Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf

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


• 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 ?


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)


• 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



• 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)



• 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



• 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


• 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


Vertikale Koordinatensysteme – Theta System

[zurück]


Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System

[zurück]


Vertikale Koordinatensysteme – Eta System


Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System


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 parameters 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



Langer, 2009


topography and met. observations



• 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)



Topographie



Landnutzung



Rauhigkeitslänge



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


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


• 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 währendeines Tages in einer Gitterbox

Chemie Transport Modell RCG Koordinaten


RESOLUTION: 0.25° LATIDUDE, 0.5° LONGITUDE82 x 125 grid cells

Large scale model domain


Berlin-Brandenburg (Nest 1): 4x4 km2

Urban/regional scale model domain


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


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


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



Temperature

Very good agreement



PM10 - Wind Speed Profile SYNOP-Station Lindenberg

hourly Wind Speeds



SYNOP-Station Lindenberg

hourly Wind Speeds

Wind Speed Profile



SYNOP-Station Lindenberg

hourly Wind Speeds

Wind Speed Profile



Friction Velocity

COSMO-EU

TRAMPER



Mixing Height

COSMO-EU

TRAMPER



“MH-Measurements”Bonafe‘ et al., 2005

800 m

1500 m





28

25

21

28





[%]



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


• 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



• 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 – integrated Cloud Water Content

scale difference of a factor of 10



CWCCOSMO-EU

CWCTRAMPER

CWCCloudnetObservations

(Cloudnet project data from University of Reading for site Lindenberg)


Wet Deposition – SOx, NHx



Wet Deposition - SOx and NHx

COSMO-EU CWCx10



SOx (ug/m3) 1200m 1200m

Wet Deposition – SOx, NHx Average vertical DistributionMay 2005

SOx (ug/m3)1200m 1200m

NHx (ug/m3)1200m 1200m



Total Deposition - NHx TD TD



Wet Deposition vs. Dry Deposition - ustar



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!

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