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Meteorologische Treiber
Modul Luftchemie
27.11.2009
Sabine Banzhaf
Modul Luftchemie, 27.11.2009
Model-System
Aerosol-Chemistry-Transport
Model
Emissions
Boundary conditions
Depositions Concentrations
Meteorology
Modul Luftchemie, 27.11.2009
• 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 ?
Modul Luftchemie, 27.11.2009
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
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
• 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 ?
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• 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 ?
Modul Luftchemie, 27.11.2009
• 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 fürAusbreitungsrechnungen
– Wird über Turbulenzbetrachtungen parametrisiert (ustar, Monin Obukhov, turb. Wärmestrom)
– Messungen für mögliche Evaluationen Vortrag
Was wird gebraucht ?
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• 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 ?
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
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• 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
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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
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
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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: 0.0625°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
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• 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
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Topographie
Beispiel: Analyse System TRAMPER
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Landnutzung
Beispiel: Analyse System TRAMPER
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Rauhigkeitslänge
Beispiel: Analyse System TRAMPER
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Albedo
Beispiel: Analyse System TRAMPER
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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:0.0625°x0.0625° ~ 7x7km2 über Europa/ 40 hybride Modellflächen
Modul Luftchemie, 27.11.2009
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
Modul Luftchemie, 27.11.2009
• 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
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Schematische Darstellung des Verlaufs der zeitabhängigen Schichten währendeines Tages in einer Gitterbox
Chemie Transport Modell RCG Koordinaten
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RESOLUTION: 0.25° LATIDUDE, 0.5° LONGITUDE82 x 125 grid cells
Large scale model domain
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Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km2
Urban/regional scale model domain
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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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Daten:
TRAMPER: - Domain: Germany
Auflösung: ca. 15x15 km3D-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
Modul Luftchemie, 27.11.2009
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
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Temperature
Very good agreement
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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PM10 - Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg
hourly Wind Speeds
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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SYNOP-Station Lindenberg
hourly Wind Speeds
Wind Speed Profile
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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SYNOP-Station Lindenberg
hourly Wind Speeds
Wind Speed Profile
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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Friction Velocity
COSMO-EU
TRAMPER
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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Mixing Height
COSMO-EU
TRAMPER
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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“MH-Measurements”Bonafe‘ et al., 2005
800 m
1500 m
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
Modul Luftchemie, 27.11.2009
28
25
21
28
Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration
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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
Chemistry Transport ModelRCG
PrognosticMeteorological Driver
COSMO-EU
DepositionRCG-TRAMPER
DepositionRCG-COSMO-EU
EMEP Deposition Measurements
DiagnosticMeteorological Driver
TRAMPER
Einfluss der Meteorologie auf Deposition
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• 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
Modul Luftchemie, 27.11.2009
• 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
Einfluss der Meteorologie auf Deposition
Modul Luftchemie, 27.11.2009
Wet Deposition - Precipitation
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Modul Luftchemie, 27.11.2009
Wet Deposition – integrated Cloud Water Content
scale difference of a factor of 10
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Modul Luftchemie, 27.11.2009
CWCCOSMO-EU
CWCTRAMPER
CWCCloudnetObservations
(Cloudnet project data from University of Reading for site Lindenberg)
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Wet Deposition – SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Modul Luftchemie, 27.11.2009
Wet Deposition - SOx and NHx
COSMO-EU CWCx10
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Modul Luftchemie, 27.11.2009
SOx (ug/m3) 1200m 1200m
Wet Deposition – SOx, NHx Average vertical DistributionMay 2005
SOx (ug/m3)1200m 1200m
NHx (ug/m3)1200m 1200m
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
Modul Luftchemie, 27.11.2009
Total Deposition - NHx TD TD
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
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Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
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Dry Deposition - SOx, NHx
Einfluss der Meteorologie auf Depositionen
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!