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Veröffentlicht von:Mathilde Holzmann Geändert vor über 9 Jahren
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Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf
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Aerosol-Chemistry-Transport Model
Model-System Aerosol-Chemistry-Transport Model Emissions Boundary conditions Depositions Concentrations Meteorology
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Aerosol-Chemistry-Transport Model
Model-System Boundary conditions Meteorology Emissions Aerosol-Chemistry-Transport Model Depositions Concentrations
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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
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Verschiedene Anwendungen
Chemie Transport Modelle (CTMs): LARGE and URBAN SCALE: 3D-CTM URBAN/LOCAL SCALE: 3D-CTM für multible Straßenschluchten 2D-STREET MODEL für einzelne Straßenschluchten
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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)
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Was wird gebraucht ?
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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
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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)
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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
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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
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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
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Vertikale Koordinatensysteme
Die verschiedenen Koordinatensysteme haben je nach Anwendung Vor- und 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
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Vertikale Koordinatensysteme – Theta System
[zurück]
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Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System
[zurück]
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Vertikale Koordinatensysteme – Eta System
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Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System
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Dynamic or diagnostic driver
Pros & Cons all parameters operationelly available physically consistent data assimilation not sufficient forcasting errors in meteorological fields errors can accumulate over time meteorological fields out of interpolated observations obs. = reality (?!) no accumulation of errors only observed para- meters are available smoothing by use of interpolation physical incon- sistence possible
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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: °x0.125° ~ 7x8km2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen
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Beispiel: Analyse System TRAMPER
Langer, 2009
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topography and met. observations
Beispiel: Analyse System TRAMPER topography and met. observations
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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)
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Beispiel: Analyse System TRAMPER
Topographie
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Beispiel: Analyse System TRAMPER
Landnutzung
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Beispiel: Analyse System TRAMPER
Rauhigkeitslänge
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Beispiel: Analyse System TRAMPER
Albedo
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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: °x0.0625° ~ 7x7km2 über Europa/ 40 hybride Modellflächen
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Meteorologische Felder für den Schadstofftransport
Dreidimensionale Felder: Temperatur, relative Feuchte, Windvektor, Druck und lokale Stabilität Zweidimensionale Felder: 2m Temperatur, 2m relative Feucht, 10m 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
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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
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Chemie Transport Modell RCG Koordinaten
Schematische Darstellung des Verlaufs der zeitabhängigen Schichten während eines Tages in einer Gitterbox
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Large scale model domain
RESOLUTION: 0.25° LATIDUDE, 0.5° LONGITUDE 82 x 125 grid cells
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Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km2
Urban/regional scale model domain Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km2
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Urban scale model domain
Berlin-Brandenburg (Nest 2): 1x1 km2
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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
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Daten: TRAMPER: - Domain: Germany Auflösung: ca. 15x15 km 3D-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
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Daten: COSMO-EU: - Domain: Germany Auflösung: ca. 15x15 km 3D-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
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Temperature Very good agreement
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
PM10 - Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Friction Velocity zo Abhängigkeit COSMO-EU TRAMPER
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Friction Velocity COSMO-EU TRAMPER
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Mixing Height COSMO-EU TRAMPER
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
“MH-Measurements” Bonafe‘ et al., 2005
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
21 28 28 25
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
[%]
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Structure of Investigation
Einfluss der Meteorologie auf Deposition Structure of Investigation Chemistry Transport Model RCG Prognostic Meteorological Driver COSMO-EU Deposition RCG-TRAMPER Deposition RCG-COSMO-EU EMEP Deposition Measurements Diagnostic TRAMPER
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Einfluss der Meteorologie auf Deposition
TRAMPER Niederschlag basiert auf Interpolation von Beobachtung 3D-Wolken werden anhand von synoptischen Beobachtungen (Wolkentyp, Wolkenuntergrenze) und Wolkenparameter-Statistiken generiert (z.B. Flüssigwassergehalt verschiedener Wolkentypen, vertikale Verteilung von Wolkenwasser) Horizontale / Vertikale Auflösung: °x0.125° ~ 7x8km2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen Untersuchungsperiode Mai 2005
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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: °x0.0625° ~ 7x7km2 over Europe/ 40 hybrid model levels Untersuchungsperiode Mai 2005
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Wet Deposition - Precipitation
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - Precipitation
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Wet Deposition – integrated Cloud Water Content
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – integrated Cloud Water Content scale difference of a factor of 10
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CWC Cloudnet Observations CWC TRAMPER CWC COSMO-EU
(Cloudnet project data from University of Reading for site Lindenberg) CWC TRAMPER CWC COSMO-EU
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Wet Deposition – SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – SOx, NHx
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Wet Deposition - SOx and NHx COSMO-EU CWCx10
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - SOx and NHx COSMO-EU CWCx10
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Wet Deposition – SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – SOx, NHx SOx (ug/m3) 1200m Average vertical Distribution May 2005 SOx (ug/m3) 1200m 1200m NHx (ug/m3) 1200m
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Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Total Deposition - NHx TD
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Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar
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Dry Deposition - SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Dry Deposition - SOx, NHx
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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!
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