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Regionale Simulationsrechnungen

Full text: Regionale Simulationsrechnungen

UFOPLAN 202 43 270 Abschlussbericht EURAD Einleitung

UFOPLAN
Abschlussbericht
Anwendung des EURAD-Modell-Systems im Rahmen des FE-Vorhabens (UFOPLAN Nr. 202 43 270)

„Entwicklung von Modellen zur Identifizierung von Schadstoffquellen – insbesondere im Verkehrsbereich – im Rahmen der 22. BimSchV Dokumentation, Weiterentwicklung und Validierung und Maßnahmenplanung für ein bundeseinheitliches Vorgehen“

Teil C Regionale Simulationsrechnungen
Köln, Dezember 2005

Fördervereins des Rheinischen Instituts für Umweltforschung an der Universität zu Köln e.V.

als Unterauftrag für die FU Berlin

UFOPLAN 202 43 270 EURAD Abschlussbericht Teil C Regionale Studien

Teil C Regionale Studien

Stand: Februar 2006
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UFOPLAN 202 43 270 EURAD Abschlussbericht Teil C Regionale Studien

1 Modellbeschreibung und Eingangsdaten
Meteorologische Analysedaten Bei der Jahresrechnung für 1999 kamen die NCAR/NCEP-Re-Analysis Daten (NNRP) zum Einsatz. Diese haben eine horizontale Auflösung von 2.5°. Ab 2001 standen die die besser aufgelösten AVN/MRF-Daten bzw. GFS-Daten zur Verfügung. Unterschiede in den verwendeten Modellversionen bei den regionalen und hemisphärischen Untersuchungen Bei den hemisphärischen Rechnungen und den regionalen Simulationen wurden in einigen Bereichen unterschiedliche Modellkonfigurationen und Parametrisierungen verwendet. die regionalen meteorologischen Rechnungen wurden hydrostatisch durchgeführt mit der Modellversion MM5 V2 – die hemisphärischen Jahres-Simulationen mit der Version MM5 V3 im nicht-hydrostatischen Modus. Es wurde regional ein Lambert-konformes Horizontalgitter verwendet – hemisphärisch ein polar-stereographisches. Das vertikale Gitter umfasst 23 Schichten bis 100 hPa mit erhöhter Auflösung in der Grenzschicht – hemisphärisch 27 Schichten bis 30 hPa Die Gitterweite im groben Gitter (Europa) beträgt 125 km – wie bei den hemisphärischen Experimenten – dazu kommt noch ein genestetes Gebiet (Mitteleuropa) mit 25 km Gitterweite. Die Gasphasen-Chemie wird mit dem RACM Mechanismus berechnet (hemisphärisch RADM2). Bei den regionalen Modellrechnungen wurden beim Aerosolmodul zusätzlich die sekundären organischen Aerosole behandelt (SORGAM, Schell et al., 2001)

Das verwendete Aerosol Modell MADE (Ackermann et al., 1998) ist ein so genanntes modales Modell, bei dem die Aerosole in drei Moden behandelt werden: Aitken-, Akkumulations- und Grobpartikel-Mode (siehe Abbildung 5). Es werden Advektion, Diffusion, Sedimentation, trockene Deposition, Nukleation, Koagulation, Kondensation und Evaporation, sowie die Wechselwirkung mit Wolken behandelt. Es wurden die vollständigen chemischen Komponenten abgespeichert, welche vom AerosolModell behandelt werden. Dabei handelt es sich um die folgenden chemischen Kategorien (aufgelöst auf die verschiedenen Moden): - Sulfat (SO4A) - Nitrat (NO3A) - Ammonium (NH4A) - Elementarer Kohlenstoff (EC) - Primärer organischer Kohlenstoff (ORGP) - Anthropogener organischer Kohlenstoff (ORG) - Biogener organischer Kohlenstoff (ORGB) - Primäres PM2.5 (P25A) Sowie TSP, PM10, PM2.5 und PM1 (diagnostizierbar)

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Tabelle 1: Vertikalstruktur des Modellgitters für die regionalen Simulationsrechnungen (bei Standard-Bodendruck) Höhenstruktur in Sigma-Schichten P0 Ptop 1013 100
Oberkante Dicke Schichtmitte Druck Oberkante Druck Mitte

23 Schichten

Level σF 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Δσ 1 0,995 0,99 0,985 0,98 0,97 0,96 0,945 0,93 0,91 0,89 0,865 0,84 0,81 0,78 0,74 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,005 0,005 0,005 0,005 0,01 0,01 0,015 0,015 0,02 0,02 0,025 0,025 0,03 0,03 0,04 0,04 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

σH 0,9975 0,9925 0,9875 0,9825 0,975 0,965 0,9525 0,9375 0,92 0,9 0,8775 0,8525 0,825 0,795 0,76 0,72 0,65 0,55 0,45 0,35 0,25 0,15 0,05

PF PH 1013,00 1008,44 1010,72 1003,87 1006,15 999,31 1001,59 994,74 997,02 985,61 990,18 976,48 981,05 962,79 969,63 949,09 955,94 930,83 939,96 912,57 921,70 889,75 901,16 866,92 878,33 839,53 853,23 812,14 825,84 775,62 793,88 739,10 757,36 647,80 693,45 556,50 602,15 465,20 510,85 373,90 419,55 282,60 328,25 191,30 236,95 100,00 145,65

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Abbildung 1.1: Modellgebiet und Gitter für die regionalen Simulationsrechnungen mit dem EURAD-CTM: Grobes Gitter mit Lage des Nest 1 Gebietes.

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Abbildung 1.2: Modellgebiet und Gitter für die regionalen Simulationsrechnungen mit dem EURAD-CTM: Nest 1 Gebiet.
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Abbildung 1.3: Topgraphie des Nest1 Gebietes.

Abbildung 1.4: Landnutzungsklassifizierung (dominanter Landnutzungstyp) des Nest 1 Gebietes
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Abbildung 1.5: Struktur des Aerosol Submodells MADE des EURAD-CTMs.
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Abbildung 1.6: Nassphasenprozesse im EURAD-CTM.

