Meteorologische Treiber Modul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf

1. Meteorologische TreiberModul Luftchemie 27.11.2009 Sabine Banzhaf

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

3. 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

4. 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

5. 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)

6. 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

7. 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)

8. 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 fürAusbreitungsrechnungen • Wird über Turbulenzbetrachtungen parametrisiert (ustar, Monin Obukhov, turb. Wärmestrom) • Messungen für mögliche Evaluationen  Vortrag

9. 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

10. 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

11. 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

12. Vertikale Koordinatensysteme – Theta System [zurück]

13. Vertikale Koordinatensysteme – Sigma System [zurück]

14. Vertikale Koordinatensysteme – Eta System

15. Vertikale Koordinatensysteme – Hybrides System

16. Pros&Cons Diagnostic Driver Dynamic Driver • 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 Dynamic or diagnostic driver

17. 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

18. Beispiel: Analyse System TRAMPER Langer, 2009

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

20. 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)

21. Beispiel: Analyse System TRAMPER Topographie

22. Beispiel: Analyse System TRAMPER Landnutzung

23. Beispiel: Analyse System TRAMPER Rauhigkeitslänge

24. Beispiel: Analyse System TRAMPER Albedo

25. 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

26. 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

27. 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

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

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

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

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

32. 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

33. 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

34. 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

35. Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration Temperature Very good agreement

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

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

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

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

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

41. Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration “MH-Measurements” 1500 m 800 m Bonafe‘ et al., 2005

42. Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

43. Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration 21 28 28 25

44. Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration

45. Einfluss der Meteorologie auf PM10-Konzentration [%]

46. Einfluss der Meteorologie auf Deposition Diagnostic Meteorological Driver TRAMPER Prognostic Meteorological Driver COSMO-EU Chemistry Transport Model RCG DepositionRCG-TRAMPER DepositionRCG-COSMO-EU EMEP Deposition Measurements Structure of Investigation

47. 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

48. 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

49. Einfluss der Meteorologie auf Depositionen Wet Deposition - Precipitation

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