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Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf.

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Präsentation zum Thema: "Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf."—  Präsentation transkript:

1 Meteorologische Treiber Modul Luftchemie Sabine Banzhaf

2 Modul Luftchemie, Model-System Aerosol- Chemistry- Transport Model Emissions Boundary conditions DepositionsConcentrations Meteorology

3 Modul Luftchemie, Model-System Aerosol- Chemistry- Transport Model Emissions Boundary conditions DepositionsConcentrations Meteorology

4 Modul Luftchemie, 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 Was ist ein meteorologischer Treiber ?

5 Modul Luftchemie, 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 Modul Luftchemie, 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 Modul Luftchemie, Was wird gebraucht ?

8 Modul Luftchemie, 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 Was wird gebraucht ?

9 Modul Luftchemie, 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) Was wird gebraucht ?

10 Modul Luftchemie, 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 Was wird gebraucht ?

11 Modul Luftchemie, 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 Was wird gebraucht ?

12 Modul Luftchemie, 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 Modul Luftchemie, Die verschiedenen Koordinatensysteme haben je nach Anwendung Vor- und Nachteile –Theta Flächen: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: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 FlächenEta Flächen Vertikale Koordinatensysteme

14 Modul Luftchemie, Vertikale Koordinatensysteme – Theta System [zurück]

15 Modul Luftchemie, Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System [zurück]

16 Modul Luftchemie, Vertikale Koordinatensysteme – Eta System

17 Modul Luftchemie, Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System

18 Modul Luftchemie, Dynamic or diagnostic driver Dynamic Driver 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 Modul Luftchemie, 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° ~ 7x8km 2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen

20 Modul Luftchemie, Beispiel: Analyse System TRAMPER Langer, 2009

21 Modul Luftchemie, topography and met. observations Beispiel: Analyse System TRAMPER

22 Modul Luftchemie, 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) Beispiel: Analyse System TRAMPER

23 Modul Luftchemie, Topographie Beispiel: Analyse System TRAMPER

24 Modul Luftchemie, Landnutzung Beispiel: Analyse System TRAMPER

25 Modul Luftchemie, Rauhigkeitslänge Beispiel: Analyse System TRAMPER

26 Modul Luftchemie, Albedo Beispiel: Analyse System TRAMPER

27 Modul Luftchemie, 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° ~ 7x7km 2 über Europa/ 40 hybride Modellflächen

28 Modul Luftchemie, 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 Meteorologische Felder für den Schadstofftransport

29 Modul Luftchemie, 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 Chemie Transport Modell RCG Koordinaten

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

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

32 Modul Luftchemie, Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km 2 Urban/regional scale model domain

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

34 Modul Luftchemie, 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 Modul Luftchemie, 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 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

36 Modul Luftchemie, 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 Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

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

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

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

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

41 Modul Luftchemie, Friction Velocity COSMO-EU TRAMPER Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration  zo Abhängigkeit

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

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

44 Modul Luftchemie, “MH-Measurements” Bonafe‘ et al., m 1500 m Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

45 Modul Luftchemie, Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

46 Modul Luftchemie, Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

47 Modul Luftchemie, Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

48 Modul Luftchemie, [%] Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

49 Modul Luftchemie, Structure of Investigation Chemistry Transport Model RCG Prognostic Meteorological Driver COSMO-EU Deposition RCG-TRAMPER Deposition RCG-COSMO-EU EMEP Deposition Measurements Diagnostic Meteorological Driver TRAMPER Einfluss der Meteorologie auf Deposition

50 Modul Luftchemie, 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° ~ 7x8km 2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen –Untersuchungsperiode Mai 2005 Einfluss der Meteorologie auf Deposition

51 Modul Luftchemie, 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° ~ 7x7km 2 over Europe/ 40 hybrid model levels –Untersuchungsperiode Mai 2005 Einfluss der Meteorologie auf Deposition

52 Modul Luftchemie, Wet Deposition - Precipitation Einfluss der Meteorologie auf Depositionen

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

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

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

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

57 Modul Luftchemie, SOx (ug/m3) 1200m Wet Deposition – SOx, NHx Average vertical Distribution May 2005 SOx (ug/m3) 1200m NHx (ug/m3) 1200m Einfluss der Meteorologie auf Depositionen

58 Modul Luftchemie, Total Deposition - NHx TD Einfluss der Meteorologie auf Depositionen

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

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

61 Modul Luftchemie, 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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