backgrounds_2955a
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
26 October 2011
Diagnostic Evaluation of Carbon Sources in CMAQ
Sergey L. Napelenok1, Heather Simon1, Prakash V. Bhave1,
George A. Pouliot1, Michael Lewandowski1,
Rebecca Sheesley2
1U.S. Environmental Protection Agency
Research Triangle Park, NC
2Baylor  University
Waco, Texas
10th Annual CMAS Conference
Chapel Hill, NC
Levoglucosan.gif
isoprene.jpg
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
1
Sites of interest: Bondville, IL; Northbrook, IL; Detroit, MI; Cincinnati, OHModeling episode: March 2004 – February 2005
ladco_map
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
2
Traditional ModelEvaluation forParticulate Carbon
Routine monitoring networksmeasure only TEC andTOC.
For these 4 sites, suchevaluation is consistent withprevious studies.
Four cases to explore:
Summer bias = -1.7 μg/m3
Northbrook winter bias = -1.4 μg/m3
Detroit spring bias = -0.3 μg/m3
Non-Detroit spring bias = -1.0 μg/m3
Diagnosing the causes ofmodel bias with only thisdata is difficult.
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
3
More Detailed Measurements
Over 80 particle-phase organic compounds measured from March 2004to February 2005 at the four Midwestern sites.
Filter samples collected every 6th day
Filter extracts were composited on a monthly basis and analyzed bychemical derivitization and gas chromatography - mass spectrometry(GC-MS) for individual organic compounds.
Hentriacontane, 20R-aaa-cholestane, Fluoranthene, levoglucosan,etc.
Composites were also analyzed by EPA scientists for highly polarcompounds, which are tracers for SOA species.
Pinonic acid, 2-methylthreitol, caryophyllinic acid, etc.
Lewandowski, et al, Primary and Secondary Contributions to Ambient PMin the Midwestern United States, Environ. Sci. Technol., 2008, 42, 3003-3309.
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
4
POA1POA2
POA3POA4
POA5POA6
POA7POA8
POA9POA10
POA11POA12
POA13POA14
POA15POA16
Organic PM2.5
Non-volatile
EMISSIONS
monoterpene
BIOGENIC EMISSIONS
SV_TRP1
SV_TRP2
O3P, NO3
OH,O3
ATRP1, ATRP2
Pathways do not contribute to SOA
SV_ISO1, SV_ISO2
SV_SQT
O3,O3P, or NO3
OH
OH,O3, or NO3
isoprene
sesquiterpenes
ASQT
AISO1, AISO2
AISO3
H+
high-yield
aromatics
long
alkanes
ANTHROPOGENIC EMISSIONS
low-yield
aromatics
benzene
ATOL1, ATOL2
AXYL1, AXYL2
SV_TOL1
SV_TOL2
OH/NO
SV_XYL1
SV_XYL2
OH/NO
AALK
SV_ALK
OH
ABNZ1, ABNZ2
SV_BNZ1
SV_BNZ2
OH/NO
AXYL3
ATOL3
ABNZ3
OH/HO2
OH/HO2
OH/HO2
AOLGB
AOLGA
AORGC
OH
dissolution
cloud water
glyoxal
methylglyoxal
VOCs
EMISSIONS
EMISSIONS
More Detailed Model (CMAQ v4.7.1 – Similar results expectedwith CMAQv5.0)
POA
Tagged 16 different source categories of EC and OC.
– Onroad Diesel Exhaust– Coal Combustion
– Nonroad Diesel Exhaust– Oil Combustion
– Onroad Gasoline Exhaust– Natural Gas Combustion
– Nonroad Gasoline Exhaust – Food Cooking
– Aircraft Exhaust – Paved Road Dust
– Anthrop Biomass Combustion – Crustal Material
– Wildfires – Misc. Industrial Processes
– Waste Combustion– Other
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
PM Carbon Eastern U.S. Emissions Summary
5
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
6
Example of Source Specific Emissions – January 1, 2005
onroad diesel
oil combustion
onroaddiesel_recolor.gif
oilcomb_recolor.gif
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Converting Source Tagged Species to Organic Tracers
7
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Mobile Sources
8
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
9
Mobile Sources – Hopanes & Steranes
Calculating  change in biasfrom sector correction:
RatioConc Δbias
μg/m3 μg/m3
1.0.820.330.07
2.0.720.190.07
3.0.760.290.09
4.0.490.160.17
0.07
0.17
0.09
0.07
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Biomass Burning - Levoglucosan
10
0.38
0.08
-0.07
0.32
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Natural Gas Combustion - Ketones
11
-0.04
-0.19
-0.01
-0.01
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Organic Aerosol
12
SOA.png
POC compares reasonablywell to measurements.
SOA is underestimated forall species.
Comparison in the Midwestis worse than previousevaluation with tracer datain Research Triangle Park.
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
13
SOCeval_scat_v5p
SOCeval_scat_v5p
Monoterpenes
Midwest – 2004/2005
RTP – 2003
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
14
SOCeval_scat_v5p
Aromatics
Midwest – 2004/2005
RTP – 2003
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Potential Gains From Improvements – Organic Aerosol
Isoprenes
0.680.000.050.22
Evidence for missing aqueous chemistry pathways
Monoterpenes
0.310.030.170.13
Needs further analysis and data is available at other sites
Sesquiterpenes
0.130.200.240.09
Evidence for emissions problems
Aromatics
0.170.040.150.09
Potentially increase the yields
15
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Concluding Remarks
Unique comparison on model performance for an annual tracer dataset
Measured tracer compounds are not inert – some react, degrade, and/orhave secondary sources in the atmosphere
Measurement uncertainty is ~ 30%
A valuable dataset for diagnostic evaluation:
16
Source
SummerGain
(μgC/m3)
NorthbrookWinter Gain
(μgC/m3)
DetroitSpring Gain
(μgC/m3)
Non-DetroitSpring Gain
(μgC/m3)
SOA
1.29
0.27
0.61
0.53
Biomass Burning
0.38
0.32
-0.07
0.08
Mobile
0.07
0.07
0.09
0.17
Natural Gas
-0.04
-0.01
-0.19
-0.01
“Unexplained”
0.00!!
0.75
-0.14
0.23
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
17
contact: napelenok.sergey@epa.gov
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
Additional Material…
18
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
19
Model Description
CMAQ v4.7.1
SAPRC99 Chemistry
12km horizontal Eastern US domain nested within 36km continentaldomain
24 vertical layers up to 100 mb.
MM5 meteorology
SMOKE emissions (special treatment for primary TC)
Hourly Geos-Chem boundary conditions
Track source specific primary carbon concentrations using the CarbonApportionment option
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
20
backgrounds_2955d
Office of Research and Development
National Exposure Research Laboratory, Atmospheric Modeling and Analysis Division
21
Summary/Conclusions
Comparisons of measured and modeled tracers for primary sources arereasonable considering the uncertainty range of the observations (30%).
Hopanes and Steranes show the best comparison.
Levoglucosan is under predicted by the model in the summer indicating apossible missing source (wild fires in Canada?)
Tracers with high model/obs ratios are known to degrade in theatmosphere (decay process not implemented in the model) e.g. hopanesat the rural site Bondville.
Higher model/obs ratios in the summer support the possibility of tracervolatilization and degradation.
Tracers with low model/obs ratios are known to have secondary sourcein the atmopshere e.g. n-Alkanoic Acids.