Nicely, Julie M. and Duncan, Bryan N. and Hanisco, Thomas F. and Wolfe, Glenn M. and Salawitch, Ross J. and Deushi, Makoto and Haslerud, Amund S. and Jöckel, Patrick and Josse, Beatrice and Kinnison, Douglas E. and Klekociuk, Andrew R. and Manyin, Michael E. and Marécal, Virginie and Morgenstern, Olaf and Murray, Lee T. and Myhre, Gunnar and Oman, Luke D. and Pitari, Giovanni and Pozzer, Andrea and Quaglia, Ilaria and Revell, Laura E. and Rozanov, Eugene and Stenke, Andrea and Stone, Kane and Strahan, Susan and Tilmes, Simone and Tost, Holger and Westervelt, Daniel M. and Zeng, Guang (2020) A machine learning examination of hydroxyl radical differences among model simulations for CCMI-1. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), 20 (3), pp. 1341-1361. Copernicus Publications. doi: 10.5194/acp-20-1341-2020. ISSN 1680-7316.
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Official URL: https://www.atmos-chem-phys.net/20/1341/2020/
Abstract
The hydroxyl radical (OH) plays critical roles within the troposphere, such as determining the lifetime of methane (CH4), yet is challenging to model due to its fast cycling and dependence on a multitude of sources and sinks. As a result, the reasons for variations in OH and the resulting methane lifetime (τCH4), both between models and in time, are difficult to diagnose. We apply a neural network (NN) approach to address this issue within a group of models that participated in the Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI). Analysis of the historical specified dynamics simulations performed for CCMI indicates that the primary drivers of τCH4 differences among 10 models are the flux of UV light to the troposphere (indicated by the photolysis frequency JO1D), the mixing ratio of tropospheric ozone (O3), the abundance of nitrogen oxides (NOx≡NO+NO2), and details of the various chemical mechanisms that drive OH. Water vapour, carbon monoxide (CO), the ratio of NO:NOx, and formaldehyde (HCHO) explain moderate differences in τCH4, while isoprene, methane, the photolysis frequency of NO2 by visible light (JNO2), overhead ozone column, and temperature account for little to no model variation in τCH4. We also apply the NNs to analysis of temporal trends in OH from 1980 to 2015. All models that participated in the specified dynamics historical simulation for CCMI demonstrate a decline in τCH4 during the analysed timeframe. The significant contributors to this trend, in order of importance, are tropospheric O3, JO1D, NOx, and H2O, with CO also causing substantial interannual variability in OH burden. Finally, the identified trends in τCH4 are compared to calculated trends in the tropospheric mean OH concentration from previous work, based on analysis of observations. The comparison reveals a robust result for the effect of rising water vapour on OH and τCH4, imparting an increasing and decreasing trend of about 0.5 % decade−1, respectively. The responses due to NOx, ozone column, and temperature are also in reasonably good agreement between the two studies.
Item URL in elib: | https://elib.dlr.de/134054/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Document Type: | Article | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Title: | A machine learning examination of hydroxyl radical differences among model simulations for CCMI-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Authors: |
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Date: | 5 February 2020 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Journal or Publication Title: | Atmospheric Chemistry and Physics (ACP) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Refereed publication: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gold Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In SCOPUS: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In ISI Web of Science: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volume: | 20 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DOI: | 10.5194/acp-20-1341-2020 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Page Range: | pp. 1341-1361 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Publisher: | Copernicus Publications | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISSN: | 1680-7316 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Status: | Published | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Keywords: | neural network, machine learning, EMAC, CCMI, MESSy, hydroxyl radical, methane lifetime | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Research field: | Aeronautics, Space and Transport | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Program: | Space | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Program Themes: | Earth Observation | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Research area: | Raumfahrt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Program: | R EO - Earth Observation | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Research theme (Project): | R - Project Climatic relevance of atmospheric tracer gases, aerosols and clouds, R - Atmospheric and climate research | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Location: | Oberpfaffenhofen | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Institutes and Institutions: | Institute of Atmospheric Physics > Earth System Modelling | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Deposited By: | Jöckel, Dr. Patrick | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Deposited On: | 11 Feb 2020 12:05 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Last Modified: | 11 Feb 2020 12:05 |
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