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2 Episoden und Studien
In den regionalen Studien wurden die folgenden Zeiträume untersucht: - Winterepisode: - Sommerepisode: 01.01.2003 – 06.04.2003 (R03) 01.07.2003 – 30.09.2003 (S03)

Die Winterepisode zeichnet sich durch mehrere stabile Hochdrucklagen aus, in deren Folge es zu einer deutlichen Akkumulation von Schadstoffen über Mitteleuropa kam. Der Sommer 2003 war ebenfalls durch eine lang andauernde Hochdrucklage geprägt, welche zu extremen Temperaturen und hoher Ozonbelastung führte. Neben einer Basis Simulation welche unter der Verwendung der TNO-LOTOS Emissionen durchgeführt wurden verschiedene Sensitivitätsstudien durchgeführt: • • • B3: Basis Simulation D3: Reduzierte vertikale Auflösung E3: „Keine Aerosol-Dynamik“

Die Ziele der Experimente sind: Basis-Simulation - Nutzung im einem Modellvergleich - Modellevaluierung - Analyse insbesondere im Hinblick auf Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosole Sensitivitätsstudien - Auswirkung vereinfachender Annahmen auf Modellergebnisse - insbesondere - Einfluss der einer gröberen Vertikalauflösung (Exp. D3) - Effekt der Aerosoldynamik

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3 Winterepisode (R03 – 01.01.2003 – 06.04.2003)
3.1 Basis Simulation Die Daten der Basis-Simulation wurde der Gruppe der FU-Berlin für einen Modellvergleich zu Verfügung gestellt. Es wurden die meteorologischen Daten der EURAD-Prognose verwendet (http://www.eurad.uni-koeln.de). In der Prognose Datenbank sind Grafiken zu Meteorologie und Luftschadstoffen für die beiden Episoden online einsehbar. Dabei wurde allerdings eine vereinfachte Modellkonfiguration ohne die sekundären organischen Aerosole verwendet sowie ein anderer Emissionsdatensatz auf der Basis des EMEP-Katasters. Die Episode ist geprägt durch mehrere Phasen in denen insbesondere Ost-Europa unter Hochdruck Einfluss liegt. In diesen Phasen kommt es – aufgrund der austauscharmen Wetterlage – zu einer Akkumulation von Spurenstoffen. Drei Phasen stechen dabei besonders heraus: 10. – 14. Februar 22. Februar – 8. März 25. – 29 März

Die höchsten Konzentrationen werden dabei Anfang März erreicht. Abbildung 3.1.1 zeigt den Verlauf der PM10 Konzentration während dieser Akkumulationsphase. Eine Luftmassengrenze zieht sich quer über Deutschland, deren Lage sich im Laufe der Zeit ändert. Eine Zone mit sehr hoher Schadstoffbelastung zieht sich vom so genannten „Schwarzen Dreieck“ (dem Dreiländereck, Polen, Tschechien, Deutschland) nordwestwärts.

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Abbildung 3.1.1 PM10 [μg/m3] – bodennahe Schicht – vom 26.02.2003 bis 09.03.2003, alle 24 Stunden, jeweils 0 UTC.

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SO2 / NO2 / NH3 ( N1 ) 04.03.03
LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

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TIME: 04.03.03 0.00 UTC

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15

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

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TIME: 04.03.03 12.00 UTC

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

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40

Abbildung 3.1.2 Aerosol Vorläufer-Substanzen im Verlauf des 04. März 2003 - Links SO2, Mitte NO2, Rechts NH3, alle in [ppb] – von oben nach unten 0, 6, 12 und 18 UTC

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O3 / NO2 / PM10 ( N1 ) 04.03.03
LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

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RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

5

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2

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20

30

50

70

100

150

Abbildung 3.1.3 Konzentrationsverlauf am 04. März 2003 - Links O3, Mitte NO2, beide in [ppb] Rechts PM10 in [μg/m3] – von oben nach unten 0, 6, 12 und 18 UTC
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SO4 / NO3 / NH4 ( N1 ) 04.03.03
LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

0.5

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3

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20

30

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

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3

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20

30

50

75

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

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20

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LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

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0.5

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20

30

50

75

Abbildung 3.1.4 Wichtige Aerosol Komponenten im Verlauf des 04. März 2003 - Links Sulfat, Mitte Nitrat, Rechts Ammonium, alle in [μg/m3] – von oben nach unten 0, 6, 12 und 18 UTC

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PM10, daily average, UBA-stations, RA3
200

model data CTM RB3 N1 [ug/m3]

n = 23378 corr = 0.677 150

100

50

0 0 50 100 150 3 observed data [ug/m ] 1. Jan. - 6. April 2003 200

Abbildung 3.1.5 Scatter-Diagramm PM10 Basis Simulation im Vergleich mit UBAMessungen

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SO2, daily average, UBA-stations, RA3
140

120

model data CTM RB3 N1 [ug/m3]

n = 22893 corr = 0.506

100

80

60

40

20 0 0 20 40 60 80 100 3 observed data [ug/m ] 1. Jan. - 6. April 2003 120 140

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O3, daily average, UBA-stations, RA3
140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 3 observed data [ug/m ] 1. Jan. - 6. April 2003 140 n = 28449 corr = 0.628

Abbildung 3.1.6 Scatter-Diagramm SO2 Basis Simulation im Vergleich mit UBAMessungen

model data CTM RB3 N1 [ug/m3]

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CO, daily average, UBA-stations, RA3
4000

model data CTM RB3 N1 [ug/m3]

n = 17560 corr = 0.298 3000

2000

1000

0 0 1000 2000 3000 observed data [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 4000

Abbildung 3.1.7 Scatter-Diagramm CO Basis Simulation im Vergleich mit UBA-Messungen

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CG,N1 1.1. - 6.4.2003
RB3:CG,N1 (UBA Stations)

Daily Average

NO2, daily average, UBA-stations, RA3
140 Missing data or equal lower limit = 166 Observed, n = 16 CTM RB3 CG CTM RB3 N1 100 120

O3, daily average, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 129 Observed, n = 16 CTM RB3 CG CTM RB3 N1

120

100 80
frequency frequency

80

60

60

40

40

20 0 0 11 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 22 33 44 55

20

0 0 23 46 69 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 92 115

PM10, daily average, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 169 Observed, n = 15 150 CTM RB3 CG CTM RB3 N1 500 600

SO2, daily average, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 155 Observed, n = 16 CTM RB3 CG CTM RB3 N1

400
frequency

100

frequency

300

200 50 100

0 0 26 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 52 78 104 130

0 0 14 28 42 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 56 70

Abbildung 3.1.8 Häufigkeits-Verteilungen der Tagesmittelwerte Basis Simulation Coarse Grid (grün), Nest 1 (rot) und Messungen des UBA (schwarz) NO2, Ozon, PM10 und SO2

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CG,N1 1.1. - 6.4.2003
RB3:CG,N1 (UBA Stations)

Daily Maximum

NO2, daily maximum, UBA-stations, RA3
140 Missing data or equal lower limit = 85 Observed, n = 16 CTM RB3 CG CTM RB3 N1 100 100 120

O3, daily maximum, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 63 Observed, n = 16 CTM RB3 CG CTM RB3 N1

120

frequency

80

frequency

80

60

60

40

40

20 0 0 17 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 34 51 68 85

20 0 0 29 58 87 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 116 145

PM10, daily maximum, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 80 Observed, n = 15 150 CTM RB3 CG CTM RB3 N1

500

SO2, daily maximum, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 89 Observed, n = 16 CTM RB3 CG CTM RB3 N1

