Vortrag auf dem 5. ESRI Anwendertreffen Baden-Württemberg

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Angelika Kneller
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1 Vortrag auf dem 5. ESRI Anwendertreffen Baden-Württemberg Forschungsarbeiten an der Universität Stuttgart - Nationale wirkungsorientierte Kartierung der Luftschadstoff-Belastung in Deutschland Methoden und Vorläufige Ergebnisse aus BMU/UBA Erfassung, Prognose und Bewertung von Stoffeinträgen und deren Wirkungen in Deutschland und vorangegangenen Forschungsprojekten am 26. Juni 2008, Hochschule für Technik Stuttgart Thomas Gauger Universität Stuttgart Institut für Navigation (INS) Breitscheidstraße Stuttgart Berlin, 18.Januar 2008

Luftschadstoff-Belastung in Deutschland Methoden und Vorläufige Ergebnisse aus BMU/UBA 3707 64 200 Erfassung, Prognose und Bewertung von

2 Beispiel: Wirkungen von reaktiven anthropogenen Stickstoffspezies (N r ) in der Atmosphäre auf unterschiedliche Rezeptoren: Kartierung Hours und Modellierung days Weeks months years decades centuries von Dosis (Deposition) und Empfindlichkeit air concentrations (Critical Loads) für die Rezeptoren: visibility Menschliche Gesundheit Deposition (nur O 3 Konzentrationen, HM) health (acute) health (chronic) Oberflächengewässer aquatic (episodic) aquatic (chronic) plant responses Vegetation changes soil processes Terrestrische Ökosysteme (Wälder, semi-natürl. Vegetation) soil nutrient reserves forest ecosystem health Carbon sequestration Baumaterialien (inkl. Kulturerbe) material materials deterioration climate change Source: Bleeker A & Erisman JW (2005) [modified]

(acute) health (chronic) Oberflächengewässer aquatic (episodic) aquatic (chronic) plant responses Vegetation changes soil processes Terrestrische Ökosysteme (Wälder, semi-natürl.

3 Veränderung von Ökosystemen durch den Eintrag (Deposition) von Luftschadstoffen: Dünen in den Niederlanden um 1960 Dünen in den Niederlanden 2000 Stuttgart, 26. Juni 2008 Quelle: Kros et al. 2005

4 Eiche (Quercus robur und petraea) Waldschadenserhebung (Kronenzustand, Vitalität) gesund Fichte (Picea abies) stark geschädigt Schadensbilder Source: FAWF Rheinland-Pfalz [

5 spruce pine beech oak all stark geschädigt, abgestorben mittelstark geschädigt schwach geschädigt FAWF (2004): Waldzustandsbericht für Rheinland-Pfalz 2003

6 Gasen: Modelldaten der Immission Reaktion von Partikeln: Meteorologie, Datensätze Meteorologie Transport Kartierung: Interpolation von Monitoring-Daten Nasse Deposition Kartierung: Modellberechnungen Emissionen Trockene Deposition Industrie, Energie (Verbrennung) Verkehr (Verbrennung) Landwirtschaft, Viehhaltung Rezeptoren: Terrestrische Ökosysteme Deposition und Modellierung/Kartierung versauernder und eutrophierender atmosphärischer Stoffeinträge Stuttgart, 26. Juni 2008 Quelle: NEGTAB (2001), verändert

Energie (Verbrennung) Verkehr (Verbrennung) Landwirtschaft, Viehhaltung Rezeptoren: Terrestrische Ökosysteme Deposition und

