Arbeitspaket M7: Urbane Chemie und Luftreinhaltung

Kontaktinformation

Projektleiter: ​Dr. Matthias Mauder , ​Dr. Renate Forkel

Mitarbeiter: Dr. Basit Khan

Institution: KIT/IMK-IFU, Garmisch-Partenkirchen (​http://www.imk-ifu.kit.edu/projects_2442.php)

Projektleiter: ​Dr. Sabine Banzhaf , ​Prof. Dr. Uwe Ulbrich

Mitarbeiter: Dr. Emmanuele Russo

Institution: Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie (​http://www.geo.fu-berlin.de/met/index.html)

Zielsetzung des Teilprojekts WP-M7

Schlechte Luftqualität in urbanen Gebieten aufgrund der starken anthropogenen Emissionen hat negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und das allgemeine Wohlbefinden. Um PALM-4U für Analyse zur Luftqualität und Studien zur Verringerung der Schadstoffbelastung verwenden zu können, müssen der Transport und die chemische Umwandlung von Luftschadstoffen in der Gasphase und Aerosole in PALM implementiert werden. Das primäre Ziel des Arbeitspaketes WP-M7 ist die Entwicklung eines online-gekoppelten Chemie-Moduls für PALM mit unterschiedlicher Komplexität: ein einfacheres Chemie-Schema für den LES-Modus, in dem die Turbulenz auf Straßenniveau im Detail beschrieben wird, und eine komplexere Chemie, die in Kombination mit dem RANS Modus angewendet werden kann. Neben dem eigentlichen Chemie-Modul sind auch zusätzliche Module und Eingangsdaten erforderlich, wie die Photolyse (Dissoziation der Moleküle durch Sonneneinstrahlung), Randbedingungen des Modells, oder die anthropogenen oder biogenen Emissionen, die innerhalb des WP-M7 entwickelt werden. Die Aufgaben im Rahmen dieses Arbeitspaketes werden zwischen Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Freien Universität Berlin (FUB) aufgeteilt. Die Erprobung des Modells erforlgt für Berlin. Die erforderlichen Emissionsinventare für die Emissionen, insbesondere aus dem Verkehr und dem Hausbrand, werden im Rahmen von externen Unteraufträgen erstellt.

Arbeitsprogramm

Der erste Schritt der Entwicklung eines Atmosphärenchemie-Moduls für LES ist die Implementierung zusätzlicher Euler‘scher Skalare für mehrere chemische Spezies einschließlich ihrer jeweiligen Quellen- und Senken-Terme. Als nächstes wird ein fotostationäres Gleichgewicht der NO-NO2-O3-VOC Chemie implementiert, und dann ein einfaches Nitrat-Ammonium-Sulfat Gleichgewichtssystem eingebaut. Eine parametrisierte Photolyse wird unter Verwendung der im Modell zur Verfügung stehenden Strahlungsinformation formuliert.

Zusätzlich wird ein Atmosphärenchemie-Modell für den RANS Modus entwickelt. Nach der Anpassung eines bereits existierenden Gasphasenchemie-Mechanismus, wird ein ausreichend komplexes System für sekundäre anorganische und organische Aerosole implementiert. Die Prozesse der trockenen und der nassen Deposition werden in dem neu entwickelten Modell einbezogen. Die Ergebnisse werden mit dem Chemie-Modul für den LES-Modus verglichen.

Eine angemessene Darstellung der Randbedingungen ist von entscheidender Bedeutung für eine realistische Simulation von chemischen Prozessen im urbanen System. Daher wird eine Schnittstelle mit einem mesoskaligen Atmosphärenchemie Modell geschaffen, um die seitlichen Randbedingungen zur Verfügung zu stellen. Daten über Landnutzung und biogene Emissionen werden für den Einsatz in dem neuen Stadtklimamodell vorbereitet.

Weitere wichtige Eingangsdaten werden durch die Konsolidierung und die zeitliche Disaggregation der anthropogenen Emissionen in einem konsistenten Datensatz zusammengefügt. Mit diesen bereitgestellten Daten können die beiden Chemie-Module getestet werden, zunächst im Hinblick auf korrekte technische Umsetzung und danach zur Validierung mit Daten aus der realen Welt. Darüber hinaus werden die neuen Module optimiert, um möglichst effizient auf Parallelrechnern zu laufen. Schließlich wird das Modell für bestimmte Fallstudien angewendet, um die Auswirkungen verschiedener Strategien zur Emissionsminderung auf Luftqualität in Städten zu simulieren