Institut für Meteorologie

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Einfluss der extremen meteorologischen Bedingungen im Sommer 2003 auf die Luftqualität

1.    Einleitung

Änderungen von meteorologischen Bedingungen haben einen Einfluss auf wichtige Prozesse für die Luftqualität wie Emissionen, Transport, chemische Reaktionen und Deposition und demnach auch auf die Konzentration von Schadstoffen. Eine Methode den Effekt einer Klimaänderung auf die Konzentration von Luftschadstoffen zu untersuchen ist eine synoptische Situation aus der Vergangenheit, deren erhöhtes Auftreten in der Zukunft erwartet wird, in Bezug auf ihren Effekt auf die Luftqualität zu untersuchen. Diese Methode hat den Vorteil, dass Messungen für diesen Zeitraum vorhanden sind und somit auch numerische Modelle für solche Episoden evaluiert werden können.

2.    Ziele

Der extreme Sommer 2003 wird häufig als ein Beispiel für eine solche synoptische Situation angenommen. Er war durch mehrere Hitzewellen mit hohen Temperaturen, geringem Niederschlag und schwachem Austausch in großen Teilen Europas charakterisiert. Um zu untersuchen, ob die meteorologische Situation im Sommer 2003 einen Effekt auf die Konzentration von Schadstoffen hatte, wurden Messungen des Sommers 2003 mit dem Mittel der Sommer einer Episode von fünf Jahren (2003-2007) verglichen. Dabei lag der Fokus auf der Untersuchung von Feinstaub (PM10) sowie dessen Komponenten. PM10 (Particulate Matter, Aerosol < 10µm) besteht aus verschiedenen Komponenten wie zum Beispiel elementarem Kohlenstoff (Ruß), Seesalz, Organischem Material, sekundären anorganischen Aerosolen sowie sekundären organischen Aerosolen. Um ausreichend Messdaten insbesondere auch für die Komponenten von PM10 zur Verfügung zu haben, wurde diese Untersuchung zu nächst für den nordwesteuropäischen Raum durchgeführt.

Des Weiteren sollte die Fähigkeit von state-of-the-art numerischen Chemie-Transportmodellen die gemessenen Konzentrationen während dieser Episode reproduzieren zu können untersucht werden. Hierfür wurden Modellläufe mit dem deutschen Modell REM/Calgrid (FU Berlin) und dem niederländischen Model LOTOS-EUROS (TNO) für die Jahre 2003-2007 durchgeführt.

3.    Ergebnisse

Während der synoptischen Situation im Sommer 2003 wurde ein Anstieg der PM10 Konzentrationen von im Mittel 1-10µg/m³ verglichen zu dem Fünfjahresmittel gemessen. Dieser Anstieg wurde von den beiden Modellen an den meisten Stationen nicht in der gleichen Höhe reproduziert. Des Weiteren zeigen beide Modelle deutliche Unterschiede in ihrer PM10 Modellierung, dies ist vor allem eine Folge der unterschiedlichen Beschreibung einiger Prozesse in den Modellen wie z.B. der Deposition und der unterschiedlichen Anzahl von PM10 Komponenten, die in den Modellen berücksichtigt werden.

Die Korrelation von PM10 Konzentrationen mit meteorologischen Parametern (Tagesmaximum der Temperatur, Windgeschwindigkeit, Niederschlagssumme, Mischungsschichthöhe) zeigen, dass gemessene Konzentrationen während Wetterbedingungen mit hohen Tagesmaxima-Temperaturen ansteigen. Das gleiche kann auch für elementaren Kohlenstoff, als ein Vertreter der primären Komponenten, gezeigt werden.

Schwacher horizontaler Transport als Folge von niedriger Windgeschwindigkeit und geringe nasse Deposition auf Grund von geringen Niederschlagsmengen, verstärken die Akkumulation von Schadstoffen und führen zu hohen Konzentrationen. Obwohl diese Bedingungen in der Eingangsmeteorologie der beiden Modelle wiedergegeben werden, sind die Modelle nicht in der Lage den oben beschrieben Zusammenhang für PM10 und elementaren Kohlenstoff wiederzugeben. Dies weist daraufhin, dass die Unterschätzung der Variabilität von PM10 mit der Meteorologie eine Folge von fehlenden aber wichtigen PM10 Komponenten und Emissionsquellen bzw. Unsicherheiten (Mineralstaub, sekundäre organische Aerosole und Waldbrände) darin ist.

4.    Schlussfolgerung

Um die Simulationsergebnisse der Modelle als Funktion der Meteorologie zu verbessern, sollten diese Emissionsquellen und die Bildung von sekundären organischen Aerosolen in den Modellen berücksichtigt bzw. verbessert werden. Des Weiteren sollte die Abhängigkeit von anthropogenen Emissionen von meteorologischen Bedingungen berücksichtigt werden. Diese sind wesentliche Aspekte für die Simulation solcher extremen Situationen.

5.    Ausblick

Dieser Themenbereich war hauptsächlich am Institut für Meteorologie der FU Berlin in der Arbeitsgruppe Troposphärische Umweltforschung (TrUmf) angesiedelt. Es hat jedoch während des gesamten Projektes eine starke Zusammenarbeit mit dem niederländischen Institut TNO stattgefunden. Daraus hat sich eine Finanzierung für ein weiteres Jahr für die in diesem Projektteil formulierten Fragestellungen ergeben. Eine Zusammenarbeit mit dem Institut für Weltraumwissenschaften an der FU Berlin ist im Gespräch, um mit speziellen LIDAR und DOAS-Messungen eine bessere Modellevaluierung auch in die Vertikal, zu ermöglichen.