Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27. 11. 2009 Sabine Banzhaf
Model-System Boundary conditions Meteorology Emissions Aerosol. Chemistry. Transport Model Depositions Modul Luftchemie, 27. 11. 2009 Concentrations
Was ist ein meteorologischer Treiber ? • Transport, Umwandlung in der Atmosphäre und Verbleib der chemischen Komponenten in der Atmosphäre sowie Entfernen der Stofffracht aus der Atmosphäre (=Deposition) sind stark von Zustand und Entwicklung atmosphärischer Größen abhängig • Der meteorologische Treiber eines Chemie Transport Modells liefert den Zustand und die Entwicklung atmosphärischer Größen • Als Treiber kann jedes meteorologische Modell fungieren, das die vom Chemie Transport Model benötigten meteorologischen Parameter bereitstellen kann • Anforderung an den meteorologischen Treiber variiert mit Anwendung des Chemie Transport Modells Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Verschiedene Anwendungen Chemie Transport Modelle (CTMs): • LARGE and URBAN SCALE: - 3 D-CTM • URBAN/LOCAL SCALE: - 3 D-CTM für multible Straßenschluchten - 2 D-STREET MODEL für einzelne Straßenschluchten Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Was wird gebraucht ? • Bereitstellung meteorologischer Felder für Langzeit-Rechnungen und Diagnose: – large scales (Europa) – Urban/regional scales ( z. B. Berlin/Brandenburg) – Straßenschluchten (z. B. Berlin) Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Was wird gebraucht ? • Wichtig es ist, den Ist-Zustand so gut wie möglich abzubilden meist Verwendung von Analysen • Grenzschicht von großer Bedeutung für Modellierung: – Grenzt an Boden an überwiegender Anteil der Emissionsquellen befindet sich in Grenzschicht • Viele Grenzschichtparameter sind subskalige Größen Parametrisierung • Die Grenzschicht ist zugleich schwer zu modellieren als auch zu evaluieren Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Was wird gebraucht ? • Beispiel Turbulenz: – Transport aus Höhe zum Boden und der Transport von bodennah emittierten Stoffen in die Höhe hauptsächlich über die vertikale turbulente Durchmischung Turbulenz sehr wichtig in der Schadstofftransportmodellierung – Turbulenz subskalig und noch nicht in allen Details verstanden Turbulenzparametrisierung (verschiedene Ansätze) Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Was wird gebraucht ? • Beispiel Mischunngschichthöhe: – Beschreibt den Oberrand der Grenzschicht – Die Mischungsschicht wird häufig am Oberrand durch eine Temperaturinversion abgeschlossen Sperre im atmosphärischen Austausch kann den Transport von atmosphärischen Gasen und Partikeln aus der bodennahen Schicht in die freie Troposphäre wirksam einschränken Die Mischungsschichthöhe fundamentale Größe für Ausbreitungsrechnungen – Wird über Turbulenzbetrachtungen parametrisiert (ustar, Monin Obukhov, turb. Wärmestrom) – Messungen für mögliche Evaluationen Vortrag Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Was wird gebraucht ? • Beispiel Niederschlag: – Niederschlag führt zur Auswaschung von Schadstoffen aus der Atmosphäre Einfluss auf Luftkonzentration chemischer Komponenten Großer Einfluss auf Deposition chemischer Komponenten – Niederschlag weist eine hohe räumliche und zeitliche Varianz auf Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
On-line vs. Off-line Modelle • On-line Modell: – Chemie ist im meteorologischen Modell integriert und wird hier mitberechnet (z. B. COSMO-MUSCAT) Rückkopplung Chemie auf Meteorologie möglich! • Off-line Modell: – Fester meteorologischer Datensatz als Input für das Chemie Transport Modell (z. B. REM-CALGRID) Keine Rückkopplung möglich, jedoch Rechenaufwand geringer Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Vertikale Koordinatensysteme • Die verschiedenen Koordinatensysteme haben je nach Anwendung Vorund Nachteile – Theta Flächen: § Pro: Vertikal gering ausgedehnte thermische Strukturen gut wiedergegeben z. B. Inversionen werden flächenhaft erfasst und ihre im allgemeinen schräge Raumlage wiedergegeben. § Con: Schneiden die Orographie – Sigma Flächen: § Pro: Folgen Orographie Koordinatenflächen schneiden Orographie nicht § Con: Orographie hat starken Einfluß auf Form der Koordinatenflächen auch höher in Atmosphäre Probleme bei Berechnung der horizontalen Druckgradientkraft – Eta Flächen Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
![Vertikale Koordinatensysteme – Theta System [zurück] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009](https://present5.com/presentation/6396a84fbd71e8e5c75ae113892ced8b/image-12.jpg "Vertikale Koordinatensysteme – Theta System [zurück] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009")
Vertikale Koordinatensysteme – Theta System [zurück] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
![Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System [zurück] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009](https://present5.com/presentation/6396a84fbd71e8e5c75ae113892ced8b/image-13.jpg "Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System [zurück] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009")
Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System [zurück] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Vertikale Koordinatensysteme – Eta System Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Dynamic or diagnostic driver Pros & Dynamic Driver • all parameters operationelly available • physically consistent Cons • data assimilation not sufficient • forcasting errors in meteorological fields • errors can accumulate over time Diagnostic Driver • meteorological fields out of interpolated observations obs. = reality (? !) • no accumulation of errors Modul Luftchemie, 27. 11. 2009 • only observed parameters are available • smoothing by use of interpolation • physical inconsistence possible
Beispiel: Analyse System TRAMPER • Diagnostisches Modell • Treiber für REM-CALGRID • Entwickelt am Institut für Meteorologie Berlin von Dr. Eberhard Reimer (Reimer and Scherer 1992) • TRAMPER = Tropospheric Realtime Applied Meteorological Procedures for Environmental Research • Analyseverfahren besteht aus einer statistischen Interpolation beobachteter und abgeleiteter Feldgrößen auf isentropen Flächen am Gitterpunkt und einem physikalischen Abgleich der Felder mittels Variationsrechnung • Horizontale / Vertikale Auflösung: 0. 0625°x 0. 125° ~ 7 x 8 km 2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER Langer, 2009 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER topography and met. observations Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER • First guess durch ECMWF Analyse • Transformation auf isentrope Koordinaten in der Vertikalen ( Inversionen, lokale Stabilität besser wiedergegeben) • Beobachtungsdaten vom DWD Korrektur durch statistische Interpolation der Beobachtungen • Grenzschicht Parameter und andere abgeleitete Feldgrößen werden berechnet • Transformation auf Eta oder hybride Koordinaten • Adaptation von Orographie and Landnutzung, ~ 1 to 4 km² Gitter • Anpassung an Topographie (Anpassung der Vertikalgeschwindigkeit, Massenerhaltung wird sichergestellt) Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER Topographie Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER Landnutzung Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER Rauhigkeitslänge Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel: Analyse System TRAMPER Albedo Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Beispiel COSMO-EU • Nicht-hydrostatisches Regional Modell des DWD • Basiert auf dem primitiven thermo-hydrodynamischen Gleichungssystem das kompressible Strömungen in einer feuchten Atmosphäre beschreibt • Rotierte geographische Koordinaten und eine generalisierte terrainfolgende Vertikalkoordinate • Horizontale / Vertikale Auflösung: 0. 0625°x 0. 0625° ~ 7 x 7 km 2 über Europa/ 40 hybride Modellflächen Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Meteorologische Felder für den Schadstofftransport Dreidimensionale Felder: Temperatur, relative Feuchte, Windvektor, Druck und lokale Stabilität Zweidimensionale Felder: 2 m Temperatur, 2 m relative Feucht, 10 m Wind, Wassertemperatur, Bodendruck, Drucktendenz, Bedeckungsgrad, Wolkenober- und untergrenze, Temperaturinversionen (Höhe und Dicke), Niederschlag Schneebedeckung Planetarische Grenzschicht: Mischungsschichthöhe, Monin Obukhov Länge, ustar, sensibler Wärmefluss, latenter Wärmefluss, Rauhigkeitslänge, Albedo von der Landnutzungsklasse abhängig Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Chemie Transport Modell RCG Koordinaten • Generalisiertes horizontales Koordinatensystem • Vertikal: Multi-Schichten-System mit in terrainfolgenden Koordinaten - Feste Schichten - Dynamische Schichten (zeitabhängiger Mischungsschichthöhe folgend) • Meteorologische Daten werden über ein interface anhand einer bilenearen Interpolation in der Horizontalen und einer linearen Interpolation in der Vertikalen auf das CTM Gitter gebracht Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Chemie Transport Modell RCG Koordinaten Schematische Darstellung des Verlaufs der zeitabhängigen Schichten während eines Tages in einer Gitterbox Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Large scale model domain RESOLUTION: 0. 25° LATIDUDE, 0. 