Atmosphärische Ausbreitungsmodellierung: Grundlagen und Praxis

163 Pages·1998·8.292 MB·German

by  Prof.Dr.Rer.Nat. Axel Zenger (auth.)

Axel Zenger
Atmosphärische Ausbreitungsmodellierung
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Axel Zenger
Atmosphärische
Ausbreitungsmodellierung
Grundlagen und Praxis
Mit 87 Abbildungen und 23 Tabellen
Springer
PROF. DR. RER. NAT. AXEL ZENGER
Werderstraße 6a
69120 Heidelberg
e-mail: [email protected]
ISBN 978-3-642-63811-4 ISBN 978-3-642-58978-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58979-9
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufhahme
Zenger, Axel:
Atmosphärische Ausbreitungsmodellierung: Grundlagen und Praxis / Axel Zenger. - Berlin; Heidel
berg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio:
Springer 1998
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998
SPIN: 10645674 30/3136 - 543210
Vorwort
Atmospharische Ausbreitungsrechnungen und Immissionsprognosen werden heut
zutage im Rahmen von Umweltvertraglichkeitspriifungen, Genehmigungsverfah
ren, Risikoabschatzungen oder im :Bereich der Umweltplanung nicht mehr aus
schlieBlich von Meteorologen durchgefiihrt. Viele Berufszweige wie z. B. Stadt-,
Landes- oder Verkehrsplaner, Bauingenieure, Umwelt- und Verfahrensingenieure
oder Architekten setzen mittlerweile vermehrt auch atmospharische Ausbrei
tungsmodelle ein, um mogliche lufthygienische oder klimatische Auswirkungen
ihrer Planungen schon im V orfeld abschatzen zu konnen. Hierbei ist es fUr den
Anwender jedoch oft schwierig, sich das notwendige methodische und fachliche
Basiswissen zur Durchfiihrung einer Immissionsprognose anzueignen. Dies ist
jedoch notwendig, da es nicht ausreicht, atmospharische Ausbreitungsmodelle
,,nur bedienen" zu konnen. Der Anwender muB zur Interpretation und Bewertung
der erhaltenen Resultate verstehen, wie die Modelle arbeiten bzw. wie sensitiv
diese auf unterschiedliche Eingabeparameter reagieren. Fachbticher tiber Meteo
rologie, Ausbreitungsmodellierung und numerische Mathematik decken diesen
Bereich nur teilweise ab, da sie selten den notwendigen Praxisbezug herstellen, oft
sehr theoretisch aufgebaut sind und meist ein sehr groBes V orwisse.n voraussetzen.
Hier setzt das vorliegende Buch an. Es beschreibt die wesentlichen physikali
schen, meteorologischen und numerischen Grundlagen der atmospharischen Aus
breitungsmodellierung und zeigt anhand von Beispielen, wie eine Immissionspro
gnose durchgefiihrt werden kann. Es wurde dabei bis auf die Beschreibung der
numerischen Behandlung von Differenzialgleichungen im Kap. 3 bewuBt auf
tiefgehende mathematische Zusammenhange verzichtet, um statt dessen den Pra
xisbezug und das Verstandnis fUr die methodischen Verfahren und Schwierigkei
ten zu erhohen.
Zielgruppe des Buches sind Ingenieure und Wissenschaftler, die sich im Rah
men ihrer Ausbildung und beruflichen Praxis mit den Aspekten der atmosphari
schen Schadstoffausbreitung bei umweltrelevanten Frageste11ungen beschaftigen.
Dieses Buch ist aus einer einsemestrigen Vorlesung hervorgegangen, die ich
seit einigen Jahren im Rahmen meiner Lehrveranstaltungen zu dem Themenbe
reich Umweltschutz im Bauwesen an der Fachhochschule Mainz halte. Das Buch
sol1 zum einen als Lehrbuch einen Einstieg in die Themenbereiche numerische
Modellierung, Umweltmeteorologie und atmospharische Ausbreitungsmodellie
rung ermoglichen, zum anderen aber auch Praktikem die Moglichkeiten und
Grenzen !fer praxisorientierten Ausbreitungsmodellierung aufzeigen.
VI Vorwort
Diesem Buch liegen mehrere Programme bei, mit deren Hilfe komplexe Zusam
menhiinge veranschaulicht werden· konnen. Zwei Programmsysteme ermoglichen
dariiber hinaus die Durchfiihrung einer atmosphiirischen Ausbreitungsmodellie
rung in ebenem und bebautem Geliinde. Es mu13 jedoch erwahnt werden, daB das
Gau13-Fahnenmodell TA-GAUS und das prognostische Stromungs- und Ausbrei
tungsmodell MISKAM Studienversionen sind, die eingeschriinkte Funktionen
aufweisen und sich nicht zur Durchfiihrung von Gutachten eignen.