400

frequency

100

frequency

300

200 50 100

0 0 33 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 66 99 132 165

0 0 20 40 60 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 80 100

Abbildung 3.1.9 Häufigkeits-Verteilungen der Tagesmaxima Basis Simulation Coarse Grid (grün), Nest 1 (rot) und Messungen des UBA (schwarz) NO2, Ozon, PM10 und SO2

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3.2 Studie mit niedriger vertikaler Auflösung (RD3) Ziel dieses Experimentes war es, den Effekt einer drastisch reduzierten vertikalen Gitterauflösung auf die Ergebnisse der Chemie-Transport-Simulation zu studieren. Um die Sensitivitätsstudie und das Basisexperiment vergleichbar zu halten, wurden für beide Simulationen auf dieselben MM5 Meteorologie Datensätze zurückgegriffen. Die vertikale Auflösung des MM5-Gitters sind 23 Schichten bis 100 hPa und mit dem Gitter der EURAD-CTM Basissimulation identisch. Für die Studie wurden nun die meteorologischen Felder über mehrere Schichten gemittelt, wobei die unterste Schicht beibehalten wurde. Das resultierende Gitter hatte dann 6 Schichten mit den untersten 3 Schichten im Bereich der Grenzschicht. Die Obergrenze des Modells blieb bei 100 hPa. Tabelle 2: Vertikalstruktur bei den Experimenten mit reduzierter Schichtenzahl.
Höhenstruktur in Sigma-Schichten P0 Ptop 1013 100 Oberkante Dicke 6/23 Schichten

Schichtmitte

Druck Oberkante

Druck Mitte

Level 0 1 2 3 4 5 6

σF
1 0,995 0,96 0,84 0,6 0,3 0

Δσ
0,005 0,035 0,12 0,24 0,3 0,3

σH
0,9975 0,9775 0,9 0,72 0,45 0,15

PF
1013,00 1008,44 976,48 866,92 647,80 373,90 100,00

PH
1010,72 992,46 921,70 757,36 510,85 236,95

Gemittelt über 1 5 6 5 3 3

Ergebnisse Der Effekt der reduzierten vertikalen Auflösung im Experiment RD3 wirkt sich regional unterschiedlich aus. Der Nordosten Europas – und des Nest 1 Untersuchungsgebietes - lag während der Winter Episode längere Zeit unter dem Einfluss eines Hochs, welches zu einer stabilen Schichtung führte. Die vertikale Durchmischung spielte in dieser Region eine geringere Rolle. Daher blieben die Unterschiede zwischen Basislauf und RD3 kleiner als im Rest des Modellgebietes Nest1. Die Konzentrationen sind in der Tendenz eher niedriger (siehe Abbildung 3.2.3 – 3.2.5 und Zeitreihen). Im westlichen und südlichen Teil des Gebietes waren die Abweichungen ausgeprägter. Dies gilt besonders für stark belastete Emissionsgebiete (London, Paris, Ruhr-Gebiet, PoEbene). Die regionale Ausbreitung der Schadstoffe ist im Sensitivitätsexperiment abgeschwächt. Daher sind die Konzentrationen quellennah deutlich erhöht. Wesentliche Unterschiede finden sich – wie zu erwarten war – über topographisch stark gegliedertem Gelände (z.B. Alpenraum, Mittelgebirge; siehe Abbildung 3.2.3 – 3.2.5 sowie die Zeitreihen für die Stationen Schauinsland und Brotjacklriegel). Hier ist die Mischung mit der freien Troposphäre verstärkt. Dies führt besonders bei Ozon – welches im Winter in der freien Troposphäre reichlicher vorhanden ist - zu deutlich höheren (unrealistischen) Konzentrationen.

- 21 -

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PM10, hourly data, UBA-stations, RA3
1•105 Missing data or equal lower limit = 295965 Observed, n = 395 CTM RD3 N1 8•104

PM10, daily average, UBA-stations, RA3
2500 Missing data or equal lower limit = 14542 Observed, n = 395 CTM RD3 N1 2000

frequency

6•104

frequency

1500

4•104

1000

2•104

500

0 0 135 180 [ug/m3] 1. Jan., 0 UTC - 6. April 2003, 23 UTC 45 90 225

0 0 25 50 75 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 100 125

4•105

SO2, hourly data, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 123859 Observed, n = 306 CTM RD3 N1

SO2, daily average, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 6483 Observed, n = 306 CTM RD3 N1 6000

3•105

frequency

frequency

2•105

4000

1•105

2000

0 0 [ug/m ] 1. Jan., 0 UTC - 6. April 2003, 23 UTC 38 76
3

0

114

152

190

0

12

24 36 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003

48

60

O3, hourly data, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 103288 Observed, n = 356 6•104 CTM RD3 N1 2500

O3, daily maximum, UBA-stations, RA3
Missing data or equal lower limit = 3615 Observed, n = 356 CTM RD3 N1

2000

frequency

4•104

frequency 0 29 58 87 116 145

1500

1000 2•104 500

0 [ug/m ] 1. Jan., 0 UTC - 6. April 2003, 23 UTC
3

0 0 35 70 105 [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 140 175

Abbildung 3.2.1: Häufigkeitsverteilungen für das Experiment mit niedriger Vertikalauflösung RD3 im Vergleich mit den Messdaten des UBA Messnetzes.
- 22 -

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PM10, daily average, UBA-stations, RA3
300 n = 23378 corr = 0.513 120

SO2, daily average, UBA-stations, RA3

model data CTM RD3 N1 [ug/m3]

model data CTM RD3 N1 [ug/m3]

250

100

n = 22893 corr = 0.518

200

80

150

60

100

40

50

20

0 0 50 100 150 200 observed data [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 250 300

0 0 20 40 60 80 observed data [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 100 120

O3, daily average, UBA-stations, RA3

150

model data CTM RD3 N1 [ug/m3]

n = 28449 corr = 0.581

100

50

0 0 50 100 observed data [ug/m3] 1. Jan. - 6. April 2003 150

Abbildung 3.2.2: Scatter-Diagramme für das Experiment mit niedriger Vertikalauflösung RD3 im Vergleich mit den Messdaten des UBA Messnetzes.

- 23 -

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SO2

NO2

NH3

Abbildung 3.2.3: Änderung RD3/Basis Exp. Episodenmittel Winterepisode 01.01.2003 – 05.04.2003. Von oben nach unten SO2, NO2, NH3 – links: absolute Änderung [μg/m3] – rechts: relative Änderung [%].

