Teilprojekt 2.2 - Regionalisierte Projektion von atmosphärenchemischen Kenngrößen
Die Luftqualität bestimmt alle Bereiche unseres täglichen Lebens: Gesundheit, Freizeitverhalten, meteorologisch bedingte Schäden an Sachgütern, Korrosion). In urbanen Ballungsgebieten wird sie in hohem Maße durch Anteile und Zusammensetzungen von Spurenstoffen in der Luft bestimmt. Die Untersuchungen im Teilprojekt 2.2 zielen auf die Charakterisierung des Feinstaubs in der Troposphäre der Stadtluft und dessen klimabedingt zu erwartende Veränderung.
Als Beitrag für die Entwicklung des umsetzungsorientierten, integrierten regionalen Klimaanpassungsprogramms REGKLAM mit dem Ziel der Sicherung der langfristigen Wettbewerbsfähigkeit und einer stabilen Lebensqualität waren geplant:
Größenaufgelöste Messung von Feinstaubpartikeln in der Stadtluft und deren physikalisch-chemisch Charakterisierung: Diese Charakterisierung erfolgte gezielt an Tagen mit ausgewählten meteorologischen Bedingungen, die sich bezüglich der zunehmenden Häufigkeit ihres Auftretens in den Zeitraum bis 2050 projizieren lassen. Es wurden möglichst jene Komponenten berücksichtigt, deren Statistik für Anteil oder Zusammensetzung sich im Rahmen des Klimawandels ändern wird. Die Messungen stehen für Vergleiche mit dem COSMO-MUSCAT-Modell zur Verfügung.
Projektion der Luftqualität in der Stadtregion bezüglich Feinstaub in den Zeitraum bis 2050: Diese Projektion erfolgte durch die Anwendung des dem Stand der Wissenschaft entsprechenden, multiskaligem Chemie-Transport-Modells COSMO-MUSCAT, das in seiner „urbanisierten“ Form bis zu einer horizontalen Auflösung von 100 x 100 m anwendbar ist.
Für eine Abschätzung der Änderungen der Feinstaubbelastung wurde zunächst die aktuelle Feinstaubsituation in Dresden untersucht. Dafür wurden in Messkampagnen an ausgewählten Tagen größenaufgelöste Feinstaubpartikel gesammelt und chemisch analysiert. Die zu den Messzeiten vorherrschenden meteorologischen Situationen wurden charakterisiert. Aus Klimamodellen (vgl. TP 2.1) konnten schließlich Aussagen darüber abgeleitet werden, wie sich die Häufigkeit dieser meteorologischen Situationen in Zukunft verändern wird. Auf dieser Basis konnte die Feinstaubbelastung in der Zukunft, basierend auf heutigen Emissionen, abgeschätzt werden.
Im Ergebnis zeigt sich, dass der Klimawandel zu einer leichten Verringerung der Feinstaubbelastung führen kann, die Situation sich voraussichtlich aber nicht grundlegend verändern wird. Zur Einhaltung heutiger und zukünftiger Grenzwerte sind gezielte Maßnahmen zur Senkung anthropogener Emissionen der gebotene Weg.
Eine Beschreibung der dreidimensionalen Gesamtsituation der Aerosolverteilung innerhalb eines kompletten Stadtgebietes bzw. die Auffindung örtlicher Spitzenkonzentrationen (Hotspots) in einzelnen Straßen sind nur durch Modell-Simulationen zu erhalten. Hierzu wurde das am Leibniz Institut für Troposphärenforschung entwickelte Modellsystem COSMO-MUSCAT mit sehr feinen horizontalen Gitterauflösungen (bis zu 100 m) angewendet.
