Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf

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

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

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

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)

Was wird gebraucht ?

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

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)

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

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

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

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

Vertikale Koordinatensysteme – Theta System [zurück]

Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System [zurück]

Vertikale Koordinatensysteme – Eta System

Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System

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

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°x0.125° ~ 7x8km2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen

Beispiel: Analyse System TRAMPER Langer, 2009

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

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)

Beispiel: Analyse System TRAMPER Topographie

Beispiel: Analyse System TRAMPER Landnutzung

Beispiel: Analyse System TRAMPER Rauhigkeitslänge

Beispiel: Analyse System TRAMPER Albedo

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°x0.0625° ~ 7x7km2 über Europa/ 40 hybride Modellflächen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration Temperature Very good agreement

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

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

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

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

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

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

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

Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration 21 28 28 25

Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration [%]

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

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: 0.0625°x0.125° ~ 7x8km2 über Deutschland/ 25 isentrope Flächen Untersuchungsperiode Mai 2005

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°x0.0625° ~ 7x7km2 over Europe/ 40 hybrid model levels Untersuchungsperiode Mai 2005

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

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

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

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

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

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

Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Total Deposition - NHx TD

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

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

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!