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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-98577
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9857/


High resolution assessment of concentrations in the urban canopy layer

Hochauflösende Beurteilung von Konzentrationen in der städtischen Hindernisschicht

Grawe, David

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (10.039 KB) 


Basisklassifikation: 38.80 , 38.81 , 58.55 , 43.62
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schlünzen, K. Heinke (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.07.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 12.07.2019
Kurzfassung auf Englisch: Urban air quality is currently a prominent topic in Germany and in other countries in Europe. A large fraction of urban areas suffer from air pollution at levels that are considered harmful for human health. Where persistent exceedances occur, local authorities need to collate local air quality action plans which may have wide ranging consequences, including closing selected streets for some very polluting vehicles. In order to justify such measures, the assessment of urban air quality has to be rigorous and properly evaluated. The EU legislation governing air quality in Germany has set-out requirements for the spatial representativeness of assessed pollutant concentrations.

Ambient concentrations of air pollutants regularly reach high levels in the urban canopy layer, particularly near main roads or at places with low ventilation. The urban canopy layer is characterised by very heterogeneous conditions. Emissions of pollutants can be very local and vary in time and space. Local building configurations and meteorological conditions determine the wind field which drives transport and dispersion of pollutants. Since the relevant parameters are very variable, the obtained concentrations can be similarly variable. To assess relevant impacts on human health, the concentrations need to be determined with good temporal and spatial representativeness. In complex conditions, point measurements have limited representativeness unless a high number of measurement points is available. The high resolution numerical model presented in this thesis can be used to determine the representativeness of urban monitoring stations or to provide concentration levels in complex conditions.

This thesis contributes to the quality assurance for urban air quality assessment. It presents components of a complex set of models that can be used to support the assessment of urban air quality. These components are compared with data measured in a physical wind tunnel model based on an state-of-the-art technique. The evaluation of the model results demonstrates how a high-resolution model for concentrations in the urban canopy layer can be tested. The further analysis determines how representative urban measurement sites can be found using a realistic example. In a sensitivity study the influence of processes governing the level of ambient concentrations is quantified.

In the atmosphere, pollutants continue to react and change the atmospheric composition on various time scales, in some cases also forming new secondary pollutants. To represent this, the numerical model needs to solve alongside the meteorological equations also a set of equations for chemical reactions. Such reaction mechanisms exist and a mechanism developed originally for mesoscale applications has been used here.

The evaluation of model results shows a very good agreement of the wind field model with comparison data following a German guideline for the evaluation of wind field models. For the evaluation of pollutant concentrations, model results have been compared with wind tunnel data and with field measurements for a site in Hanover, Germany. The comparison with field data is very good only for some species. For other species differences occur and a possible cause could be identified. A sensitivity study demonstrates the relevance of processes with small scale variability such as the reduction of photolysis rates through local shading. This highlights that the evaluation should not just include the model output, but also the complete configuration including all input data and parameters in order to ensure consistency.

Further than the assessment of concentrations, such an evaluated model can also be used to support the placement of new in-situ measurement sites at sensible location with regard to the representativeness. The spatial analysis of a realistic situation highlights this problem for the urban canopy layer.
Kurzfassung auf Deutsch: Städtische Luftqualität ist ein sehr aktuelles Thema in Deutschland und in anderen Ländern in Europa. Große Stadtgebiete sind Luftverschmutzung ausgesetzt die als für die meschliche Gesundheit schädlich betrachtet wird. Wo Überschreitungen gesundheitsrelevanter Schwellwerte auftreten müssen die Behörden einen Luftreinhalteplan aufstellen. Dieser kann weitreichenede Konsequenzen haben, bis hin zu Fahrverboten in einigen Straßen für besonders hoch emittierende Fahrzeuge. Um solche Maßnahmen rechtfertigen zu können muss die Belastung verlässlich und qualitätsgesichert bestimmt werden. In der EU-Gesetzgebung nach der sich der Immissionsschutz in Deutschland richtet sind Vorgaben für die Repräsentativität bei der Bestimmung von Schadstsoffkonzentrationen niedergelegt.

Immissionen von Schadtstoffen erreichen in der städtischen Grenzschicht oft hohe Werte, insbesondere in der Nähe von Hauptstraßen oder an Orten mit geringer Belüftung. Die städtische Grenzschicht zeichnet sich durch besonders heterogene Bedingungen aus. Schadstoffemissionen können sehr lokal begrenzt auftreten und sind zeitlich und räumlich sehr variabel. Lokale Hinderniskonfigurationen und meteorologische Bedingungen bestimmen das Windfeld welches wiederum Transport und Ausbreitung von Schadstoffen bestimmt. Um den Einfluss auf die menschliche Gesundheit zu bestimmen müssen die Konzentrationen mit guter räumlicher und zeitlicher Auflösung vorliegen. In komplexem Gebiet haben Punktmessungen nur eine sehr begrenzte Repräsentativität, sofern nicht eine Vielzahl von Messpunkten vorhanden ist. Das hochauflösennde numerische Modell das in dieser Arbeit verwendet wird kann verwendet werden um die Repräsentativität städtische Messstationen zu bestimmen oder um Konzentrationen in komplexem Gebiet direkt zu berechnen.

Diese Dissertation trägt zur Qualitätssicherung bei der Bestimmung städtischer Luftqualität bei. Sie stellt Komponenten eines komplexen Modellsystems vor, mit dem die Untersuchung der Luftqualität unterstützt werden kann. Ergebnisse dieser Komponenten werden mittels einer aktuellen Methode mit Messdaten aus einen physikalischen Windkanalmodell verglichen. Die Evaluierung der Modellergebnisse zeigt, wie hochauflösende Modellergebnisse zu Konzentrationen in der städtischen Hindernisschicht überprüft werden können. Die weitere Untersuchung der Ergebnisse zeigt anhand eines realistischen Beispiels wie die Repräsentativittät eines Messpunktes bestimmt werden kann. In einer Sensitivitätsstudie wird zudem der Einfluss von Prozessen, die städtische Immisionen bestimmen, quantifiziert.

In der Atmosphäre reagieren emittierte Schadstoffe weiter und ändern ihre Zusammensetzung auf unterschiedlichen Zeitskalen, wobei sich auch sekundäre Schadstoffe bilden können. Um diese Prozessse abbilden zu können muss das numerische Modell neben meteorologischen Gleichungen auch chemische Reaktionen berechnen. Solche Reaktionsmechanismen liegen vor und hier wird ein Reaktionsmechanismus verwendet, der ursprüngliche für mesoskalige Modelle entwickelt wurde.

Die Analyse der realitätsnahen Modellrechnung hebt die geringe räumliche Repräsentativität von Konzentrationen in der städtischen Hindernisschicht hervor. Eine Sensitivitätsstudie zeigt die Relevanz kleinskaliger Variabilität wie den Einfluss differentielle Abschattung auf Photolyseraten.

Über die Prüfung der Modellergebnisse hinaus hat sich gezeigt, dass nicht nur das Modellergebnis selbst geprüft werden muss, sondern die gesamte Prozesskette einschliesslich aller Eingadaten und Parameter muss geprüft werden.

Ein solchermaßen geprüftes Modell kann auch verwendet werden um sinnvolle Orte für neue Messstellen zu identifizieren.

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