Möglichkeiten und Grenzen des numerischen Pollenvorhersagemodells COSMO-ART

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1 Eidgenössisches Departement des Innern EDI Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz Möglichkeiten und Grenzen des numerischen Pollenvorhersagemodells COSMO-ART Andreas Pauling, MeteoSchweiz

2 Überblick Einleitung: Pollen und Allergien Pollenmessungen Das Modellsystem COSMO-ART: Konzept des Pollenmoduls Berechnung des Blühbeginns Emissionsparametrisierung Operationelle Verwendung von COSMO-ART 2011 und 2012 Verifikation: Vergleich mit Messungen Ausblick 2

3 Die aktuelle Birkenpollenbelastung 3

4 Pollenallergien 15-20% der Bevölkerung sind betroffen Niessen, geschwollene Augen, Asthma 4

5 Sozio-ökonomische Kosten von Pollenallergien in Europa Direkte Kosten ( Arztbesuche /1 Mio. Einwohner, Medikamente): 1.2 Mrd. Euro pro Jahr (European Allergy White paper) Indirekte Kosten: Absenzen vom Arbeitsplatz, Vorsichtsmassnahmen, Verlust an Lebensqualität 5

6 Nutzer von Polleninformationen Allergiebetroffene Ärzte / Apotheken / Gesundheitswesen / Pharma Öffentlichkeit / Forschung Beispiele für Anwendungen: Therapieplanung und -kontrolle, klinische Studien, Beratung, Vorbeugung, gezielte Medikamenteneinnahme, Freizeit- und Ferienplanung 6

7 Polleninformationen: Tageswerte, 14 Stationen in der Schweiz 7

8 Burkard (Hirst-type) volumetrische Pollenfalle Pumpe 10 Liter / Minute 8

9 Operationelle Pollenmessungen Wechsel des Streifens jeden Montag Präparation des Streifens, Pollenbestimmung und Zählen unter dem Mikroskop Publikation der Pollendaten auf dem Internet 9

10 Birkenpollen 10

11 11

12 Pollenprognosen heute und morgen Manuelle Prognosen für Tageswerte der 14 NAPOL-Stationen aufgrund von Messdaten statistischen Modellen Erfahrung Automatische Prognosen, räumlich und zeitlich hoch aufgelöst 12

13 Überblick Einleitung: Pollen und Allergien Pollenmessungen Das Modellsystem COSMO-ART: Konzept des Pollenmoduls Berechnung des Blühbeginns Emissionsparametrisierung Operationelle Verwendung von COSMO-ART 2011 und 2012 Verifikation: Vergleich mit Messungen Ausblick 13

14 COSMO ART (ART = Aerosols and Reactive Trace Gases) Partner: KIT DWD ZAMG Austausch: EMPA FMI NERI Ext. Parameters Quelle: Karlsruhe Institute of Technology 14

15 Das Konzept des Pollenmoduls Modell Pollensaison BlühBeginn Temperatursumme Höhenkorrektur für die Emisson Länge der Pollensaison Blühende Modell Emission Stand der Saison Mathematische Funkion Modell Dispersion aktuelles Wetter Pollenemission Verbreitung der Pflanze Pollen Sedimentation und Auswaschung durch Regen Pollenkonzentration Transportbudget 15

16 Blühbeginnmodell Simuliert die Entwicklung der Pflanze Oft Temperatursummen ab einem bestimmten Datum, oberhalb eines Temperaturschwellenwertes, bis zu einem kritischen Wert (growing degree days) Beginn und Ende der Pollensaison kann vorhergesagt werden 16

17 Berechnung der Temperatursumme 17

18 Modellierter und beobachteter Start der Birkenpollen-saison (>30 Pollen/m 3) in Zürich => T>9 C, 1. Februar, Gewichte 1,2,3, mittlere Differenz Beobachtet/modelliert = 2.3 Tage 18