- 24 -

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PM10

PM2.5

PM1

Abbildung 3.2.4: Änderung RD3/Basis Exp. Episodenmittel Winterepisode 01.01.2003 – 05.04.2003. Von oben nach unten PM10, PM2.5 und PM1 – links: absolute Änderung [μg/m3] – rechts: relative Änderung [%].
- 25 -

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Aerosol-Sulfat

Aerosol-Nitrat

Aerosol-Ammonium

Abbildung 3.2.5: Änderung RD3/Basis Exp. Episodenmittel Winterepisode 01.01.2003 – 05.04.2003. Von oben nach unten Aerosol-Komponenten Sulfat, Nitrat und Ammonium – links: absolute Änderung [μg/m3] – rechts: relative Änderung [%].
- 26 -

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3.3 Simulation ohne Aerosoldynamik Die im Aerosol Modell MADE behandelten Aerosol-spezifischen Prozesse sind in Abbildung 1.5 aufgezeigt. Dabei handelt es sich um Koagulation, Nukleation, Diffusion, Advektion, Deposition, Sedimentation sowie die chemische und thermodynamische Wechselwirkung mit Wolken. Bei MADE handelt es sich um ein modales Aerosol-Modell, dessen Grundstruktur bei der Studie beibehalten wurde. Eine Umsetzung der gestellten Aufgabe wurde dahingehend durchgeführt, dass die Transfergeschwindigkeiten der Koagulation und der Nukleation auf 0 reduziert wurden. Dadurch wurden diese Prozesse unterbunden. Unverändert gelassen wurden dagegen die anderen genannten Prozesse. Dies gilt auch für die Kondensation von Sulfat aus der Gasphase. Weiterhin blieb die Aufteilung der Emissionen auf die Moden erhalten. Dieses Vorgehen soll es ermöglichen, die Effekte der beiden unterbundenen Prozesse auf die Konzentration und Zusammensetzung der Aerosole heraus zu filtern. Ergebnisse Schaltet man die Koagulation ab, nimmt das Wachstum der Aerosole ab. Die Anzahl größerer Partikel (PM10) wird dadurch verringert, auf Kosten der Anzahl feiner Partikel (PM1). Ein konkurrierender Effekt kommt durch die trockene Deposition ins Spiel: Sehr kleine Partikel werden stärker durch die Brownsche Molekularbewegung beeinflusst und haben dadurch eine geringere Lebensdauer und Reichweite. Die Abschaltung der Nukleation bewirkt eine Verringerung der Partikel Neubildung. Dieser Prozess spielt aber in den Modellrechnungen eine geringere Rolle gegenüber den anderen Prozessen. Insgesamt bewirken die Änderungen im Mittel eine Abnahme der Aerosolbelastung. Diese fällt aber regional unterschiedlich aus. So macht sich die Abnahme im Nordosten des Nest 1 Gebietes stärker bemerkbar (siehe Abbildung 3.3.1) insbesondere bei hoher Belastung (Abbildung 3.3.2 und Zeitreihen Zingst und Melpitz). Im geringer Belasteten Alpenraum ist die Abnahme am schwächsten ausgeprägt. Sulfat auf der einen Seite und Nitrat und Ammonium auf der anderen Seite zeigen in der Tendenz ein gegenläufiges Verhalten (Abbildung 3.3.3). Der Einfluss der organischen Aerosole auf die Partikelbelastung bleibt meist gering.

- 27 -

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Abbildung 3.3.1: Änderung der Episodenmittelwerte Winterfall – links absolute Änderung [μg/m3] – recht relative Änderung [%] – Oben: PM10, Mitte PM2.5 unten PM1.

- 28 -

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PM10 ( N1 ) 04.03.03
LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RE3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

2

5

10

20

30

50

70

100

150

2

5

10

20

30

50

70

100

150

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RE3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

2

5

10

20

30

50

70

100

150

2

5

10

20

30

50

70

100

150

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RE3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

2

5

10

20

30

50

70

100

150

2

5

10

20

30

50

70

100

150

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RE3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

2

5

10

20

30

50

70

100

150

2

5

10

20

30

50

70

100

150

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

Abbildung 3.3.2: PM10 Basis Experiment (links) und RE3 (Mitte) in [μg/m3] und relative Änderung (rechts) in [%] am 04.03.2003 – dem Tag des Episodenmaximums.

- 29 -

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SO4 / NO3 / NH4 ( N1 ) 04.03.03
LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m) LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 0.00 UTC

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 6.00 UTC

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 12.00 UTC

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

LAYER 1 (ca. 0 - 36 m)

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

RA3 RB3

TIME: 04.03.03 18.00 UTC

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

-50

-20

-10

-5

-1

1

5

10

20

50

Abbildung 3.3.3: Relative Änderung RE3 zu Basis Experiment in [%] am 04.03.2003 – links Sulfat, Mitte Nitrat und rechts Ammonium.

- 30 -

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3.4 Zeitreihen-Vergleich Exemplarisch wurden 6 UBA Stationen für einen Vergleich der Zeitreihen herangezogen. Dabei handelt es sich um je 2 Stationen im Norden Deutschlands (Westerland, Zingst) – 2 in der „Mitte“ (Deuselbach und Melpitz) – sowie 2 im Süden (Brotjacklriegel und Schauinsland) welche zusätzlich Bergstationen sind. Melpitz und Zingst liegen während der Episode im wesentlich unter Hochdruck Einfluss. Weitere Stationsdaten sind in die Scatter-Diagramme und Häufigkeitsverteilungen eingegangen. Weitere detaillierte Messvergleiche finden sich auch im Modellvergleich, bei dem die Daten der Basis Simulation verwendet wurden. Die Zeitreihen wurden – um Wiederholungen zu vermeiden – für alle drei Simulationsrechnungen gezeigt. Dabei ist • • • • RB3 Basis Simulation Winterfall RD3 reduzierte Vertikalauflösung RE3 ohne Aerosol Dynamik Messung (lila) (pink) (grün) (schwarz)

- 31 -

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120

O3 Deuselbach
Observed, Mean = 59.9

stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05

CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1:

xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 3 xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 2 xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 3

O3[ug/m3] daily average

100 80 60 40 20 0 Jan.

CTM RE3 N1, Mean = 46.2, FD = 0.129 CTM RD3 N1, Mean = 65.1, FD = -0.04 CTM RB3 N1, Mean = 46.7, FD = 0.124

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05

March
CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1: xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 3 xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 2 xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 3

30

SO2 Deuselbach
Observed, Mean = 3.6

SO2[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 10.9, FD = -0.50 CTM RD3 N1, Mean = 8.9, FD = -0.42 CTM RB3 N1, Mean = 10.8, FD = -0.50

20

10

0

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05

March
CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1: xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 3 xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 2 xko = 27.33 , yko = 21.72 , lev = 3

80

PM10 Deuselbach
Observed, Mean = 18.5

PM10[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 26.8, FD = -0.18

60 40 20 0

CTM RD3 N1, Mean = 25.7, FD = -0.16 CTM RB3 N1, Mean = 27.9, FD = -0.20

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March

Abbildung 3.4.1. Tagesmittelwerte Deuselbach – oben: Ozon, Mitte, SO2, unten PM10 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), RE3 (grün), RD3 (pink), Basis Experiment RB3 (lila).

