NOx Internationale Konferenz, Oktober 2007, Wien. August Kaiser. NOx: Ferntransport oder lokale Quellen?

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1 NOx Internationale Konferenz, Oktober 2007, Wien August Kaiser NOx: Ferntransport oder lokale Quellen?

2 Folie 2 Arbeiten der ZAMG zur Herkunft von Luftschadstoffen Herkunftsanalysen schadstoffreicher Luftmassen an den Hintergrundstationen des Umweltbundesamtes Auswirkungen europäischer Großemittenten auf Ost-Österreich Messkampagne Kittsee/Burgenland im Auftrag des Umweltbundesamtes, der Niederösterr. und Burgenländ. Landesregierung Schwerpunkt: Ostösterreich Fragestellung: Woher kommen schadstoffreiche Luftmassen: Lokale Quellen oder Ferntransport? Art der Quellen (Industrie, Verkehr,...) und Ursachen von NOx-Grenzwertüberschreitungen waren nicht Untersuchungsgegenstand Vorträge Hann und Schermann

3 Folie 3 Gegenstand einer meteorologischen Analyse - Überblick Analyse von Schadstoff-Messreihen Vorträge Hann und Schermann Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration von den relevanten meteorologischen Parametern - Wovon hängt die Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphäre ab? - Strömungsanalysen mittels Trajektorien - Vergleiche mit anderen Schadstoffen Simulation der Schadstoffbelastung mittels Modellrechnung - Emission Simulation der Prozesse, denen die Schadstoffe in der Atmosphäre unterliegen ( Transmission ) Schadstoffbelastung ( Immission ) - Nur Modelle schließen die kausale Kette zwischen Emission, Transmission und Immission - Unsicherheiten!!

4 Folie 4 Wovon hängt die Ausbreitung einer Abgasfahne in der Atmosphäre ab? Transport mit dem Wind Verdünnung durch turbulente Diffusion Chemische Umwandlungen Niedrige Quellen: hohe Belastung bei schlechter Durchmischung Hohe Quellen: hohe Belastung bei guter Durchmischung (nur im Nahbereich!) Je größer Entfernung von Quelle, desto geringer Schadstoffgradient in Abgasfahne trockene/nasse Deposition Die Wichtigkeit dieser Prozesse hängt von der jeweiligen Fragestellung ab!

5 Folie 5 Stickoxide - NOx Summe von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) Entstehen bei Verbrennungsprozessen Emission in Österreich NOx-Emission in Österreich Anteile (%) an der NOx-Emission in Öterreich Tonnen NOx Verkehr Industrie Kleinverbrauch Energieversorgung Landwirtschaft EU-Vorgabe ab 2010 Jahresemission Zusammensetzung der Quellen hoher Anteil von bodennahen Freisetzungen Quelle: Umweltbundesamt

6 Folie 6 Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration von der vertikalen Durchmischung (Modellrechnung: Freisetzung von 1 Gramm eines Schadstoffs pro Sekunde) Hoher Schornstein (80 m) Schlechte Durchmischung: Maximalkonzentration: 2,27 µg/m 3 Gute Durchmischung: Maximalkonzentration: 6,48 µg/m 3 Straße (bodennahe Freisetzung) Schlechte Durchmischung: Maximalkonzentration: 927,09 µg/m 3 Gute Durchmischung: Maximalkonzentration: 412,36 µg/m 3 Bodennahe Quelle verursacht bei ungünstigen Bedingungen bei gleicher Emission eine um bis zu rund 400 mal höhere Schadstoffbelastung als hohe Quelle!

