WP-I1 Modul für Städtische Luftqualität

Projektziele:

Luftverschmutzung und Hitzestress sind die beiden wichtigsten Umweltprobleme für die Menschen in den Städten, die zu einer erhöhten Krankheitslast und letztlich zu einem vorzeitigen Tod führen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass allein die Luftverschmutzung jährlich für sieben Millionen vorzeitige Todesfälle weltweit verantwortlich ist. Der politische Rahmen für die Luftqualität und die daraus resultierenden Strategien zur Minderung der Luftverschmutzung spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Luftqualität in städtischen Gebieten.

Daher ist die Bewertung der aktuellen lokalen Luftverschmutzungsminderungsmaßnahmen eine der zentralen Anwendungen von PALM-4U, die große wissenschaftliche und politische Aufmerksamkeit erhält. Die chemische Modellierung ist in vielerlei Hinsicht komplexer als die Modellierung der städtischen Meteorologie, da die Chemie von mehr Variablen (einschließlich in Raum und Zeit stark schwankender Emissionen) und Prozessen abhängt. Auch die Bewertung ist schwieriger, da chemische Prozesse weniger gut verstanden werden als physikalische Grundlagen (d.h. die Fähigkeiten der meteorologischen Modelle sind besser als die der Chemie). Relevante Luftschadstoffe sind Stickoxide (NOx), Ozon (O3), anthropogene und biogene organische Verbindungen sowie Aerosole, die komplexe Gemische aus groben (< 10 μm), feinen (< 2,5 μm) und ultrafeinen (< 0,1 μm) Primär- und Sekundärpartikeln. Die Aerosolzusammensetzung (z.B. Ruß) und die Wasseraufnahme sind die Schlüsselvariablen für zukünftige Untersuchungen des städtischen Strahlungshaushalts und der Wolken-/Regenbildung.

In der ersten Phase von MOSAIK wurde PALM um ein Modul für atmosphärische Gasphasenchemie erweitert, um luftqualitätsbezogene Studien mit PALM-4U zu ermöglichen. Obwohl bereits in der Vergangenheit Studien mit Chemie im Rahmen der Large-Eddy-Simulation (LES) durchgeführt wurden, ist PALM-4U das erste LES-Modell, das die chemische Umwandlung, Advektion und Ablagerung von Luftschadstoffen für größere und realistisch geformte städtische Gebiete simulieren kann (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2 unten). Die auf dem KPP-Präprozessor basierende Implementierung ermöglicht die flexible Erzeugung und Auswahl von chemischen Mechanismen in der Gasphase (siehe Abbildung 3). Darüber hinaus wurden in PALM-4U im Rahmen der MOSAIK-Phase 1 trockene Depositionsprozesse und Module für die Photolyse und den Input von Emissionen implementiert. Das Ziel im Rahmen von MOSAIK II ist die Verbesserung des städtischen Chemiemoduls in Bezug auf biogene Emissionen, eine verbesserte Aerosolbeschreibung einschließlich ultrafeiner Partikel, Pollenemissionen und -transport sowie fortgeschrittene Emissionen und nasse Deposition von Schadstoffen.

Abbildung 1: Vorläufige Ergebnisse des Chemiemoduls für ein LES eines Tagesgangs für ein Gebiet um den Ernst-Reuter-Platz in Berlin, Deutschland. Berücksichtigt wurden ausschließlich Verkehrsemissionen, die in Abhängigkeit von den Straßentypenklassen aus OpenStreetMap? parametrisiert wurden. Gezeigt sind exemplarisch instantane xy-Schnitte von (a) NO2 und (d) O3 um 1330 UTC sowie yz-Schnitte (b)-(c) NO2 und (e)-(f) O3 während der Nacht (0530 UTC, (b) und (e)) und am Nachmittag (1330 UTC, (c) und (f)), zusammen mit der vertikalen Geschwindigkeit als Höhenlinien. Die Linie a' in (a) gibt den Ort an, an dem die yz-Schnitte aufgenommen wurden (Abbildung aus Maronga et al., 2019).

Abbildung 2: Horizontale Querschnitte der oberflächennahen NO2-Konzentration am 21. Juli 2013, um 1700 MEZ, für das Gebiet um den Ernst-Reuter-Platz, Berlin, Deutschland, basierend auf drei verschiedenen chemischen Mechanismen: PHSTAT (links), SMOG (Mitte), CBM4 (rechts).

Abbildung 3: CPU-Zeitbedarf für einen PALM-Lauf unter Verwendung der verschiedenen bereitgestellten Mechanismen (in den entsprechenden Farben unter der Grafik aufgeführt) im Vergleich zu einem reinen Meteorologie-Lauf. Die Balken im Vordergrund zeigen die Anstiegszeit, wenn nur der Transport der chemischen Verbindungen betrachtet wird.

Aufgabenstellung:

WP-I1.1: Beschreibung der BVOC-bezogenen Prozesse

WP-I1.2: Beschreibung von Pollenemissionen, atmosphärischem Transport und Ablagerung

WP-I1.3: Untersuchung der Machbarkeit der Verwendung der PALM-4U-Ausgabe zur Quantifizierung städtischer Treibhausgasbudgets

WP-I1.4: Erweiterung der Emissionsbeschreibung, der Optionen und der Handhabung zur Verwendung in idealisierten Studien

WP-I1.5 Erweiterte Aerosolbeschreibung für PALM-4U

WP-I1.6: Nasse Deposition

WP-I1.7: Modellbewertung und Code-Optimierung

WP-I1.8: Unterstützung für neue PALM-4U-Benutzer

Projektstruktur:

Dieses WP wird vom KIT und der FU Berlin in enger Zusammenarbeit mit der LUH durchgeführt.

Zu liefernde Ergebnisse:

DL1: Implementierung von BVOC-Emissionen, -Transport und chemischer Mechnismen

DL2: Einbeziehung von vorgegebenen Emissionen aus häuslichen Heizungen sowie Standardpunktquelleninformationen

DL3: Implementierung von Pollenemission, -transport und deren Deposition

DL4: UFP-Größenanteile und Koagulationsverlustfunktionen in PALM-4U

DL5: Arbeitsablauf für umgekehrte Modelllierung von CO2-Emissionen

DL6: Nasse Deposition in PALM-4U

DL7: Optimierung und Evaluierung der Codes neuer Komponenten

Bisheriger Fortschritt:

WP-I1.1, WP-I1.4 und WP-I1.8 haben begonnen.

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Kontaktdaten:

matthias.mauder[at]kit.edu,

renate.forkel[at]kit.edu,

sabine.banzhaf[at]met.fu-berlin.de

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