- 32 -

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120

O3 Melpitz
Observed, Mean = 44.1

stattype = H lat = 51.53 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: height = 86 m lon = 12.93 CTM RE3 N1:

xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1 xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1 xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1

O3[ug/m3] daily average

100 80 60 40 20 0 Jan.

CTM RE3 N1, Mean = 34.2, FD = 0.126 CTM RD3 N1, Mean = 43.9, FD = 0.002 CTM RB3 N1, Mean = 36.4, FD = 0.094

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March
xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1 xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1 xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1

100

SO2 Melpitz
Observed, Mean = 4.6

stattype = H lat = 51.53 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: height = 86 m lon = 12.93 CTM RE3 N1:

SO2[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 18.1, FD = -0.59

80 60 40 20 0 Jan.

CTM RD3 N1, Mean = 15.7, FD = -0.55 CTM RB3 N1, Mean = 18.0, FD = -0.59

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March
xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1 xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1 xko = 43.18 , yko = 29.81 , lev = 1

200

PM10 Melpitz
Observed, Mean = 29.2

stattype = H lat = 51.53 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: height = 86 m lon = 12.93 CTM RE3 N1:

PM10[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 37.9, FD = -0.12

150 100 50 0

CTM RD3 N1, Mean = 44.1, FD = -0.20 CTM RB3 N1, Mean = 41.1, FD = -0.16

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March

Abbildung 3.4.2. Tagesmittelwerte Melpitz – oben: Ozon, Mitte, SO2, unten PM10 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), RE3 (grün), RD3 (pink), Basis Experiment RB3 (lila).

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120

O3 Westerland
Observed, Mean = 59.8

stattype = H lat = 54.93 height = 12 m lon = 8.31

CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1:

xko = 30.65 , yko = 44.09 , lev = 1 xko = 30.65 , yko = 44.09 , lev = 1 xko = 30.65 , yko = 44.09 , lev = 1

O3[ug/m3] daily average

100 80 60 40 20 0 Jan.

CTM RE3 N1, Mean = 40.6, FD = 0.190 CTM RD3 N1, Mean = 53.0, FD = 0.060 CTM RB3 N1, Mean = 43.1, FD = 0.162

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H lat = 54.93 height = 12 m lon = 8.31

March
CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1: xko = 30.65 , yko = 44.09 , lev = 1 xko = 30.65 , yko = 44.09 , lev = 1 xko = 30.65 , yko = 44.09 , lev = 1

50

SO2 Westerland
Observed, Mean = 2.1

SO2[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 7.1, FD = -0.54

40 30 20 10 0 Jan.

CTM RD3 N1, Mean = 6.1, FD = -0.49 CTM RB3 N1, Mean = 7.0, FD = -0.54

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March

Abbildung 3.4.3. Tagesmittelwerte Westerland – oben: Ozon, unten, SO2 alle in [μg/m3] Messung (schwarz), RE3 (grün), RD3 (pink), Basis Experiment RB3 (lila).

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200

O3 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 68.1

stattype = H lat = 48.82 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: height = 1016 mlon = 13.22 CTM RE3 N1:

xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 8 xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 3 xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 8

CTM RE3 N1, Mean = 67.3, FD = 0.006

O3[ug/m3] daily average

150 100 50 0

CTM RD3 N1, Mean = 91.2, FD = -0.14 CTM RB3 N1, Mean = 66.9, FD = 0.008

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March
xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 8 xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 3 xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 8

15

SO2 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 3.3

stattype = H lat = 48.82 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: height = 1016 mlon = 13.22 CTM RE3 N1:

SO2[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 4.6, FD = -0.16 CTM RD3 N1, Mean = 3.3, FD = -0.00 CTM RB3 N1, Mean = 4.6, FD = -0.16

10

5

0

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March
xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 8 xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 3 xko = 44.77 , yko = 18.22 , lev = 8

40

PM10 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 10.7

stattype = H lat = 48.82 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: height = 1016 mlon = 13.22 CTM RE3 N1:

PM10[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 8.7, FD = 0.104

30 20 10 0

CTM RD3 N1, Mean = 6.4, FD = 0.251 CTM RB3 N1, Mean = 9.1, FD = 0.079

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March

Abbildung 3.4.4. Tagesmittelwerte Brotjacklriegl – oben: Ozon, unten, SO2 alle in [μg/m3] Messung (schwarz), RE3 (grün), RD3 (pink), Basis Experiment RB3 (lila).

- 35 -

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200

O3 Schauinsland
Observed, Mean = 80.5

stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91

CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1:

xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 9 xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 3 xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 9

CTM RE3 N1, Mean = 81.2, FD = -0.00

O3[ug/m3] daily average

150 100 50 0

CTM RD3 N1, Mean = 103.8, FD = -0.12 CTM RB3 N1, Mean = 81.0, FD = -0.00

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91

March
CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1: xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 9 xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 3 xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 9

25

SO2 Schauinsland
Observed, Mean = 1.6

SO2[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 2.9, FD = -0.30

20 15 10 5 0 Jan.

CTM RD3 N1, Mean = 2.7, FD = -0.27 CTM RB3 N1, Mean = 2.9, FD = -0.30

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91

March
CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: CTM RE3 N1: xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 9 xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 3 xko = 29.75 , yko = 13.75 , lev = 9

50

PM10 Schauinsland
Observed, Mean = 17.0

PM10[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 8.5, FD = 0.332

40 30 20 10 0 Jan.

CTM RD3 N1, Mean = 8.9, FD = 0.314 CTM RB3 N1, Mean = 8.8, FD = 0.316

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March

Abbildung 3.4.5. Tagesmittelwerte Schauinsland – oben: Ozon, unten, SO2 alle in [μg/m3] Messung (schwarz), RE3 (grün), RD3 (pink), Basis Experiment RB3 (lila).

- 36 -

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120

O3 Zingst
Observed, Mean = 58.8

stattype = H height = 1 m

lat = 54.44 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: lon = 12.72 CTM RE3 N1:

xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1 xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1 xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1

O3[ug/m3] daily average

100 80 60 40 20 0 Jan.

CTM RE3 N1, Mean = 35.5, FD = 0.247 CTM RD3 N1, Mean = 48.0, FD = 0.101 CTM RB3 N1, Mean = 38.7, FD = 0.206

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H height = 1 m

March
xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1 xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1 xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1

60

SO2 Zingst
Observed, Mean = 3.9

lat = 54.44 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: lon = 12.72 CTM RE3 N1:

SO2[ug/m3] daily average

50 40 30 20 10 0 Jan.

CTM RE3 N1, Mean = 16.8, FD = -0.62 CTM RD3 N1, Mean = 15.6, FD = -0.60 CTM RB3 N1, Mean = 16.7, FD = -0.62

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003
stattype = H height = 1 m

March
xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1 xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1 xko = 41.81 , yko = 42.36 , lev = 1

150

PM10 Zingst
Observed, Mean = 20.7

lat = 54.44 CTM RB3 N1: CTM RD3 N1: lon = 12.72 CTM RE3 N1:

PM10[ug/m3] daily average

CTM RE3 N1, Mean = 32.4, FD = -0.21 CTM RD3 N1, Mean = 35.5, FD = -0.26 CTM RB3 N1, Mean = 37.0, FD = -0.28

100

50

0

Jan.