Die Arbeiten im Teilprojekt 2.2 konzentrierten sich auf folgende Ziele:
Charakterisierung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Luftqualität durch Abschätzungen der Änderung der Aerosolkonzentrationen im Dresdner Raum auf Grund prognostizierter Klimaänderungen
Größenaufgelöste chemische Charakterisierung heutiger Feinstaubpartikel in Dresden unter besonderer Berücksichtigung meteorologischer Parameter
Untersuchung des Einflusses des Stadtgebietes durch zeitgleiche Probensammlung an ländlichen Hintergrundstationen
Entwicklung und Test einer urbanisierten Version des Chemie-Transport-Modellsystems COSMO-MUSCAT
Modellierung der räumlichen und zeitlichen Partikelbelastung der Stadt Dresden für ausgewählte, auch zukünftige Zeiträume
Zur Erreichung der Ziele des Teilprojekts 2.2 wurden folgende Aufgaben bearbeitet:
Auswahl und Einrichtung einer Messstation zur Sammlung größenaufgelöster Partikel an einer repräsentativen Stelle im Dresdner Stadtgebiet
Organisation von Messkampagnen (Ziel: Beprobung an mindestens 64 Tagen)
Bestimmung der gesammelten Partikelmasse
Chemische Untersuchung der Partikelproben auf ionische Bestandteile, organischen Kohlenstoff, Ruß, Spurenmetalle und organische Einzelspezies (PAKs*, n-Alkane)
Chemische Massenschließung durch Abschätzung der Masse an organischem Material, Wasser und mineralischem Material
Auswertung einer 10-jährigen Datenreihe von PM10 und PM2.5 Daten unter Nutzung von Wetterklassifikationen
Simulation der Aerosolkonzentrationen für ausgewählte Episoden
Vergleich der Modellergebnisse mit Messdaten von städtischen und Hintergrundstationen
* Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
Abb. 1: Der LfULG-Messcontainer Winckelmannstraße wurde für die Sammlung von Feinstaub in Dresden genutzt (urbaner Hintergrund). Foto: S. Scheinhardt (TROPOS)
Abb. 2: Der gesammelte Feinstaub (schwarze Punkte) wurde chemisch analysiert. Foto: S. Scheinhardt (TROPOS)
Die insgesamt tatsächlich beprobten 85 Messtage wurden anhand der folgenden Parameter in Kategorien eingeteilt:
Jahreszeit: Sommer (S, Mai-Oktober), Winter (W, November-April)
großräumige Luftmassenherkunft (bestimmt mit 96-Stunden Rückwärtstrajektorien): West (W), Ost (O), andere (X)
Aus dieser Einteilung resultieren die Kategorien SWW (Sommer-West-Warm) usw. Die Häufigkeitsverteilung der Kategorien ist aus Langzeituntersuchungen bekannt, so dass über die Bildung des gewichteten Mittelwertes eine mittlere Feinstaubkonzentration und -zusammensetzung berechnet werden kann (Jahresmittel).
Anschließend wurden die zukünftigen Auftrittshäufigkeiten der Kategorien für zwei Szenarien ermittelt:
Szenario 2: Änderung der großräumigen Anströmungscharakteristik
Mithilfe der zukünftigen Auftrittshäufigkeiten kann über die Bildung des gewichteten Mittelwertes die zukünftige mittlere Feinstaubkonzentration und –zusammensetzung, auf der Basis sich nicht ändernder Emissionen, berechnet und mit der heutigen Situation verglichen werden.
Für ausgewählte Episoden werden außerdem Modellstudien durchgeführt, um die zu erwartenden Änderungen der Partikelbelastung im Dresdener Raum abzuschätzen. Hierbei werden prognostizierte Änderungen sowohl des Klimas (Temperatur, Niederschlag) als auch der Landnutzung (Aufforstung, Bebauung) berücksichtigt.
Um Gitterweiten von 100 x 100 m für die Strömungs- und Ausbreitungsrechnungen nutzen zu können, war eine über das klassische Rauigkeitskonzept hinausgehende Beschreibung der Prandtl-Schicht und der unteren Teile der städtischen Grenzschicht (< 50 m) im Modellsystem notwendig (Urbanisierung). Es wurden Eingangsparameter für die urbanisierte Modellversion aus Gebäudeumrissen und -höhen der Stadt Dresden mit Hilfe des Open Source Programms GRASS-GIS erstellt. Zusätzlich zu realen Modellläufen, welche die Meteorologie der Stadt Dresden mit den erarbeiteten Stadtstrukturdaten simulieren, wurden Sensitivitätsläufe mit unterschiedlichen künstlichen Stadtmorphologien gerechnet. Für ausgewählte Zeiträume erfolgte die Evaluierung des Modellsystems durch den Vergleich mit Messwerten von städtischen und Hintergrundstationen.
