In 1997 gab es eine ausgedehnte Ozonepisode im August. Am 13. August wurden an vielen Stationen in Nordrhein-Westfalen (NRW) die Maximalwerte der Ozonkonzentrationen des Jahres 1997 gemessen (eigene Auswertung mit Daten des Landesumweltamt).
Diese Episode wurde im Rahmen des Forschungsverbund Verkehr und Umwelt untersucht. Ziel war es, die Anwendbarkeit des Modellsystems CARLOS zu zeigen. CARLOS (Chemie und Ausbreitung in der regionalen und lokalen Skala) ist eine gemeinsame Entwicklung im Rahmen des FVU aus den Modellen EURAD-CTM2 und FOOT3DK/WiTraK, die auch im Sonderforschungsbereich SFB419 der Universität Köln eingesetzt werden.
Im Rahmen einer Sensitivitätsstudie wurden Rechnungen mit dem EURAD-CTM2 durchgeführt, mit denen die transport- und luftchemische Wirkung der von Nordrhein-Westfalen verursachten Anteile der Emissionen qualitativ dargestellt werden können.
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| Bild 1: Berechnete Ozonkonzentration in ppb in ca. 0 bis 40 m Höhe um 14 UTC oder 16 Uhr MESZ, 13. August 1997. Über Nordrhein-Westfalen liegt ein Band erhöhter Ozonkonzentrationen, das sich von der Schweiz bis zur Nordsee erstreckt. Bereits am nächsten Tag wird dieser Bereich nach Osten verschoben sein. |
Zunächst wurde in einer Simulation mit berechneten Emissionen und der Meteorologie des Untersuchungszeitraums der Basisfall berechnet. In einem zweiten Rechenlauf wurden die Emissionsquellen abgeschaltet (d.h. deren Quellstärke auf Null gesetzt), die in NRW liegen. Biogene Emissionen wurden wie im Standardfall angenommen. Dieser Fall wird im folgenden als Nullfall bezeichnet.
Da der betrachtete Zeitabschnitt (7. August 1997 - 14. August 1997) Teil einer Ozonepisode ist, lassen sich Minderungspotentiale lediglich bezüglich hoher Ozonkonzentrationen und der eher unwahrscheinlichen Maßnahme "Totalabschaltung" einschätzen. Eine andere Interpretation wäre die, daß alle Emittenten innerhalb NRW mit vollkommener Abgasreinigung arbeiten, während die umgebenden L"ander mit Standardverfahren arbeiten. In der Differenzendarstellung (s.u.) zeigt sich dann die "Ausbreitung der Wirkung" in Form von Bereichen höherer oder geringerer Konzentration von Luftschadstoffen. Die vorherrschende Windströmung wechselte von anfangs West auf Ost und Süd, wie am Transport in den Filmen (siehe Ergebnisse) deutlich zu erkennen ist.
Ergebnisse:
Standardfall 3.5 MByte MPEG-Movie. Klick startet Film. Die Simulation beginnt mit dem 7. August 1997. Die ersten beiden Tage (7., 8. August) dienen als Einschwingphase des Modells: ausgehend von Startwerten aus der Literatur (z.b. Hintergrundkonzentrationen von Ozon etc.) wird schnell ein Zustand erreicht, der die wirklichkeitsnahe Verteilung der Luftschadstoffe beschreibt. Die simulierte Episode (9. - 14. August) zeigt den langsamen Aufbau der hohen Ozonkonzentrationen, die am 13. August ihren Höhepunkt erreichen (Bild 1). In der Nacht zum 14. August ändert sich die Wetterlage und die Konzentrationen in NRW sinken merklich. Das Gebiet hoher Ozonkonzentrationen hat sich nach Osten verlagert (Bild 2).
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| Bild 2: Berechnete Ozonkonzentration in ppb in ca. 0 bis 40 m Höhe um 14 UTC oder 16 Uhr MESZ, 14. August 1997. Das am Vortag über Nordrhein-Westfalen liegende Band erhöhter Ozonkonzentrationen hat sich nach Osten verschoben. |
Differenz Nullfall - Standardfall 1.6 MByte MPEG-Movie. Klick startet Film. Gegenüber der aufwendigen qualitativen Untersuchung ist in den visualisierten Ergebnissen deutlich die Reichweite der von NRW "erzeugten" Ozonfahnen zu sehen. Diese Ozonfahne entsteht aus der Differenz der berechneten Ozonkonzentrationen der beiden Fälle. Dargestellt ist die relative Änderung in % (Null - Standard)/Standard. Nullfall minus Standardfall ergibt positive Änderungen, wenn die Abschaltung zu höheren Ozonkonzentrationen führt. Dies ist vor allem nachts in Gebieten mit NOx-Emissionen zu sehen. Dort führt NOx während der Nacht zu einem Abbau des Ozons. Negative Änderungen zeigen, daß im Nullfall geringere Ozonkonzentrationen berechnet wurden.
Differenz Nullfall - Standardfall 1.7 MByte MPEG-Movie. Klick startet Film. In diesem Film ist die relative Änderung der Konzentration von Stickstoffmonoxid dargestellt. Wieder zeigt sich ein rasch über NRW ausbreitender Bereich, in dem deutlich geringere NO-Konzentrationen auftreten. Vereinzelt gibt es Bereiche, in denen NO ansteigt, obwohl weniger emittiert wird. Die Ursache liegt in der Änderung der Ozonkonzentration: Dort wo weniger Ozon mit NO reagieren kann (weil der Ozonpegel abgenommen hat) wird vom schon vorhandenen NO mehr "übrigbleiben".
Danksagung
Die Arbeiten wurden gefördert vom Ministerium für Wissenschaft und Forschung, Nordrhein-Westfalen. Das Landesumweltamt Essen stellte die Daten für Teile der Emissionskataster zur Verfügung, sowie Daten des TEMES-Netzwerks. Die Unterstützung des Bildungsministeriums für Wissenschaft und Forschung ist eine der Grundlagen der Arbeit von EURAD, wie auch die Finanzierung durch das Rheinische Institut für Umweltforschung (RIU), Köln. Die Daten für das meteorologische Modell wurden aufbereitet mit Unterstützung von Prof. P. Speth, I. Stiefelhagen und Birdie Roeben, Universität Köln. Die Windfelder wurden von Dr. H. Jakobs (RIU) mit MM5 berechnet, Dr. M. Memmesheimer (RIU) erstellte die Emissionskataster. Die notwendige Rechenleistung wurde uns vom Forschungszentrum Jülich bereitgestellt, im besonderen ZAM, ICG2 und ICG3.
Die Filme sollten mit einem Browser als MPEG-Filme durch Klick auf die Verbindungsmarken (Standard, Differenz) abspielbar sein.
