Influence of Atmospheric Processes and Chemical Transformations on Nitrogen Deposition to Coastal Regions

Laura M. Klein

Abstract

To understand the mechanisms governing the dispersal, transformation and deposition of pollutants from the atmosphere to coastal waters, coastal meteorology must first be considered. This study focuses on the deposition of atmospheric inputs of inorganic nitrogen compounds (NO, NO2, HNO3, NH3) into the southern North Sea. The three-dimensional Eulerian mesoscale transport model METRAS is used in this study to simulate meteorology in the coastal regions and the SEMA box model and the chemistry transport model MECTM were applied to determine the impact of meteorology and chemical transformations on deposition and the resultant nitrogen loads into the coastal waters. The studies are performed for the 1998 ANICE field campaign.

The results of the METRAS meteorology runs were validated against observations using a series of programs developed for that purpose. With the model system METRAS/MECTM the influence of meteorological phenomena and gas phase chemical transformations on nitrogen deposition are studied and total N deposition loading to the study area is calculated.

This study shows that even though emissions play a large role in nitrogen loading, the secondary pollutants arising form the chemical transformations have a much greater impact on deposition. It is also shown that meteorology can direct an input event (June 20th), but a combination of meteorological influences such as wind speed and wind direction, and chemical transformations can also have a significant impact (June 18th).

The aerosol box model SEMA study shows that aerosol formation in the coastal region would greatly alter the input calculated from gas phase-only chemical transport models, and is an important contributing process.

Zusammenfassung

Um die Mechanismen zu verstehen, die Ausbreitung, Umwandlung und Deposition von Schadstoffen aus der Atmosphäre in küstennahe Gewässer bestimmen, muss zunächst die Meteorologie in den Küstengebieten betrachtet werden. Die hier vorgestellte Studie beschäftigt sich insbesondere mit der Deposition von atmosphärischen Einträgen anorganischer Stickstoffverbindungen (NO, NO2, HNO3, NH3) in die südliche Nordsee. Das dreidimensionale mesoskalige Eulersche Transportmodell METRAS wird verwendet, um die Meteorologie in den Küstengebieten zu simulieren. Mit Hilfe des Aerosol-Boxmodells SEMA und des Chemie Transport Modells MECTM wird der Einfluss von meteorologischen Prozessen und chemischen Umwandlungen auf die Deposition und den daraus resultierenden Stickstoffeintrag in küstennahe Gewässer bestimmt. Die Untersuchungen beziehen sich auf die 1998 durchgeführte Feldkampagne ANICE.

Die Ergebnisgüte des meteorologischen Modells METRAS wird anhand eines Vergleichs mit Beobachtungen beurteilt. Zu diesem Zweck wurden eigens Evaluierungsprogramme entwickelt. Mit dem Modellsystem METRAS/MECTM wird der Gesamtbetrag der Stickstoffdeposition im Untersuchungsgebiet berechnet und der Einfluss von chemischen Umwandlungen in der Gasphase und meteorologischen Prozessen untersucht.

Die Untersuchungen zeigen, dass Emissionen eine große Rolle im Stickstoffhaushalt spielen, dass aber die sekundären Schadstoffe, die bei chemischen Umwandlungen entstehen, einen wesentlich stärkeren Einfluss auf die trockene Deposition haben. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass Meteorologie bereits ohne wesentlichen Beitrag der Atmosphärenchemie zu einem Depositionsereignis führen kann (20. Juni), dass aber auch das Zusammenwirken meteorologischer Einflussgrößen wie Windgeschwindigkeit und Windrichtung mit chemischen Umwandlungen große Bedeutung haben kann (18. Juni).

Die Untersuchungen mit dem Aerosol-Boxmodell SEMA zeigen, dass die Bildung von Aerosolen im Küstengebiet zu Stickstoffeinträgen führt, die sich wesentlich von Ergebnissen der nur mit Gasphasenchemie durchgeführten Modellrechnungen unterscheiden. Somit leistet die Aerosolbildung einen wichtigen Beitrag zur Stickstoffdeposition.