5° LONGITUDE 82 x 125 grid cells Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Urban/regional scale model domain Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4 x 4 km 2 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Urban scale model domain Berlin-Brandenburg (Nest 2): 1 x 1 km 2 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Schadstofftransportmodellierung • Transport, Umwandlung in der Atmosphäre und Verbleib der chemischen Komponenten in der Atmosphäre abhängig von Zustand und Entwicklung atmosphärischer Größen Untersuchungen um den Einfluss der Meteorologie zu quantifizieren • Abschätzung des Einflusses der Verwendung abweichender meteorologischer Felder auf die Schadstofftransportmodellierung – Quantifizieren des Einflusses auf Simulationen von Schadstoffkonzentrationen – Quantifizieren des Einflusses auf Simulationen von Schadstoffdepositionen Verwendung unterschiedlicher meteorologischer Treiber: COSMO-EU TRAMPER Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Daten: TRAMPER: - Domain: Germany Auflösung: ca. 15 x 15 km 3 D-Wind, Temperature, Feuchte und Dichte basiert auf einer statistischen Interpolation von Synop-Daten Schubspannungsgeschwindigkeit: rauhigkeits- und stabilitätsabhängig Mischungsschichthöhen Ansatz: dynamischer prognostischer Ansatz abweichend für stabile, neutrale und labile Bedingungen Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Daten: COSMO-EU: - Domain: Germany Auflösung: ca. 15 x 15 km 3 D-Wind, Temperatur, Feuchte und Dichte interpoliert auf das TRAMPER-Gitter (vertikal and horizontal) Schubspannungsgeschwindigkeit: errechnet aus COSMO -EU Output-Feldern: Turbulenten Transferkoeffzient für Impuls an der Oberfläche und der Windgeschwindigkeit der untersten Modellschicht Mischungsschichthöhen Ansatz : Richardson-Zahl-Ansatz (B. Fay, DWD) mit konstantem Wert von ca. 320 m wenn Methode nicht anwendbar Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Temperature Very good agreement Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration PM 10 - Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Friction Velocity COSMO-EU TRAMPER Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Mixing Height COSMO-EU TRAMPER Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration 1500 m 800 m Bonafe‘ et al. , 2005 “MH-Measurements” Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration 21 28 28 25 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
![Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration [%] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009](https://present5.com/presentation/6396a84fbd71e8e5c75ae113892ced8b/image-45.jpg "Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration [%] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009")
Einfluss der Meteorologie auf PM 10 -Konzentration [%] Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Deposition Structure of Investigation Diagnostic Meteorological Driver TRAMPER Prognostic Meteorological Driver COSMO-EU Chemistry Transport Model RCG Deposition RCG-TRAMPER Deposition RCG-COSMO-EU EMEP Deposition Measurements Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Deposition • TRAMPER – Niederschlag basiert auf Interpolation von Beobachtung – 3 D-Wolken werden anhand von synoptischen Beobachtungen (Wolkentyp, Wolkenuntergrenze) und Wolkenparameter-Statistiken generiert (z. B. Flüssigwassergehalt verschiedener Wolkentypen, vertikale Verteilung von Wolkenwasser) – Horizontale / Vertikale Auflösung: 0. 0625°x 0. 125° ~ 7 x 8 km 2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen – Untersuchungsperiode Mai 2005 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Deposition • COSMO-EU – Nicht-hydrostatisches Regional Modell des DWD – Basiert auf dem primitiven thermo-hydrodynamischen Gleichungssystem das kompressible Strömungen in einer feuchten Atmosphäre beschreibt – Horizontal / Verticle Resolution: 0. 0625°x 0. 0625° ~ 7 x 7 km 2 over Europe/ 40 hybrid model levels – Untersuchungsperiode Mai 2005 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - Precipitation Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – integrated Cloud Water Content scale difference of a factor of 10 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
CWC Cloudnet Observations (Cloudnet project data from University of Reading for site Lindenberg) CWC TRAMPER CWC COSMO-EU Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – SOx, NHx Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - SOx and NHx COSMO-EU CWCx 10 Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – SOx, NHx Average vertical Distribution May 2005 SOx (ug/m 3) NHx (ug/m 3) 1200 m 1200 m Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Total Deposition - NHx TD TD Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Dry Deposition - SOx, NHx Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
Schlussfolgerung • Vorsicht bei der Analyse von nasser und trockener Deposition! Risiko gegenseitig kompensierender Fehler da die Prozesse gekoppelt sind! Man sollte diagnostische Abschätzungen nicht mit modelgestützten Abschätzungen mischen! Modul Luftchemie, 27. 11. 2009
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