Meteorologische Treiber Modul Luftchemie Sabine Banzhaf

Präsentation zum Thema: "Meteorologische Treiber Modul Luftchemie Sabine Banzhaf"—  Präsentation transkript:

1 Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf

2 Aerosol-Chemistry-Transport Model
Model-System Aerosol-Chemistry-Transport Model Emissions Boundary conditions Depositions Concentrations Meteorology

3 Aerosol-Chemistry-Transport Model
Model-System Boundary conditions Meteorology Emissions Aerosol-Chemistry-Transport Model Depositions Concentrations

4 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

5 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

6 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)

7 Was wird gebraucht ?

8 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

9 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)

10 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

11 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

12 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

13 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

14 Vertikale Koordinatensysteme – Theta System
[zurück]

15 Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System
[zurück]

16 Vertikale Koordinatensysteme – Eta System

17 Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System

18 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

19 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

20 Beispiel: Analyse System TRAMPER
Langer, 2009

21 topography and met. observations
Beispiel: Analyse System TRAMPER topography and met. observations

22 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)

23 Beispiel: Analyse System TRAMPER
Topographie

24 Beispiel: Analyse System TRAMPER
Landnutzung

25 Beispiel: Analyse System TRAMPER
Rauhigkeitslänge

26 Beispiel: Analyse System TRAMPER
Albedo

27 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

28 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

29 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

30 Chemie Transport Modell RCG Koordinaten
Schematische Darstellung des Verlaufs der zeitabhängigen Schichten während eines Tages in einer Gitterbox

31 Large scale model domain
RESOLUTION: 0.25° LATIDUDE, 0.5° LONGITUDE 82 x 125 grid cells

32 Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km2
Urban/regional scale model domain Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km2

33 Urban scale model domain
Berlin-Brandenburg (Nest 2): 1x1 km2

34 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

35 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

36 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

37 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Temperature Very good agreement

38 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
PM10 - Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds

39 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds

40 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg hourly Wind Speeds

41 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Friction Velocity zo Abhängigkeit COSMO-EU TRAMPER

42 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Friction Velocity COSMO-EU TRAMPER

43 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Mixing Height COSMO-EU TRAMPER

44 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
“MH-Measurements” Bonafe‘ et al., 2005

45 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

46 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
21 28 28 25

47 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

48 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
[%]

49 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

50 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

51 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

52 Wet Deposition - Precipitation
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - Precipitation

53 Wet Deposition – integrated Cloud Water Content
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – integrated Cloud Water Content scale difference of a factor of 10

54 CWC Cloudnet Observations CWC TRAMPER CWC COSMO-EU
(Cloudnet project data from University of Reading for site Lindenberg) CWC TRAMPER CWC COSMO-EU

55 Wet Deposition – SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition – SOx, NHx

56 Wet Deposition - SOx and NHx COSMO-EU CWCx10
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - SOx and NHx COSMO-EU CWCx10

57 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

58 Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Total Deposition - NHx TD

59 Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar

60 Dry Deposition - SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Dry Deposition - SOx, NHx

61 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!