7 Verfahren der Kartierung von rezeptorspezifischer Gesamtdeposition Rezeptorspezifische Gesamtdeposition wird in hoher räumlicher Auflösung (1 1km² Raster) flächendeckend berechnet als Summe der drei Flüsse (F) von (1) nasser, (2) trockener und (3) feuchter Deposition (durch Nebel&Wolkenwasser): F total = F wet + F dry + F cloud wobei Depositionsfelder der Nassdeposition durch Kriging-Interpolation von Monitoringdaten (Freiland-Depositionsmessungen) und Verschneidung mit Niederschlagskarten des DWD berechnet werden: F wet = Niederschlagskonzentration interpoliert Niederschlag modelliert [eq ha -1 a -1 ] Rezeptorspezifische Trockendepositionsfelder werden mit Inferentialmodellen erzeugt. Mit dem IDEM-Modell wird die Trockendeposition von versauernd wirkenden Komponenten und basischen Kationen modelliert, das LOTOS-EUROS-Modell liefert die atmosphärischen Konzentrationen zur Berechnung der Trockendeposition: F dry = Depositionsgeschwindigkeit modelliert atmosph. Konzentration modelliert [eq ha -1 a -1 ] Rezeptorspezifische Feuchtdepositionsfelder werden aus Depositionsgeschwindigkeit und Wolkenwasserkonzentration berechnet: F cloud = Depositionsgeschwindigkeit modelliert Wolkenwasserkonz. modelliert [eq ha -1 a -1 ]

Kriging-Interpolation von Monitoringdaten (Freiland-Depositionsmessungen) und Verschneidung mit Niederschlagskarten des DWD berechnet werden: F wet = Niederschlagskonzentration interpoliert

8 Kartierung der Nassdeposition im GIS: Einlesen der Punkt-Daten der nassen Deposition Stuttgart, 26. Juni 2008

9 Kartierung der Nassdeposition im GIS: Einlesen der Punkt-Daten der nassen Deposition Erzeugung von Feldern der Konzentration im Niederschlag, Kriging-Interpolation Stuttgart, 26. Juni 2008

10 Kartierung der Nassdeposition im GIS: Einlesen der Punkt-Daten der nassen Deposition Erzeugung von Feldern der Konzentration im Niederschlag, Kriging-Interpolation Multiplikation von Niederschlagskonzentration mit Niederschlagsmenge Stuttgart, 26. Juni 2008

Niederschlag, Kriging-Interpolation Multiplikation von

11 Kartierung der Nassdeposition im GIS: Einlesen der Punkt-Daten der nassen Deposition Erzeugung von Feldern der Konzentration im Niederschlag, Kriging-Interpolation Multiplikation von Niederschlagskonzentration mit Niederschlagsmenge zur Berechnung des flächenhaften Eintrags [in kg ha -1 a -1 ] Stuttgart, 26. Juni 2008

Kriging-Interpolation Multiplikation von Niederschlagskonzentration mit

12 EDACS EUROS & EUTREND: & IDEM: Modellierung und Kartierung der trockenen Deposition LOTOS-EUROS & IDEM: Immissionsfelder von gasförmigen (SO2, NH3, NO, NO2, HNO3) und partikulären (NO3, NH4, SO4) Luftinhaltsstoffen erzeugt aus Eissionsdatensätzen (Ausbreitungsmodelle); zeitliche Auflösung: : Tagesmittel 3-Stundenmittel Ableitung von Ca-, Mg-, K-, Na-Immissionsfeldern erzeugt aus Konzentration im Niederschlag (Naßdeposition) Meteorologische Datensätze Windgeschwindigkeit, Temperatur, Taupunkttemperatur bzw. Relative Feuchte, kurzwellige Strahlung, Schubspannungsgeschwindigkeit, Wolkenbedeckung, Niederschlagssummen, Obukhov-Länge, Oberflächenfeuchte. Datensätze als 6-Stundenmittel Landnutzungsdaten und Rezeptorinformationen Landnutzungskarte der CORINE Land Cover Map, 69 Landnutzungsklassen: (1) Nadel-, Nadelwald, Laub-, (2) Mischwald, Laubwald, Ackerland, (3) Mischwald, Grünland, (4) Agrargebiete, nat. Veg., schüttere (5) Siedlungsgebiete, Veg., Bebaute (6) Geb., Binnengewässer Gewässer Vegetations- bzw. Rezeptorhöhen (Bestimmung der Rauhigkeitslängen), Blattflächenindex (LAI), etc. Depositionsgeschwindigkeiten Depositionsgeschwindigkeit Vd : Vd = 1 / (Ra + Rb + Rs) Ra : aerodynamischer Widerstand gegen turbulenten Transport zur Rezeptoroberfläche Rb : quasi-laminarer Widerstand gegen molekularen Transport durch die oberflächennahe Grenzschicht Rs : Oberflächenwiderstand gegen Aufnahme bzw. Absorption am Rezeptor Trockendepositionsflüsse Trockendepositionsfluss F : F = Vd(z) c(z) Vd(z) : Depositionsgeschwindigkeit in der Höhe z (Referenzhöhe z = 50m) c(z) : Immissionskonzentration in der Höhe z Input zur Berechnung der Karten der Gesamtdeposition