19 Beschreibung der Pollensaison 19

20 Das Konzept des Pollenmoduls Modell Pollensaison BlühBeginn Temperatursumme Höhenkorrektur für die Emisson Länge der Pollensaison Blühende Modell Emission Stand der Saison Mathematische Funkion Modell Dispersion aktuelles Wetter Pollenemission Verbreitung der Pflanze Pollen Sedimentation und Auswaschung durch Regen Pollenkonzentration Transportbudget 20

21 Pflanzenverbreitungskarten Birkenverbreitung Gräserverbreitung 21

22 Pollen emission: biological aspects Growing of the plant and ripening of the pollen grains in the pollen sacs. Time scale: weeks to months. Opening of the ripe flowers. Time scale: minutes to hours. Phenological model: start of the pollen season and course of the season Emission parameterization: response of the flower to current meteorological conditions Emission of the pollen grains into the atmosphere. Time scale: minutes to hours. Pictures: Agroscope ACW and Mike Martin 22

23 Pollenemission Konzept Pollen Reservoir : 1. Reifen der Pollen. Füllen des Reservoirs. Biologie 2. Emission der Pollen aus dem Reservoir in die Atmosphäre. Meteorologie Quelle: Katrin Zink, MeteoSchweiz Biologie Meteorologie 23

24 Biologie das Reservoir Füllen des Reservoirs: Potentielle Pollenmenge (phänologisches Modell) Pflanzenbedeckung Einfluss der Temperatur Einfluss der Feuchte Leeren des Reservoirs: Emission in die Atmosphäre Zufällige Prozesse (z.b. Tiere) Regen 24 Quelle: Katrin Zink, MeteoSchweiz

25 Meteorology Emission 1. Emission only if vchar reaches a certain threshold friction velocity. 2. Amount of pollen depends on: number of pollen in the reservoir wind speed and turbulence relative humidity Agroscope ACW 25 Quelle: Katrin Zink, MeteoSchweiz

26 Der Einfluss der Feuchte auf die Pollenemission 26

27 Parameterization of the sedimentation v = 2 s 4 ρ p de g 3 ρ cd ρ p: pollen density depends on water content (Aylor, 2002) cd: drag coefficient parameterised after Fuchs (1964) and Friedlander (1977) de: volume equivalent diameter (Hinds, 1982) ρ: air density 27

28 Parameterization of the washout 3 E p0 Λ= 2 Dp Λ: scavenging coefficient E: efficiency Dp: diameter of rain drops p0: rain intensity back 28

29 29

30 The birch pollen season

31 Neu: Belastungskarten (Internet), Punktprognosen, Tagesverläufe 31

32 Grenzen von COSMO-ART Birkenpollen: Vergleich mit Messungen 32

33 Gräserpollen: Vergleich mit Messungen 33

34 Gräserpollen: Vergleich mit Messungen 34

35 Prognosedienst: Anteil korrekt prognostizierter Belastungsklassen 35

36 Verifikation Birken und Gräser 2011 Birke Gräser Boosting COSMO-ART Manuell Boosting COSMO-ART Manuell 36

37 Zusammenfasssung (take home message) 1. Pollenallergien verursachen sozio-ökonomische Kosten 2. Pollenprognosen können helfen, Symptome und Kosten zu minimieren 3. Das Pollenmodul von COSMO-ART ermöglicht neu zeitlich und räumlich hochaufgelöste Pollenprognosen => flächendeckend => Tagesverläufe 4. MeteoSchweiz berechnet operationell Birken- und Gräserpollen mit COSMO-ART. Publikation auf und 37

38 Ausblick Verbesserungen: Blühbeginn, Emissionsparametrisierung, Verifikation Tagesgang Tests mit COSMO 2: operationell 2013? Erweiterung um weitere Arten (Hasel, Erle, Esche, Ambrosia) 38

39 Eidgenössisches Departement des Innern EDI Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!