Die Simulationen erfolgten mit unveränderten Emissionen. Eine Prognose über zu erwartende Emissionsänderungen war nicht Gegenstand des Projektes.
Abbildung 3 zeigt die Feinstaubzusammensetzung (PM10) in Dresden für unterschiedliche meteorologische Situationen. Betrachtet man nur die insgesamt gefundenen Konzentrationen, so beobachtet man folgende Effekte:
Einfluss der Jahreszeit: Die Konzentrationen im Sommer sind niedriger als im Winter. Insbesondere die Werte für Nitrat, aber auch die Werte für Sulfat und Ruß sind im Winter deutlich höher als im Sommer. Dies liegt zum einen an der thermischen Flüchtigkeit einzelner Species, andererseits aber auch an verstärkten anthropogenen Emissionen im Winter.
Einfluss der Luftmassenherkunft: Die westlichen Lustmassen sind sauberer als östliche bzw. andere Luftmassen. Dies zeigt sich vor allem an den Werten für Sulfat. Kontinentale Luftmassen zeigen aufgrund anthropogener Emissionen, aber auch aufgrund meteorologischer Bedingungen (im Winter: kalte Temperaturen, geringe Durchmischung der Atmosphäre) allgemein höhere Feinstaubwerte.
Einfluss der Temperatur: Warme Tage sind sauberer als kalte Tage. Dies liegt einerseits in der Flüchtigkeit mancher Verbindungen, andererseits aber auch in unterschiedlichen Emissionsstärken begründet.
Abb. 3: Feinstaubcharakteristik für unterschiedliche meteorologische Situationen. (Klicken um zu vergrößern)
Da Partikelproben sowohl im Zentrum von Dresden als auch an zwei ländlichen Hintergrundstationen gesammelt wurden, konnte gezeigt werden, dass die Feinstaubkonzentrationen in der Stadt höher sind als auf dem Land. Dies ist auf die starken anthropogenen Emissionen im Stadtgebiet zurückzuführen. Insgesamt werden etwa 8% der Partikelmasse in der Stadt generiert. Die kleinsten Partikel (Durchmesser von 50-140 nm) entstammen zu über 30% dem Stadtgebiet. Da diese Partikel in die Lunge eintreten können und einen hohen Gehalt toxikologisch relevanter Stoffe, z.B. PAKs, enthalten, geht von ihnen wahrscheinlich die größte Gesundheitsgefahr aus.
Klimamodelle geben die heutigen Temperaturen recht gut wieder (vgl. Abbildung 4 und Ergebnisse aus TP 2.1). Die Modelle prognostizieren für die Zukunft steigende Temperaturen, insbesondere im Winterhalbjahr (rote Linien; Nach neuesten Forschungsergebnissen des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung und des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung könnte auch eine zukünftige Entwicklung in Richtung kältere Winter in Mitteleuropa möglich sein). Dadurch überschreiten immer mehr Tage die Temperaturschwelle, die „warme“ von „kalten“ Tagen unterscheidet (gestrichelte Linie). Zählt man die Tage über- und unterhalb der Temperaturschwelle (Tagesmitteltemperatur im Sommer 15,5°C, im Winter 3,5°C), ergeben sich die folgenden Aufteilungen.
Tabelle 1: Veränderung der Häufigkeit warmer und kalter Tage durch den Klimawandel
Da warme Tage geringere Feinstaubwerte liefern als kalte Tage, ist also tendenziell mit einer Verbesserung der Luftqualität zu rechnen. Eine Abschätzung zeigt, dass die Feinstaubbelastung durch die sinkende Häufigkeit der kalten, stark verschmutzten Tage im Jahresmittel um etwa 16% zurückgeht (vgl. Abb. 5). Der prognostizierte Rückgang ist insbesondere auf Substanzen, die aufgrund menschlicher Aktivitäten heute emittiert werden, beispielsweise Ruß und Sulfat, zurückzuführen.
