time
LT transport
Dry Deposition
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Arctic O3 Budget (TOPSE)
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Emmons et al., 2003
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Transport Pathways to Arctic
Winter:
anthrop. Europe
(LT), Asia? (UT)
Summer:
forest fires (Siberia,
Alaska)
anthrop. (Asia, N.
America)
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
AMAP, 2006
Age of Arctic Air
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Stohl, 2006
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Ozone Photochemical Lifetime (days)
Lifetime - April - Surface
Lifetime - July - Surface
Lifetime - April - 500hPa
Lifetime - July - 500hPa
MOZART modelSPAC
results,
courtesy
Claire
Granier (CNRS), NCAR
meeting,
NILU, 5-7
Nov '07
Northern Hemisphere O3 Budget
Brewer-Dobson/STE
Transport of heat or
mid-lat O3 to Arctic
Local heating from
local O3
30N
30N
North Pole
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Dry Deposition
Key is UT O3 Budget
Brewer-Dobson/STE
Transport of heat or
mid-lat O3 to Arctic
Local heating from
local O3?
30N
30N
North Pole
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Dry Deposition
Tropospheric O3 - where is the ∆O3?
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Where is there a constant source of ∆O3?
Mid-lat anthrop. plumes transported into UT
•Lagrangian study using NARE-ACSOE data (Real et al., 2007)
•Photochemical trajectory model initialised with obs upwind
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
•Determine O3 change due to chemistry, mixing etc.
Where is there a constant source of ∆O3?
Boreal Forest Fire plumesIntercontinental
(ICARTT
summer
Transport
Of Pollutants2004)
DC8 – 18
July
Falcon –
22/23 July
B146 – 20
July
CO ↓ : 200 ppbv
O3 ↑ : 20 ppbv
Lagrangian match analysis (Methven et al.,2006), FF
analysis (Real et al., 2007)
SPAC meeting,
5-7 Nov '07July 2004
IGAC Lagrangian
2K4 - NILU,
ITOP campaign,
Lagrangian photochemical model: chemistry + aerosols + dilution (Real et al., 2007)
NPO3 depends on altitude
(PAN decomp. vs H2O)
plus mixing & residence
time of plumes in UT
Chemistry only
(inc. aerosols)
Chemistry + mixing
OHP
Falcon
Mozaic
Jungfraujoch
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Forest Fire Plume - Trace Gas Correlation Evolution
BAe-146 - 20 July 2004
O3 (ppbv)
O3 (ppbv)
DC8 - 18 July 2004
CO (ppbv)
CO (ppbv)
O3 (ppbv)
Falcon – 22 et 23 July 2004
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
CO (ppbv)
Forest Fire Plume Correlation Evolution - evaluation of global models MOCAGE (Bousserez et al., 2007) and GEOSCHEM (courtesy Isabelle
Bey)
140
200
DC8 18 July
Observations
90
O3 (ppbv)
DC8 18 July
MOCAGE
0
50
350
0
CO (ppb)
100
600 30
75
80
GEOS-CHEM
O3 (ppbv)
DF20 23 July
180
4545
60
0
225
MOCAGE
O3 too high on 18 July
CO (ppb)
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
100
150
GEOSCHEM
CO (PAN) too low on 18 July
O3 too low on 23 July
Forest Fire Plume Transport to Arctic
(ICARTT 2004)
90°N
Alert
80°N
Barrow
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Stohl, 2006
FF plume transport to the Arctic (Lacresson,
Real, Law, 2007)
Ozone Data (Helmig et al, 2007)
Summit
80
60
Valeurs moyennes d'O3
Valeurs moyennes d'Ozone
70
50
40
30
20
200
205
210
215
Jours
220
225
230
60
50
40
30
20
Ny-Alesund
surface: high O3 episode in July 2004
10
0
195
70
10
0
200
235
202
204
206
Summit @ 3km
2004
208
210
212
214
216
218
Jours
Ny-Alesund
Broad summer Max in FT
8km
6km
2km
Ozone - Ny-Alesund (Rao et al, 2004)
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SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
So which regional emissions to reduce?
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
AMAP, 2006
Uncertainties in Regional Emissions
GICC
NOx emissions
RETRO
MOZART
NOx emissions (Tg N/yr)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Eur
Rus
Inde
Chine
CO
GICC
RETRO
ASE+OC
AFR+ME
Amer N
Amer S
Courtesy Claire Granier et al.
MOZART
CO Emissions (Tg CO/yr)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Eur
Rus
Inde
Chine
ASE+OC
AFR+ME
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Amer N
Amer S
Decadal emissions - up to date info is
needed on 1990 to present
SO2 emission per large region
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
80
70
50
40
30
20
10
0
Eur
Rus
Inde
Chine
ASE+OC
AFR+ME
Amer_N
Amer_S
BC Emissions per large region
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2
Courtesy Claire Granier,
Cathy Liousse et al.
1,8
1,6
BC Emission
SO2 emission
60
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Eur
Rus
Inde
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Chine
ASE+OC
AFR+ME
Amer_N
Amer_S
Regional O3 changes from reduced emissions (1)
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SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Bernsten et al., 2006
Regional O3 changes from reduced emissions (2)
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Dentener et al., 2005
O3 RF from BAU (upper) & reduced emissions (lower)
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SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Dentener et al., 2005
Stohl, 2006 - Anthrop BC particle sources 30 days previously
Air spending at least 5 days in Arctic in winter (left) & summer (right)
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Do the same for O3 precursors with some kind of RF clock
related to residence time in the UT
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Stohl, 2006 - BC particle sources 30 days previously
Air spending at least 5 days in Arctic in summer - forest fires (left) & anthrop (right)
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Which Emissions - CH4, NOx, VOC or CO?
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20% emission reductions in CH4, NOx CO & VOCs
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
(West, Fiore, et al 2007)
CH4 emission scenarios (Tg yr-1) - Dentener et al. , 2005
Net difference BAU - MRF
∆CH4ems = 100 Tg (1990 to 2030)
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SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
How to reduce CH4?
Reduction in Gas CH4 by
15 Tg over 3 years led to
4 ppbv yr-1 decrease @ 66N
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Law & Nisbet, 1996
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
But is CH4 already going down?
… and CO2 going up faster than predicted??
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Hansen et al.,
2007
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Stratospheric O3 recovery
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Eyring et al., 2007
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Climate Change
Possible Impacts on O3 Budget
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Climate change effects on strat. & trop. O3
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Gauss et al., 2006
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Sensitivity of PO3 to Temperature
(PAN decomposition)
Real et al., 2007
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SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
More local anthropogenic emissions?
•
•
•
Gas/oil extraction - CH4, VOCs (alkanes), BC?
Smelters (copper) - SOx, NOx, aerosol
Ships - NOx, aerosols
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Loss of summer sea-ice
 more O3 (ships), less halogens (not
clear), more DMS, etc
2040
Holland et al, 2006
Are the models right??!!
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07
Granier et al, 2006
Recommendations
 Reduce CH4 (but need to understand
current trends and climate sensitivity) plus CO2 also of course

Take into account planned O3 precursor
emission reductions (CLRTAP) & postKyoto

O3 budget - important where O3 is
formed
(smoking gun - boreal forest fires?)
SPAC meeting, NILU, 5-7 Nov '07