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Titel: Einflüsse von Wolkeneffektparametrisierung und Modellauflösung auf simuliertes bodennahes Ozon
Sonstige Titel: Influences of cloud effect parameterization and model resolution on simulated ground-level ozone
Sprache: Deutsch
Autor*in: Uphoff, Malte
Schlagwörter: Atmosphärische Chemie; Chemietransportmodell; Wolkeneffektparametrisierung; Modellauflösung; Modellvalidierung; atmospheric chemistry; chemistry transport model; cloud effect parameterization; model resolution; model validation
GND-Schlagwörter: Fotolyse; Atmosphäre; Modellierung; Ozon; Luftqualität
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-12-11
Zusammenfassung: 
In dieser Arbeit ist der Einfluss von zwei Parametrisierungen des Wolkeneffektes auf die Pho-tochemie des bodennahen Ozons untersucht wurden. Ziel war die Beantwortung von zwei Fragestellungen:
1) Wie komplex muss der Wolkeneinfluss in der Berechnung der photolytischen Reaktionen im Chemie-Transport-Modell berücksichtigt werden?
2) Wie wichtig ist der Effekt einer komplexen Modellierung des Wolkeneinflusses im Ver-gleich zum Einfluss der horizontalen Auflösung des Modells?
Das Chemie-Transport-Modell MECTM wurde um zwei Parametrisierungen für den Einfluss des Wolkeneffektes auf die Photolysefrequenzen erweitert, dabei unterscheiden sich die Para-metrisierungen in ihrer Komplexität. Die Sensitivität der Simulation des bodennahen Ozons mit MECTM bezüglich dieser zwei Parametrisierungen und bezüglich der Modellauflösung wurde untersucht. Es wurden drei ineinander genestete Modellgebiete (Europa, Benelux und Deutschland, Nordrhein-Westfalen) mit verschiedenen Auflösungen des horizontalen Rechen-gitters (12 km, 4 km, 1 km) erstellt. Die Simulation der Meteorologie mit METRAS im äu-ßersten Modellnest wurde durch Reanalysedaten angetrieben, um für den Zeitraum 19. bis 26 Juni 2005 Antriebsdaten für das MECTM zu generieren. Die Chemiesimulation für das äußere Modellnest erfolgte ohne globalen Antrieb aber mit genügend Einstellzeit für realitätsnahe Mischungsverhältnisse. Die kleineren und höher aufgelösten Modellnester wurden in die Mo-dellergebnisse des jeweils gröberen Modellgebietes genestet. In jeder Modellauflösung wurde die Chemie für drei Wolkeneffektparametrisierungen (kein Effekt, einfacher Ansatz, komple-xerer Ansatz) gerechnet.
Die Modellergebnisse der Meteorologiesimulationen für die drei Auflösungen wurden gegen Messdaten des Deutschen Wetterdienstes für den Zeitraum 22. bis 26. Juni 2005 validiert. Die Simulationsergebnisse weichen dabei von der Realität ab. Im zeitlichen Mittel sind die Tem-peraturen in Bodennähe zu niedrig und die Windrichtungen weichen bis zu 50° vom gemesse-nen Wind ab. Die Modellergebnisse der Chemiesimulation (1 km Auflösung, komplexe Wol-keneffektparametrisierung) für O3, NO2, NO und SO2 wurden mit Messdaten aus dem Luft-qualitätsmessnetz des Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV) verglichen. Für den Vergleich mit allen vier Stoffen wurden die Modellergebnisse des inneren Modellnestes in der 1 km Gitterauflösung und Verwendung der komplexen Wol-keneffektparametrisierung genutzt. Ozon wurde an bewölkten Tagen zu hoch und an wolken-freien Tagen zu niedrig vorhergesagt. NO2, NO und SO2 wurden alle, bis auf NO für den ers-ten Simulationstag, zu hoch simuliert. Die erzielten Trefferquoten dieser Simulationen lagen im Mittel für die ganze Simulationsperiode für O3, NO2, NO, SO2 bezogen auf das 10% Ab-weichungsziel vom Messwert bei 10%, 13%, 51% und 21%.
Außer durch Wolken können die mit dem Programm STAR (System for Transfer of Atmo-spheric Radiation) berechneten Photolysefrequenzen auch noch stark durch die Bodenalbedo (Schnee statt Gras) und durch den Ozonsäulengehalt in der Atmosphäre relevant beeinflusst werden.