Abb. 4: Gemessene und modellierte Temperaturjahresgänge an der DWD-Station Dresden-Klotzsche.
Abb. 5: Erwarteter Rückgang der Feinstaubbelastung (Jahresmittel) aufgrund steigender Temperaturen.
Szenario 2: Änderung der großräumigen Anströmungscharakteristik
Klimamodelle liefern kaum belastbare Aussagen zu künftigen Änderungen der Anströmungscharakteristik. Es gibt aber Hinweise darauf, dass westliche Luftmassenherkünfte in Zukunft an Bedeutung gewinnen könnten, insbesondere im Winterhalbjahr. Im Sommerhalbjahr zeichnen sich hingegen keine Änderungen ab. Um abzuschätzen, welchen Einfluss diese Anströmungsänderung auf die Feinstaubsituation hat, wurde angenommen, dass sich die Verteilung folgendermaßen ändert:
Tabelle 2: Angenommene Veränderung der Häufigkeit unterschiedlicher Anströmungen durch den Klimawandel.
Das Ergebnis ähnelt dem Ergebnis aus Szenario 1. Da westliche Anströmungen geringere Feinstaubwerte liefern als östliche, ist auch bei diesem Szenario tendenziell mit einer Verbesserung der Luftqualität zu rechnen. Die Abschätzung zeigt, dass die Feinstaubbelastung durch die sinkende Häufigkeit der östlichen, stark verschmutzten Anströmungen im Jahresmittel um etwa 6% zurückgeht. Auch in diesem Szenario ist der Rückgang insbesondere auf anthropogen emittierte Substanzen zurückzuführen. Der zunehmend maritime Einfluss macht sich in leicht steigenden Werten für Natrium und Chlorid bemerkbar.
Bei der Bewertung der Ergebnisse müssen folgende Punkte beachtet werden:
Der berechnete Rückgang ist möglicherweise nicht nur auf sinkende Stoffmengen, sondern auch auf die Verdampfung flüchtiger Substanzen zurückzuführen. Damit wären die betreffenden Substanzen immer noch in der Luft vorhanden. Gasförmige Komponenten konnten in dieser Studie nicht untersucht werden.
Die gefundenen Änderungen der Feinstaubbelastung sind moderat. Es ist voraussichtlich nicht mit dramatischen klimabedingten Veränderungen zu rechnen. Demgegenüber haben die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte, gerade in Sachsen, gezeigt, dass technologische Prozesse, wirtschaftliche und soziale Entwicklungen, die individuelle Lebensweise der Bürger sowie politisch-administrative Entscheidungen die Feinstaubbelastung massiv beeinflussen können. Solche Entwicklungen können über einen Zeitraum von fast 100 Jahren aber nicht sicher prognostiziert werden, so dass sie in dieser Arbeit außer Acht gelassen wurden. Auch Situationen, die heute nicht auftreten (beispielsweise Anströmungen, die aufgrund von häufigeren Waldbränden hohe Feinstaubwerte transportieren), können mit dem hier angewendeten Verfahren nicht berücksichtigt werden – alle hier gemachten Aussagen beruhen deshalb auf der Annahme, dass sich die Zusammensetzung innerhalb einer Kategorie bis 2100 nicht ändern wird.
Da die Feinstaubkonzentrationen bereits heute Grenzwerte überschreiten und im Rahmen der klimatischen Veränderung nicht mit einer wesentlichen Abnahme zu rechnen ist, bleibt es auch zukünftig eine wichtige Herausforderung, die Emissionen von Partikeln und ihren Vorläufersubstanzen zu vermeiden. Insbesondere die Emissionen von kleinsten Partikeln, die durch Verbrennungsprozesse in Heizungssystemen und Dieselfahrzeugen ohne Rußpartikelfilter entstehen, sollten vermieden werden, da diese Partikel den größten gesundheitsrelevanten Effekt haben. Auch in dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass inhalierbare kleine und kleinste Partikel dem Stadtgebiet entstammen.