im Niederschlag (Naßdeposition) Meteorologische Datensätze Windgeschwindigkeit, Temperatur, Taupunkttemperatur bzw.

13 LOTOS-EUROS Modellergebnisse: Atmosphärische Konzentration (c) Beispiel: NH Stuttgart, 26. Juni 2008

14 IDEM Modellergebnisse: Depositionsgeschwindigkeit (v d ) Beispiel NH Stuttgart, 26. Juni 2008

15 Modellergebnis: Trockene Deposition F dry = c v d Beispiel: NH Stuttgart, 26. Juni 2008

16 Umfang der Modellierung und Kartierung der Gesamtdeposition (= Nass- + Trocken- + Nebel&Wolkenwasser-Deposition) - Hauptkomponenten: SOX-S, NHX-N, NOY-N, Ca, K, Mg, Na, [Cl, H] (N, ACpot, ACpot(net)) - Schwermetalle: Pb und Cd - Kartierung der Nassdeposition der Hauptkomponenten und der Schwermetalle Pb und Cd im Niederschlag auf der Basis gemessener Daten - Modellierung der Trocken- und Nebel&Wolkenwasser-Deposition der Hauptkomponenten und Schwermetalle Pb und Cd -- flächenhafte Modellierung und Ergebnisse Berlin, 18.Januar 2008

Hauptkomponenten und der Schwermetalle Pb und Cd im Niederschlag auf der Basis gemessener Daten - Modellierung der Trocken- und

21 Zeitreihen: Entwicklung der mittleren Gesamtdeposition Stuttgart, 26. Juni 2008

Forschungsvorhaben 3707 64 200 bereit zu stellen: Nation (D)

22 Kartierungs- und Aussage-Ebenen Beispiel Stickstoff (N) Deposition LRTAP: Kontinent (Europa) in BMU/UBA Forschungsvorhaben bereit zu stellen: Nation (D) Region (NW-D) Punkt N-Deposition am Punkt von Interesse Stuttgart, 26 Juni 2008

23 Datenweitergabe als Koordinaten-Abfrage der Stickstoff-Gesamtdeposition 2004 im Internet ( osiris.uba.de ) Wie hoch ist die aktuelle Depositionsbelastung durch Stickstoff in einem bestimmten Ökosystem? Beispiel: Ökosystem-Punkt Laubwald bei Walzbachtal (R , H ) - Auswahl des 3. GK-Streifens - Auswahl der Karte (Srtukturtyp: Laubwald) - GK Koordinaten-Eingabe - Abfrage des Depositionswertes - Ausgabe des Wertes N-Gesamtdeposition, Vorbelastungswert : 32 kg ha-1 a-1 N Stuttgart, 26. Juni 2008

24 Ergebnisaufbereitung und Datenweitergabe Daten der Kartierungsergebnisse auf CD-ROM: Daten CD 1: v d, Konz., Depo.-Flüsse Raster im CLC 2000 Mosaik [1 Karte a -1 ] 474 files Daten CD 2: Gesamtdeposition N, NH X -N, NO Y -N, SO X -S, BC Landnutzungsspezifisch [9 Layer a -1 ] 379 files Landnutzungsklassen: Nadelwald nw Mischwald mw Laubwald lw Bebautes Gebiet bg semi-nat. Veg. nv Agrarland ag Wiesen&Weiden ww Restfläche re Wasserflächen wa Beispiele aus 2004: Conc NH 3 v d NH 3 Beispiel N Gesamtdeposition 2004: nw mw lw bg NH X -N Flux dry Flux wet Flux occult Flux total Conc NH 4 v d NH 4 nv ag ww re wa Stuttgart, 26 Juni 2008

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