Der Effekt der Wolkenparametrisierungen auf die Photolysefrequenzen, kann diese unterhalb von Wolken um bis zu -90 % reduzieren und über Wolken 90 % erhöhen in Abhängigkeit vom integralen Wolkenflüssigwasserweg. Die Reduktion der Photolysefrequenzen unterhalb der Wolken führt zu niedrigeren Ozonmischungsverhältnissen in Bodennähe. Bezogen auf die Gebietsmittel für das NRW-Modellgebiet werden Reduktionen in den Tagesmaxima von bis zu 21 % erreicht. Dies ist dieselbe Größenordnung für die Änderung der Gebietsmittelwerte die durch eine Änderung der Modellauflösung erreicht wird. Der Effekt für die drei Mo-dellauflösungen ist tagesabhängig. Dies zeigt die Wichtigkeit der sich täglich ändernden Me-teorologie auf die Simulation des bodennahen Ozons.
Bezüglich der Eingangsfragestellung ergeben sich aus dieser Arbeit folgende Antworten:
1) Eine einfache Wolkeneffektparametrisierung reicht aus, um den Effekt auf die Photoly-sefrequenzen und auf das simulierte bodennahe Ozon zu beschreiben.
2) Die horizontale Gitterauflösung hat einen Einfluss auf das simulierte bodennahe Ozon. Der Einfluss hängt wesentlich von der vorliegenden meteorologischen Situation und wenig ausge-prägt von der Höhe der Emissionsrate ab. Bezogen auf Gebietsmittelwerte kann die Wolken-effektparametrisierung ähnlich große Änderungen in den Ozonmischungsverhältnissen verur-sachen wie Unterschiede in der Gitterweite von einem Faktor 12 (12 km vs. 1 km).

In this work the influence of two parameterizations of the cloud effect on the ground-level ozone photochemistry was investigated. The aim was to answer two questions:
1) How complex must the influence of clouds be parameterized in a CTM for photolytic reac-tions?
2) How important is the effect of a complex modeling of the cloud influence compared to the influence of the horizontal resolution of the model?
The chemistry-transport-model MECTM was extended to include two cloud effect parameter-izations on the photolysis frequencies. These parameterizations differ in their complexity. The sensitivity of the simulation of the ground-level ozone with MECTM with respect to these two parametrizations and with respect to the model resolution was examined. Three nested model nests (Europe, Benelux and Germany, North Rhine-Westphalia) were created with dif-ferent resolutions of the horizontal grid (12 km, 4 km, 1 km). The simulation of the meteorol-ogy in the biggest model nest was driven by reanalysis data to generate driving data for MECTM for the period 19-26 June 2005. The chemical simulation for this model domain was carried out without global drive but with sufficient lead time to generate realistic mixing ra-tios. The smaller and higher-resolved model domains were nested into the next coarser re-solved model’s results. For each model resolution the chemistry simulation was run for three cloud effect parametrizations (no effect, simple approach, more complex approach).
The model results of the meteorological simulations for the three resolutions were validated against data from the German Meteorological Service for the period from 22 to 26 June 2005. The simulation results deviate from reality. On average, the surface temperature is too low and the wind directions deviate up to 50 ° from the measured wind. The model results of the chemical simulation (1 km resolution, complex cloud effect parameterization) for O3, NO2, NO and SO2 were compared with data from the air quality monitoring network of the Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV). For the comparison with all four substances, the model results of the innermost model nest in the 1 km grid reso-lution and the use of the complex cloud effect parametrization were used. Ozone was too high on cloudy days and too low on cloud-free days. NO2, NO and SO2 were all simulated too high except for NO for the first simulation day. The obtained hit rates relative to the 10% deviation target of the four species were on average for the whole simulation period for O3, NO2, NO, SO2 10%, 13%, 51% and 21% as compared to the LANUV measurements.
Apart from clouds, the photolysis frequencies calculated using the STAR (System for Trans-fer of Atmospheric Radiation) program can also be significantly influenced by the surface al-bedo (snow instead of grass) and by the atmospheric ozone column content.
The effect of cloud parameterizations on photolysis frequencies reduce them below clouds by up to -90% and increase them above clouds by 90%, depending on the integral cloud liquid water pathway. The reduction of photolysis frequencies below the clouds leads to lower sur-face ozone mixing ratios. The maxima of the daily domain-mean ozone mixing ratios for the NRW area can by reduced by up to 21 %. This is the same magnitude of change in the area averages achieved by a change in model resolution. The effect of model resolution depends on the day. This shows the importance of daily changing meteorology on the simulation of ground-level ozone.
With regard to the original questions the following answers can be concluded from this thesis:
1) A simple cloud effect parameterization is sufficient to describe the effect on the photolysis frequencies and simulated ground-level ozone.
2) The horizontal grid resolution has an influence on the simulated ground-level ozone. This depends essentially on the present meteorological situation and somewhat on the level of the emission rates. In terms of model domain averages, the cloud effect parameterization can cause similar large changes in ozone mixing ratios as differences in grid size of a factor of 12 (12 km vs. 1 km)
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6167
URN: urn:nbn:de:gbv:18-102455
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Schlünzen, K. Heinke (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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