Auswertung einer 10-jährigen Datenreihe von PM10 und PM2.5 Daten
Wetterklassifikationssysteme können genutzt werden, um Daten der Luftqualität (Feinstaub) mit meteorologischen Bedingungen zu verknüpfen. Bestimmte Großwetterlagen führen, unter anderem bedingt durch niedrige Windgeschwindigkeiten und Niederschläge, zu höheren Feinstaubkonzentrationen. Antizyklonale Wetterlagen zeigen im Mittel höhere PM10 und PM2.5 Konzentrationen als zyklonale Wetterlagen. Der Einfluss der Anströmrichtung ist geprägt durch eine höhere Emissionsdichte in östlicher Richtung, was zu einem erhöhten Anteil an Grenzwertüberschreitungen bei gegebenen Bedingungen führt.
Die Beschreibung der dreidimensionalen Aerosolverteilung innerhalb des kompletten Stadtgebietes Dresden ist nur durch Modellsimulationen möglich. Die Projektion der Luftqualität in der Stadtregion bezüglich von Aerosolen erfolgt mit einer dreiteiligen Modellkette, die aus dem meteorologischen Modell COSMO, einem urbanen Modul und dem Chemie-Transport-Modell MUSCAT besteht. Mit Hilfe ausgewählter IPCC Szenarien werden deren Auswirkungen auf die Aerosolverteilung der Stadt ermittelt. Das Modell wird mit fünf hierarchisch verschachtelten Gebieten (Abb. 6) mit horizontalen Auflösungen von 28 km für Europa und bis zu 180 m für Dresden betrieben und dient darüber hinaus dem Vergleich ausgewählter experimenteller Messungen.
Für das Modell COSMO/CLM wurden hochaufgelöste externe Eingabedaten erstellt. Die Orografie (SRTM), Landnutzungsklassen (CORINE, SPOTV) und Bodentypen (LfULG) wurden mit GRASS und SCRIP ins COSMO-Gitter konvertiert.
Abb. 6: Die fünf hierarchisch verschachtelten Nester für die Modellsimulationen
Um die städtische Auswirkung auf den Luftstrom und das Strahlungsbudget besser zu berücksichtigen, wurde das “Building Effect Parametrization (BEP)“-Schema von Martinelli (vgl. Martilli et al.: “An urban exchange parameterization for mesoscale models”. Boundary-Layer Meteorology 104, 261–304, 2002) weiterentwickelt und in das Modell COSMO implementiert. Basierend auf Stadtstrukturdaten von Dresden wurden dann relevante Eingabeparameter für das BEP-Modul abgeleitet (vgl. Abb. 7).
Abb. 7: Die Abstraktion eines realen Ausschnitts von Dresden (links) in Form von langen Blöcken (rechts) als Eingangsdaten für das urbane Modul.
Mit Hilfe der entwickelten Modellkonfiguration war es möglich, die Wechselwirkungen zwischen der Stadt-Struktur und den meteorologischen Variablen für spezielle synoptische Situationen (wie z. B. der Windkanalisation im Elbtal bei Anströmungen aus dem Böhmischen Becken) zu untersuchen. Ein anderer Schwerpunkt waren Sensitivitätsstudien mit verschiedenen Typen abstrahierter Städte, um den Einfluss des Bebauungstyps auf die dynamischen und thermischen Eigenschaften der Atmosphäre zu quantifizieren. Hierzu sind sowohl unterschiedliche, sehr dicht bebaute Strukturen, wie sie häufig in den Stadtzentren auftreten, als auch typische Vorstadtgebiete modelliert worden. Die wichtigste Aussage der Untersuchungen ist, dass bei Verwendung des urbanen Moduls die Qualität der Vorhersage ganz entscheidend vom richtigen Aspektverhältnis Haushöhe zur Straßenbreite abhängt. Wählt man dieses Verhältnis falsch, ergeben sich teilweise recht große Temperaturunterschiede (vgl. Abb. 8).
