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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Regionale und Inverse Modellierung

Aufgabenstellung

Atmosphärenchemische Vorgänge überbrücken räumliche Skalen von interkontinentalen Ferntransporten bis zu kleinskaligen Landnutzungsmustern. Dabei wird die Güte der Luft von einer Unzahl von Faktoren beeinflusst: die  Abgase von Verbrennungs­fahr­zeugen in unmittelbarer Nähe, industrielle Emissionen sowohl aus benachbarten als auch fernen Gebieten oder gar Kontinenten,  chemische Umwandlungen in der Gasphase und an Aerosolen, Transport, turbulente Verteilung und die Entfernung von Spurenstoffen aus der Atmosphäre durch Deposition an Pflanzen oder Niederschlag, sowie Sedimentation.

Die Vorhersage der Luftqualität erfordert also die Fähigkeit, eine Vielzahl unterschiedlicher chemischer und physikalischer Prozesse numerisch zu simulieren und in ihren Wechselwirkungen, auch mit meteorologischen Prozessen, zusammen zu fassen.

Die Arbeitsgruppe behandelt hierzu zwei wesentliche Aufgabenbereiche:

  • numerische Analysen von Fallstudien, wobei im Verbund mit experimentellen Gruppen und ihren Messergebnissen durch erweiterte Modellierungsansätze und Prozessbeschreibungen das numerische Modell zu verbessern,  aber auch Grenzen unseres Verständnisses luftchemischer Prozesse zu identifizieren sind;
  • Entwicklung und Vorbereitung operationeller Luftqualitätsvorhersagen und -analysen im Rahmen europäischer Global Monitoring for Environmental Security (GMES) Projekte.

Korrekturfaktoren Korrekturfaktoren zur Berichtigung des Emissionskatasters für bodennahes NO im Großraum Berlin für den 20.7.1998.

Methodik

Der wesentliche und neuartige methodische Ansatz zur erfolgreichen Bearbeitung beider Problemkreise ist die Inverse Modellierung und Datenassimilation. Hierbei werden mit statistischen und optimierungstheoretischen Verfahren Modelle mit Beobachtungen verknüpft, um aus diesen beiden Informationsquellen bestmögliche luftchemische Zustandsbeschreibungen oder Parameterabschätzungen zu erhalten. Dabei nehmen Emissionsstärkenbestimmungen einen besonderen Platz ein.

Das den Untersuchungen zugrunde liegende numerische Modell ist das EURopean Air pollution Dispersion-Inverse Model (EURAD-IM). Es wurde am Rheinischen Institut für Umweltforschung an der Universität zu Köln (RIU), mit dem eine enge Zusammenarbeit besteht, auch mit seiner tangential-linearen und adjungierten Form entwickelt, und bietet damit die Grundlagen für die Entwicklung aller weiteren fortgeschrittenen Verfahren. In diesem Modell werden bis zu 120 Variablen pro Gitterpunkt berechnet, auch wenn nur ein kleiner Anteil, wie etwa Ozon, Stickoxide, und Feinstaubbelastung  hiervon für chemische Wettervorhersagen veröffentlicht werden und von Landesumweltämter genutzt werden.                 
Die Komplexität der Modelle und der sie einbindenden Inversionsverfahren erzwingt eine Nutzung von Höchstleistungsrechnern, wie sie am Forschungszentrum Jülich am JSC betrieben werden.


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