Feb. 1. Jan. - 6. April 2003

March

Abbildung 3.4.6. Tagesmittelwerte Zingst – oben: Ozon, unten, SO2 alle in [μg/m3] Messung (schwarz), RE3 (grün), RD3 (pink), Basis Experiment RB3 (lila).

- 37 -

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4 Sommer Episode S03 (01.07. – 30.09.2003) Der Sommer 2003 war durch eine sehr lange heiße und trockene Periode geprägt, die ihren Höhepunkt und Abschluss Mitte August hatte. Dabei war der Westen Deutschlands (und Europas) stärker betroffen als der Osten (Abbildung 4.1.1 – 4.1.7 und Abbildung 4.1.17). Im Verlauf dieser Hochdruckepisode kam es auch zu einer intensiven Photooxidantien Bildung. Der Wert von 240 μg/m3 wurde dabei an vielen Messstationen überschritten. Neben dem Ozon stiegen auch die Partikel-Emissionen an. Abbildung 4.1.1 – 4.1.7 zeigen exemplarisch die Zeitreihen von 6 UBA-Stationen und die zugehörigen Modell Ergebnisse für Ozon, PM10, SO2 und NO2. Abbildung 4.1.8 bis 4.1.16 zeigen Scatter-Diagramme und Häufigkeits-Verteilungen der Modell und Beobachtungsdaten für einen vergrößerten Satz von Stationen. Die Übereinstimmung der Modellergebnisse ist im Sommer größtenteils besser als im Winter. So ist die Überschätzung von SO2 geringer als in der Winterepisode. Dagegen fällt auf, dass NO2 im Sommer – anders als im Winter – unterschätzt wird. Hingegen werden die Konzentrationen von Ozon und PM10 recht gut wieder gegeben. Ab Abbildungen 4.1.17 folgen die Episoden Mittelwerte und Maxima. Die Spitzenwerte von Ozon treten im Einflussbereich de Ballungsgebiete Westeuropas und des Mittelmeerraums auf. Nord- und Osteuropa sind weniger stark mit Ozon belastet. Abbildung 4.1.19 zeigt die Verteilung der Partikel in dieser Episode in Abhängigkeit von der Partikelgröße (PM10, PM2.5 und PM1). Die höchsten Konzentrationen finden sich in der Region wo hohe Emissionen und langer Hochdruckeinfluss wirksam waren in einer Zone von Westdeutschland über Benelux und Nordfrankreich bis nach Südengland. In diesem Gürtel treten auch stark erhöhte Feinst-Staub Konzentrationen auf (PM1). Bei der Zusammensetzung des Aerosols (Abbildungen 4.1.20 und 4.1.21) in der Simulation macht - wie im Winter das Nitrat den größten Einzelbeitrag. Hohe Nitrat-Werte treten besonders im Bereich des Partikelmaximums auf. Sulfat hingegen kommt in weiteren Regionen in signifikanten Mengen vor (Mittelmeer-Raum). Der Anteil der kohlenstoffhaltigen und organischen Aerosole ist im Sommer höher als im Winter (Abbildung 4.1.21). Die höchsten Konzentrationen treten in einem breiten Band von West nach Osteuropa auf.

- 38 -

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150
O3[ug/m3] daily average

O3 Melpitz
Observed, Mean = 64.7

stattype = H lat = 51.53 height = 86 m lon = 12.93 CTM SB3 CG:

xko = 20.84 , yko = 17.16 , lev = 1

CTM SB3 CG, Mean = 78.0, FD = -0.09

100

50

0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 51.53 height = 86 m lon = 12.93 CTM SB3 CG:

Sep.

80
PM10[ug/m3] daily average

PM10 Melpitz
Observed, Mean = 22.3

xko = 20.84 , yko = 17.16 , lev = 1

CTM SB3 CG, Mean = 21.8, FD = 0.010

60 40 20 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 51.53 height = 86 m lon = 12.93 CTM SB3 CG:

Sep.

10
SO2[ug/m3] daily average

SO2 Melpitz
Observed, Mean = 2.3

xko = 20.84 , yko = 17.16 , lev = 1

CTM SB3 CG, Mean = 2.5, FD = -0.04

8 6 4 2 0 July Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 51.53 height = 86 m lon = 12.93 CTM SB3 CG:

Sep.

30
NO2[ug/m3] daily average

NO2 Melpitz
Observed, Mean = 11.3

xko = 20.84 , yko = 17.16 , lev = 1

25 20 15 10 5 0 July

CTM SB3 CG, Mean = 6.6, FD = 0.260

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003

Sep.

Abbildung 4.1.1 Tagesmittelwerte Melpitz – von oben: Ozon, PM10, SO2, unten NO2 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), SB3 (grün)
- 39 -

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140

O3 Zingst
Observed, Mean = 71.5

stattype = H height = 1 m

lat = 54.44 lon = 12.72 CTM SB3 CG:

xko = 20.56 , yko = 19.67 , lev = 1

O3[ug/m3] daily average

120 100 80 60 40 20 0 July

CTM SB3 CG, Mean = 79.6, FD = -0.05

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H height = 1 m lat = 54.44 lon = 12.72 CTM SB3 CG:

Sep.

80

PM10 Zingst
Observed, Mean = 13.3

xko = 20.56 , yko = 19.67 , lev = 1

PM10[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 19.4, FD = -0.18

60 40 20 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H height = 1 m lat = 54.44 lon = 12.72 CTM SB3 CG:

Sep.

12

SO2 Zingst
Observed, Mean = 1.6

xko = 20.56 , yko = 19.67 , lev = 1

SO2[ug/m3] daily average

10 8 6 4 2 0 July

CTM SB3 CG, Mean = 3.7, FD = -0.38

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H height = 1 m lat = 54.44 lon = 12.72 CTM SB3 CG:

Sep.

20

NO2 Zingst
Observed, Mean = 4.7

xko = 20.56 , yko = 19.67 , lev = 1

NO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 5.4, FD = -0.06

15 10 5 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003

Sep.

Abbildung 4.1.2 Tagesmittelwerte Zingst – von oben: Ozon, PM10, SO2, unten NO2 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), SB3 (grün)
- 40 -

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250

O3 Deuselbach
Observed, Mean = 95.2

stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05

CTM SB3 CG:

xko = 17.67 , yko = 15.54 , lev = 5

CTM SB3 CG, Mean = 110.0, FD = -0.07

O3[ug/m3] daily average

200 150 100 50 0 July Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05
CTM SB3 CG:

Sep.

80

PM10 Deuselbach
Observed, Mean = 22.2

xko = 17.67 , yko = 15.54 , lev = 5

PM10[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 19.2, FD = 0.073

60 40 20 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05
CTM SB3 CG:

Sep.