Abb. 8: Modellierte Temperaturänderungen am 12. Oktober 2006 um 6:00 Uhr für unterschiedliche idealisierte Stadtstrukturen im Vergleich zur komplexen Stadt Dresden.
Sebastian Scheinhardt, Gerald Spindler, Silvia Leise, Konrad Müller, Yoshiteru Iinuma, Achim Grüner, Frank Zimmermann, Jörg Matschullat, Hartmut Herrmann, 2012: Abschätzung der größenaufgelösten Partikelkonzentration und -zusammensetzung anhand wetterlagenorientierter experimenteller Messungen – REGKLAM-Ergebnisbericht zu Teilprojekt 2.2b, 57 Seiten.
Scheinhardt, S., Spindler, G., Leise, S., Müller, K., Iinuma, Y., Zimmermann, F., Matschullat, J., Herrmann, H. (2013) Comprehensive chemical characterisation of size-segregated PM10 in Dresden and estimation of changes due to global warming. Atmos. Environ. 75, 365-373.
Silvia Leise, Frank Zimmermann, Jörg Matschullat, Sebastian Scheinhardt, Gerald Spindler, Hartmut Herrmann, 2013: Unter künftigen ‚Normalbedingungen‘ zu erwartende chemische, größenfraktionierte Aerosol- und Feinstaub-Charakteristik einschließlich Herkunft, Transport, Deposition – REGKLAM-Ergebnisbericht zu Teilprojekt 2.2c,
Silvia Leise, Frank Zimmermann, Jörg Matschullat, 2013: Particulate matter and weather patterns. Assessment using two weather classification systems, Atmospheric Environment, eingereicht
Sändig, B. and E. Renner (2011). The urban impact on the regional climate of Dresden. Air pollution modeling and its application XXI : Proceedings of the 31th NATO/SPS International Technical Meeting on Air Pollution Modelling and Its Application (Torino, Italy, 27 September - 1 October 2010). D. G. Steyn and S. Trini Castelli. Dordrecht, Springer: 181-185.
Renner, E. and Sändig, B. 2010. The impact of urban morphology onto the regional climate of Dresden. 5th Climate Limited-area Modelling Community Assembly. Berlin, Germany. 31 August - 3 September 2010.
Sändig, B. and E. Renner (2010). The urban impact on the regional climate of Dresden. 10th AMS Annual Meeting, Zurich, Switzerland, 13-17 September 2010, Am. Meteo. Society.
Messungen aus diesem Projekt haben auch zur Erstellung folgender Produkte beigetragen:
Gerald Spindler, Thomas Gnauk, Achim Grüner, Yoshi Iinuma, Konrad Müller, Sebastian Scheinhardt, Hartmut Herrmann, 2012: Size-segregated charackterization of PM10 at the EMEP site Melpitz (Germany) using a five-stage impactor: a six year study, Journal of Atmospheric Chemistry 69, 127-157.
Sebastian Scheinhardt, Konrad Müller, Gerald Spindler, Hartmut Herrmann, 2013: Complexation of trace metals in size-segregated aerosol particles at nine sites in Germany, Atmospheric Environment, im Druck.
Silvia Leise, Martin Ebert, Stephan Weinbruch, Frank Zimmermann, Jörg Matschullat, 2013: Determination of mineral dust in atmospheric aerosol using crustal elements (Si, Al), in Bearbeitung.
Scheinhardt, S., Müller, K., Spindler, G., Herrmann, H. (2013) Complexation of trace metals in size-segregated aerosol particles at nine sites in Germany. Atmos. Environ. 74, 102-109.
Spindler, G., Grüner, A., Müller, K., Schlimper, S., Herrmann, H. (2013) Long-term size-segregated (PM10, PM2.5, PM1) characterization study at Melpitz – influence of air mass inflow, weather conditions and season. J. Atmos. Chem. 70, 165-195.