Zur Ausfiihrung der Programme wird ein PC mit mindestens einem 80386er
Prozessor, 4MB RAM, DOS 5.0 oder hOher und Windows 3.1 oder Windows 95
benotigt.
Bedanken mochte ich mich an dieser Stelle bei allen, die zum Zustandekom
men dieses Buches beigetragen haben. Ich danke Dr. Eichhorn, daB er die Demo
version des Programmsystems MlSKAM zur Verfiigung gestellt hat und Dipl.
Meteorologen A. Riihling, Dr. G. Schadler, Dr. T. Flassak und Dr. F. Finocchi fUr
das inhaltliche Korrekturlesen. Ganz besonders danke ich meiner Frau fUr die
Riicksichtnahme auf meinen erhOhten Arbeitsaufwand und die vielen kleinen und
groBen Hilfen bei der Erstellung dieses Buches.
Inhaltsverzeichnis
1 EIN"LEITUNG ............................................................................................... 1
2 DEFIN"ITIONEN UND EINHEITEN .......................................................... 5
2.1 BEGRIFFSBESTIMMUNG ............................................................................ 5
2.1.1 Emission .......................................................................................... 5
2.1.2 Immission. ........................................................................................ 6
2.1.3 Deposition und Sedimentation ......................................................... 6
2.2 V OLUMEN-UND MASSENKONZENTRATION .............................................. 6
2.3 BEURTEILUNGSGROBEN ............................................................................ 7
2.3.1 Mittelwerte ....................................................................................... 8
2.3.2 Perzentilwerte .................................................................................. 8
2.3.3 Vor-, Zusatz- und Gesamtbelastung ................................................ 9
2.4 GRENZ-, RICHT- UND VORSORGEWERTE ................................................ 10
3 TRANSPORT UND MIS CHUNG ............................................................. 13
3.1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN .............................................................. 15
3.1.1 Advektion ....................................................................................... 15
3.1.2 Diffusion und Turbulenz ................................................................ 16
3.2 NUMERISCHE BEHANDLUNG .................................................................. 27
3.2.1 Finite DiJferenzen-Approximationen ............................................. 27
3.2.2 Diskretisierungsfehler ................................................................... 29
3.2.3 Diskretisierungsgitter .................................................................... 30
3.2.4 FD-Approximation der Advektionsgleichung ................................ 31
3.2.5 FD-Approximation der Diffosionsgleichung ................................. 34
3.2.6 FD-Approximation der Advektions-Diffusionsgleichung .............. 35
3.2.7 Stabilitiit der Finiten Differenzenverfahren. .................................. 37
3.2.8 Numerische Diffusion .................................................................... 40
3.2.9 Moglichkeiten zur Minimierung der numerischen Diffusion ......... 42
3.3 TEILCHENSIMULATIONSMODELLE .......................................................... 45
4 METEOROLOGISCHE EIN"FLU8GR08EN .......................................... 49
4.1 WINDRICHTUNG ..................................................................................... 49
4.1.1 Regionale Variabilitiit der Windrichtung ...................................... 51
4.1.2 Moglichkeit zur Obertragung benachbarter Windrosen ................ 53
4.1.3 Hohenabhiingigkeit der Windrichtung .......................................... 53
VITI Inhaltsverzeichnis
4.2 WINDGESCHWINDIGKEIT ........................................................................ 55
4.2.1 Hohenabhiingigkeit der Windgeschwindigkeit .............................. 57
4.2.2 Standort eines Windgebers ............................................................ 59
4.3 'fURBULENZ ........................................................................................... 60
4.3.1 Isotropie ........................................................................................ 61
4.4 STA BILITAT DER ATMOSPHARE .............................................................. 62
4.4.1 Statische Stabilitiit ......................................................................... 62
4.4.2 Dynamische Stabilitiit .................................................................... 67
4.4.3 Ausbreitungsklassen ...................................................................... 69
4.4.4 Unterschiede verschiedener Einteilungsschemata ........................ 71
4.4.5 Stabilitiit und Ausbreitung ............................................................. 72
4.5 PRAXISORIENTIERTE WIND-UND AUSBREITUNGSSTATISTIK .................. 73
4.5.1 TA-Luft-Format ............................................................................. 74