15

SO2 Deuselbach
Observed, Mean = 2.6

xko = 17.67 , yko = 15.54 , lev = 5

SO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 4.6, FD = -0.26

10

5

0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 49.76 height = 480 m lon = 7.05
CTM SB3 CG:

Sep.

15

NO2 Deuselbach
Observed, Mean = 8.4

xko = 17.67 , yko = 15.54 , lev = 5

NO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 3.5, FD = 0.411

10

5

0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003

Sep.

Abbildung 4.1.3 Tagesmittelwerte Deuselbach – von oben: Ozon, PM10, SO2, unten NO2 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), SB3 (grün)
- 41 -

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200

O3 Schauinsland
Observed, Mean = 114.9

stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91

CTM SB3 CG:

xko = 18.15 , yko = 13.95 , lev = 5

CTM SB3 CG, Mean = 97.5, FD = 0.081

O3[ug/m3] daily average

150 100 50 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91
CTM SB3 CG:

Sep.

60

PM10 Schauinsland
Observed, Mean = 21.6

xko = 18.15 , yko = 13.95 , lev = 5

PM10[ug/m3] daily average

50 40 30 20 10 0 July

CTM SB3 CG, Mean = 13.4, FD = 0.232

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91
CTM SB3 CG:

Sep.

8

SO2 Schauinsland
Observed, Mean = 1.3

xko = 18.15 , yko = 13.95 , lev = 5

SO2[ug/m ] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 1.8, FD = -0.15

6 4 2 0

3

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 47.91 height = 1205 mlon = 7.91
CTM SB3 CG:

Sep.

10

NO2 Schauinsland
Observed, Mean = 5.5

xko = 18.15 , yko = 13.95 , lev = 5

NO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 1.6, FD = 0.541

8 6 4 2 0 July Aug. 1. July - 30. Sep. 2003 Sep.

Abbildung 4.1.4 Tagesmittelwerte Schauinsland – von oben: Ozon, PM10, SO2, unten NO2 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), SB3 (grün)
- 42 -

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200

O3 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 111.7

stattype = H lat = 48.82 height = 1016 mlon = 13.22 CTM SB3 CG:

xko = 21.15 , yko = 14.84 , lev = 6

CTM SB3 CG, Mean = 97.6, FD = 0.067

O3[ug/m3] daily average

150 100 50 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 48.82 height = 1016 mlon = 13.22 CTM SB3 CG:

Sep.

40

PM10 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 15.5

xko = 21.15 , yko = 14.84 , lev = 6

PM10[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 14.3, FD = 0.037

30 20 10 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 48.82 height = 1016 mlon = 13.22 CTM SB3 CG:

Sep.

8

SO2 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 1.8

xko = 21.15 , yko = 14.84 , lev = 6

SO2[ug/m ] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 2.7, FD = -0.20

6 4 2 0

3

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 48.82 height = 1016 mlon = 13.22 CTM SB3 CG:

Sep.

15

NO2 Brotjacklriegel
Observed, Mean = 4.9

xko = 21.15 , yko = 14.84 , lev = 6

NO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 1.3, FD = 0.594

10

5

0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003

Sep.

Abbildung 4.1.5 Tagesmittelwerte Brotjacklriegel – von oben: Ozon, PM10, SO2, unten NO2 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), SB3 (grün)
- 43 -

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150

O3 Waldhof
Observed, Mean = 74.8

stattype = H lat = 52.80 height = 74 m lon = 10.76 CTM SB3 CG:

xko = 19.63 , yko = 18.20 , lev = 1

CTM SB3 CG, Mean = 80.3, FD = -0.03

O3[ug/m3] daily average

100

50

0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 52.80 height = 74 m lon = 10.76 CTM SB3 CG:

Sep.

80

PM10 Waldhof
Observed, Mean = 19.6

xko = 19.63 , yko = 18.20 , lev = 1

PM10[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 21.6, FD = -0.04

60 40 20 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 52.80 height = 74 m lon = 10.76 CTM SB3 CG:

Sep.

10

SO2 Waldhof
Observed, Mean = 1.3

xko = 19.63 , yko = 18.20 , lev = 1

SO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 3.1, FD = -0.40

8 6 4 2 0 July Aug. 1. July - 30. Sep. 2003
stattype = H lat = 52.80 height = 74 m lon = 10.76 CTM SB3 CG:

Sep.

20

NO2 Waldhof
Observed, Mean = 5.6

xko = 19.63 , yko = 18.20 , lev = 1

NO2[ug/m3] daily average

CTM SB3 CG, Mean = 5.8, FD = -0.01

15 10 5 0

July

Aug. 1. July - 30. Sep. 2003

Sep.

Abbildung 4.1.6 Tagesmittelwerte Waldhof – von oben: Ozon, PM10, SO2, unten NO2 alle in [μg/m3] - Messung (schwarz), SB3 (grün)
- 44 -

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O3, daily average, UBA-stations, S03
250

model data CTM SB3 CG [ug/m3]

200

n = 29499 corr = 0.677

150

100

50

0 0 50 100 150 observed data [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 200 250

Abbildung 4.1.7 Scatter-Diagramm SB3 gegen UBA-Messungen – Tagesmittelwerte Ozon [μg/m3]

O3, daily maximum, UBA-stations, S03
300 n = 30490 corr = 0.720 250

model data CTM SB3 CG [ug/m3]

200

150

100

50 0 0 50 100 150 200 250 observed data [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 300

Abbildung 4.1.8 Scatter-Diagramm SB3 gegen UBA-Messungen – Tagesmaxima Ozon [μg/m3]
- 45 -

UFOPLAN 202 43 270 EURAD Abschlussbericht Teil C Regionale Studien

PM10, daily average, UBA-stations, S03
120 n = 27678 corr = 0.292

model data CTM SB3 CG [ug/m3]

100

80

60

40

20

0 0 20 40 60 80 100 observed data [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 120

Abbildung 4.1.9 Scatter-Diagramm SB3 gegen UBA-Messungen – Tagesmittelwerte PM10 [μg/m3]

PM10, daily maximum, UBA-stations, S03

model data CTM SB3 CG [ug/m3]

600

n = 31125 corr = 0.222

400

200

0 0 200 400 observed data [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 600

Abbildung 4.1.10 Scatter-Diagramm SB3 gegen UBA-Messungen – Tagesmaxima PM10 [μg/m3]
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NO2, daily average, UBA-stations, S03
150 n = -29559 corr = 0.754

model data CTM SB3 CG [ug/m3]

100

50

0 0 50 100 observed data [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 150

Abbildung 4.1.11 Scatter-Diagramm SB3 gegen UBA-Messungen – Tagesmittelwerte NO2 [μg/m3]

SO2, daily average, UBA-stations, S03
80

model data CTM SB3 CG [ug/m3]

n = 22871 corr = 0.304 60

40

20

0 0 20 40 60 observed data [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 80