7 Folie 7 Abhängigkeit der Schadstoffbelastung von meteorologischen Parametern Am Beispiel der Messstelle Kittsee/Burgenland Bratislava Messstelle Messort Kittsee Sodar-RASS: (sound detection and ranging radio acoustic sound system) vertikale Temperatur- und Windprofile Ultraschallanemometer: extrem schwache Winde Turbulenzparameter

8 Folie 8 Tagesgänge der Luftschadstoffe in Kittsee (April 2006 April 2007) 10-5 mg/m3 Tagesgänge NO2, SO2, PM10 und vert. Temperaturgradient :30 02:00 03:30 05:00 06:30 08:00 09:30 11:00 12:30 14:00 15:30 17:00 18:30 20:00 21:30 23:00 Uhrzeit stabil labil SO2 NO2 PM10 Temp.Gradient NO2: folgt vertikaler Durchmischung niedrige Quellen starker vertikaler NO2-Gradient Ausnahmen: NO2-Rückgang ab 0:30 Uhr Rückgang der Emissionen NO2-Anstieg ab 3:30 Uhr Anstieg der Emissionen (Verkehr) Rasche Reaktion auf Änderungen von Emission und Durchmischung Nahbereich dominiert Nur qualitative Aussage möglich!

9 Folie 9 Abhängigkeit der Luftschadstoffe von meteorologischen Parametern in Kittsee (April 2006 April 2007) NO2, SO2 und PM10 in Abh. von der Windrichtung NO2 SO2 PM mg/m Labil NO2, SO2 und PM10 in Abh. vom vert. Temperaturgradienten Temperaturgradient (1/10 C/100 m) stabil SO2 NO2 PM10 SO2: Aus engem Sektor aus Nordost Großemittent (Raffinerie) NO2: aus breitem Sektor aus Nordost Bratislava, diffuse Quellen PM10: gesamter Ostsektor SO2: leichter Rückgang mit zunehmender Stabilität hohe Quelle NO2: deutlicher Anstieg mit zunehmender Stabilität niedrige Quelle, Nahbereich PM10: kaum von Durchmischung abhängig Nur qualitative Aussage möglich!

10 Folie 10 Abhängigkeit der Schadstoffbelastung von der Luftströmung Luftströmungen aus mehreren Jahren gewichtet mit der an österreichischen Hintergrundmessstellen gemessenen Schadstoffbelastung - Schadstoffbelastung über dem Durchschnitt: rot, - Schadstoffbelastung unter dem Durchschnitt: blau eingefärbt Schwefeldioxid Stickstoffoxide Feinstaub , 10 Messstellen , 9 Messstellen 2001, 3 Messstellen EMEP-Emissionskataster

11 Folie 11 Herkunft NOx und durchschnittliche Transportzeit der Luft Herkunft NOx Ostösterreich Durchschnittliche Transportzeit der Luft nach Illmitz ( ) ( ) Stickoxide hauptsächlich aus jenen Gebieten, aus denen die Luft innerhalb von 12 bis 24 Stunden kommt entspricht der ungefähren Lebensdauer von NOx in der Atmosphäre Nur qualitative Aussage möglich!

12 Folie 12 Abschätzung der Feinstaubbelastung mittels Modellrechnung Beispiel Ostösterreich Lagrange Partikeldiffusionsmodell FLEXPART - 3-dimensionaler Schadstoff-Transport mittels Trajektorien, mesoskalig bis großskalig (Ferntransport) - turbulente Diffusion (in der atmosphärischen Grenzschicht und mesoskalige Turbulenz) - Konvektion in Wolken - trockene und nasse Deposition von Gasen und Partikeln - chemische Reaktionen nur näherungsweise (Vorgabe einer Halbwertszeit) Input: - meteorologische Felder des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (Auflösung: 1 Grad) - EMEP-Emissionskataster (Auflösung: 50 km x 50 km) Berechnung der Belastung durch -SO 2, NO x, primärem und sekundärem Feinstaub - Halbwertszeit SO 2 : 24 Stunden, NO x : 12 Stunden - für das Jahr 2005

13 Folie 13 Unsicherheiten der Modellrechnung Modelle für statistische Aussagen besser geeignet als für die Simulation von Einzelfällen Emissionen können stark schwanken; hier jedoch nur Jahresemission SO2-Emission Trbovlje 1996, t/h Durchschnitt Max. Stundenmittel Durchschnitt Max. Stundenmittel Emissionsangaben zum Kraftwerk Trbovlje (Jahre 1996 und 1997) - Durchschnittswert mitgeteilt von EARS - gemessener maximaler Stundenmittelwert - 3 Monate lang war das Kraftwerk nicht in Betrieb Rastergröße EMEP-Emissionskataster: 50 x 50 km Für NO x nur 1 bodennahe Volums- und 1 vertikale Linienquelle, für alle anderen Schadstoffe nur 1 vertikale Linienquelle pro EMEP-Raster Chemische Umwandlungen hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab; hier jedoch nur näherungsweise Vorgabe einer Halbwertszeit

14 Folie Beispiel berechneter und gemessener Zeitreihen Beispiel SO FLEXPART EMEP Simulation im Vergleich mit Messungen, SO2, Mittel über Wien, Pillersdorf, Illmitz, Enzenkirchen und Klöch Seichte Inversion im äußersten Osten Österreichs FLEXPART EMEP SO 2 Keine Halbwertszeit FLEXPART EMEP SO 2 24 h Halbwertszeit SO 2 gemessen 20 SO2 (µg/m3) 10 0 FLEXPART-Zeitreihen für SO 2 (blau: ohne Halbwertszeit, rot: 24 Stunden Halbwertszeit) Mittlere Messreihe über 5 ostösterreichische Messstellen (schwarz) Zeit

15 Folie 15 Ergebnisse für NOx relativer Anteil der Emissionsquellen Illmitz Jahresmittel Illmitz Konzentrationen > 95. Perzentil Wien Jahresmittel Wien Konzentrationen > 95. Perzentil Quantitative Beiträge der europäischen Emissionsquellen Generell: hoher Anteil aus Nahbereich Anteil lokaler Quellen in Wien größer als in Illmitz Bei hoher Belastung nimmt der Anteil von Emissionen im Westen ab und jener im Nahbereich zu

16 Folie 16 Ergebnisse der Modellrechnung Anteil (%) von Emissionsquellen in Entfernungen < 100 km (%) Wien JMW Wien > 95.Perzentil Illmitz JMW Illmitz >95. Perzentil 0 NOx SO2 PM10 primär PM10 sekundär Die Modellrechnung bestätigt die qualitativen Ergebnisse der Zeitreihen- und Strömungsanalysen: - NOx: Nahbereich dominiert, vor allem bei hoher Belastung (bis rund 95% in Wien) - SO2: Ferntransport überwiegt - PM10: Ferntransport und lokale Quellen

17 Folie 17 Zusammenhang NOx und Ozon N-S-Querschnitt W-E-Querschnitt NOx, Ostregion, Juni-August ( ) Ozon, Ostregion, Juni-August ( ) NOx-reiche Luftströmungen sind ozonreich!

18 Folie 18 Zusammenhang NOx und Feinstaub Illmitz: Sulfat-Konzentrationen > 95. Perzentil Bei hoher Belastung (> 95. Perzentil): Illmitz: Nitrat-Konzentrationen > 95. Perzentil EMEP-SO 2 -Emissionskataster Sulfat vor allem aus Osteuropa Nitrat vor allem aus Nahbereich und Westeuropa Stickoxide tragen zur Feinstaubbelastung bei (Nitrate) EMEP-NO x -Emissionskataster

19 Folie 19 Vergleich der Modellrechnung für NOx und Nitrat Anteil von Emissionsquellen in Entfernungen < 100 km 100 % JMW > 95.Perzentil JMW >95. Perzentil Wien Wien Illmitz Illmitz NOx Nitrat NOx überwiegend aus Nahbereich Nitrat: auch Ferntransport

20 Folie 20 Zusammenfassung Zeitreihenanalysen, Abhängigkeit der NOx-Belastung von meteorologischen Parametern und Modellrechnungen zeigen übereinstimmend: - für Stickoxide sind Emissionsquellen aus dem Nahbereich dominierend - geringe Verweildauer in der Atmosphäre Bei hohen Konzentrationen sind die Beiträge aus nahen Quellen besonders groß Stickoxide tragen zudem zur Ozonbelastung und zur Feinstaubbelastung (Nitrate) bei

21 Folie 21 NOx Internationale Konferenz Danke für Ihre Aufmerksamkeit