Abbildung 4.1.12 Scatter-Diagramm SB3 gegen UBA-Messungen – Tagesmaxima SO2 [μg/m3]
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O3, hourly data, UBA-stations, S03
5•104 Missing data or equal lower limit = 67536 Observed, n = 356 CTM SB3 CG 4•104

frequency

3•104

2•104

1•104

0 0 117 156 [ug/m3] 1. July, 0 UTC - 30. Sep. 2003, 23 UTC 39 78 195

Abbildung 4.1.13 Häufigkeitsverteilung Ozon [μg/m3] auf der Basis von stündlichen Werten – schwarz UBA-Messdaten – gestrichelt Simulation PM10, hourly data, UBA-stations, S03
1.2•105 Missing data or equal lower limit = 185452 Observed, n = 395 CTM SB3 CG

1.0•105

8.0•104

frequency

6.0•104

4.0•104

2.0•104

0 0 84 112 [ug/m3] 1. July, 0 UTC - 30. Sep. 2003, 23 UTC 28 56 140

Abbildung 4.1.14 Häufigkeitsverteilung PM10 [μg/m3] auf der Basis von stündlichen Werten – schwarz UBA-Messdaten – gestrichelt Simulation
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SO2, daily average, UBA-stations, S03
Missing data or equal lower limit = 5281 Observed, n = 306 5000 CTM SB3 CG

4000 frequency

3000

2000

1000

0 0 4 12 [ug/m3] 1. July - 30. Sep. 2003 8 16 20

Abbildung 4.1.15 Häufigkeitsverteilung SO2 [μg/m3] auf der Basis von Tagesmittelwerten – schwarz UBA-Messdaten – gestrichelt Simulation

NO2, hourly data, UBA-stations, S03
Missing data or equal lower limit = 132214 Observed, n = 457 3•105 CTM SB3 CG

frequency

2•105

1•105

0 0 66 88 [ug/m3] 1. July, 0 UTC - 30. Sep. 2003, 23 UTC 22 44 110

Abbildung 4.1.16 Häufigkeitsverteilung NO2 [μg/m3] auf der Basis von stündlichen Werten – schwarz UBA-Messdaten – gestrichelt Simulation
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Ozon

NO2

Abbildung 4.1.17 Sommer Episode 2003 – Episodenmittel (links) und Maximum (rechts)oben: Ozon, unten NO2 alle in [μg/m3]

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SO2

CO

Abbildung 4.1.18 Sommer Episode 2003 – Episodenmittel (links) und Maximum (rechts)oben: SO2 unten CO alle in [μg/m3]

- 51 -

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PM10

PM2.5

PM1

Abbildung 4.1.19 Sommer Episode 2003 – Episodenmittel (links) und Maximum (rechts)oben: PM10 Mitte: PM2.5 unten PM1 alle in [μg/m3]

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Sulfat

Nitrat

Ammonium

Abbildung 4.1.20 Sommer Episode 2003 – Aerosolkomponenten Episodenmittel (links) und Maximum (rechts)- oben: Sulfat Mitte: Nitrat unten Ammonium alle in [μg/m3]

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Elementarer Kohlenstoff

Primärer organischer Kohlenstoff

Sekundäres org. Aerosol – anthr.

Sekundäres org. Aerosol - biogen

Abbildung 4.1.21 Sommer Episode 2003 – Aerosolkomponenten Episodenmittel – von links oben nach rechts unten: Elementarer Kohlenstoff, primäres organisches Aerosol, anthropogenes sekundäres organisches Aerosol und biogenes sekundäres organisches Aerosol alle in [μg/m3]

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Literatur
Ackermann, I. J., H. Hass, M .Memmesheimer, A. Ebel, F.B. Binkowski, and U. Shankar: Modal Aerosol dynamics model for Europe: Development and first applications. Atmos. Environm., 32, 2891-2999, 1998. Elbern, H. and H. Schmidt: Ozone episode analysis by four-dimensional variational chemistry data assimilation. J. Geophys. Res., 106, 3569 - 3690, 2001. Friese, E., H.J. Jakobs, M.emmesheimer, H. Feldmann, A. Ebel, M.J. Kerschgens: Long-term simulation of particulate matter over Europe with the EURAD Modeling System. Proceedings from the EUROTRAC-2 Symposium 2002, Eds.: P.M. Midgley, M. Reuther, Margraf Verlag, Weikersheim, 2002a. Friese, E., H.J. Jakobs, M. Memmesheimer, H. Feldmann, C. Kessler, G. Piekorz, A. Ebel: Ausbreitungsrechnungen für Nordrhein-Westfalen zur Anwendung im Rahmen der Beurteilung der Luftqualität nach EU-Richtlinien. Abschlußbericht zum FuE-Vorhaben ANABEL, im Auftrag des Landesumweltamtes Nordrhein-Westfalen, Juni 2002b. Jakobs, H.J., H. Feldmann, H. Hass, M. Memmesheimer: The use of nested models for air pollution studies: an application of the EURAD model to a SANA episode. J. Appl. Met., 34, 1301-1319, 1995. Jakobs, H.J., S. Tilmes, A. Heidegger, K. Nester, G. Smiatek: Short-term ozone forecasting with a network model system during summer 1999. J. Atmos. Chem., 42, 23 - 40, 2002a. Jakobs, H.J., E. Friese, M. Memmesheimer, A. Ebel: Entwicklung und Erprobung einer Prognose-Systems zur Vorhersage der Luftqualität in Nordrhein-Westfalen. Abschlußbericht zum FuE-Vorhaben PROSYS, 20 Seiten, im Auftrag des Landesumweltamtes Nordrhein-Westfalen. November 2001. Kessler, C., W. Brücher, M. Memmesheimer, M.J. Kerschgens, A. Ebel: Simulation of Air Pollution with Nested Models in North-Rhine-Westphalia. Atmos. Environment, in press, 2001. Memmesheimer, M., E. Friese, H.J. Jakobs, A. Ebel: Anwendungsmöglichkeiten von 3-D-Chemie-TransportModellen für die PMx-Quellenidentifizierung. Zusammenfassung des Vortrags auf dem Workshop „PMxQuellenidentifizierung: Methoden und Ergebnisse“, Duisburg 12./13. September 2001, 16 Seiten. Memmesheimer, M., Friese, E., Ebel, A. Jakobs, H.J. Feldmann, H., Kessler C. and Piekorz, G. (2004) ‚Longterm simulations of particulate matter in Europe on different scales using sequential nesting of a regional model’, Int. J Environment and Pollution, Vol. 22, Nos ½, pp. 108-132. Schell, B., I.J. Ackermann, H. Hass, F.S. Binkowski, A. Ebel: Modeling the formation of secondary organic aerosol within a comprehensive air quality modeling system. J. Geophys. Res., 106, 28275 – 28293, 2001.

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