4.5.2 DWD-(altes)-Format ..................................................................... 75
4.5.3 Austal-Format ............................................................................... 75
4.5.4 Visualisierung von Wind- und Ausbreitungsklassenstatistiken. ..... 76
4.5.5 Ubertragung von Ausbreitungsklassenstatistiken .......................... 79
4.6 HORE DER MISCHUNGSSCHICHT ..................•.......................................... 82
5 GAU8-FAHNENMODELLE ..................................................................... 83
5.1 GRUNDLAGEN ........................................................................................ 84
5.1.1 Gauj3-Puff-Modelle ........................................................................ 84
5.1.2 Gauj3-Fahnenmodelle .................................................................... 85
5.2 ANNAHMEN DES GAUB-F AHNENMODELLS ............................................. 88
5.2.1 Zeitliche Konstanz der Sigma-Parameter ...................................... 88
5.2.2 Riiumliche Variation der Sigma-Parameter .................................. 88
5.2.3 Riiumliche Konstanz des Windleldes ............................................ 89
5.2.4 Vernachliissigte Diffosion in Ausbreitungsrichtung ...................... 89
5.2.5 Mittelungszeiten. ............................................................................ 90
5.3 SIGMA-WERTE ....................................................................................... 90
5.3.1 Parametrisierung. .......................................................................... 91
5.3.2 Abhiingigkeit von der aerodynamischen Rauhigkeit ..................... 92
5.3.3 Repriisentativitiit der Sigma-Parameter ........................................ 93
5.4 ANwENDUNGSVORAUSSETZUNGEN ........................................................ 94
5.5 TA-LUFT KONFORMES GAUB-FA HNENMODELL. ..................................... 94
5.5.1 Sigma-Werte .................................................................................. 95
5.5.2 Mittlere Windgeschwindigkeit ....................................................... 96
5.5.3 Effektive Quellhohe ....................................................................... 96
5.5.4 Analyse ausgewiihlter Ausbreitungsbedingungen ......................... 97
5.5.5 Berechnung von Jahresmittel- und Perzentilwerten ...................... 98
5.6 GAUB-MoDELL NACH TA-LUFT (1986) ............................................... 100
5.7 BERUCKSICHTIGUNG EINER GERING AUSGEPRAGTEN TOPOGRAPHIE ... 105
5.8 GAUB-MoDELL NACH VDI 37821 BLATT 1 .......................................... 106
5.9 GENAUIGKEIT VON GAUB-F AHNENMODELLEN ..................................... 107
Inhaltsverzeichnis IX
6 GEKOPPELTE WINDFELD-AUSBREITUNGSMODELLE. ............. lll
6.1 WINDFELDMODELLE ............................................................................ 112
6.1.1 Diagnostische Slromungsmodelle ................................................ 112
6.1.2 Prognostische SlrOmungsmodelle ................................................ 117
6.1.3 Vertikale Bewegungsgleichung ................................................... 119
6.2 'fuRBULENZSCHLIEBUNG ...................................................................... 121
6.2.1 . Schlieftung erster Ordnung. .................................................. ;. ..... 122
6.2.2 Schlieftung hoherer Ordnung ...................................................... 123
6.3 BESTIMMUNG DER AUST AUSCHKOEFFIZIENTEN ................................... 123
6.4 EINGANGSGROBEN DER LAGRANGE-MODELLE ..................................... 125
6.5 GENAUIGKEIT VON GEKOPPELTEN WIND-UND
AUSBRElTUNGSMODELLEN ................................................................... 125
6.5.1 Standards ituation in ebenem Geliinde ......................................... 126
6.5.2 Topographisch moderat gegliedertes Geliinde ............................ 126
6.5.3 Bebautes Geliinde ........................................................................ 127
7 MISKAM -BEISPIEL EINES PROGNOSTISCHEN
AUSBREITUNGSMODELLS .................................................................. 129
7.1 VORBEMERKUNG ................................................................................. 129
7.2 PHYSIKALISCHE UND NUMERISCHE GRUNDLAGEN ............................... 130
7.2.1 Bewegungsgleichungen ............................................................... 130
7.2.2 Austauschkoeffizienten ................................................................ 131
7.2.3 Ausbreitungsmodell ..................................................................... 131
7.2.4 Sedimentation und Deposition ..................................................... 131
7.3 KENNGROBEN ....................................................................................... 132
7.4 BEDIENUNGVONMISKAM ................................................................. 132
7.4.1 Aujbau der Eingabedateien fur MISKAM ................................... 133
7.4.2 Durchfii.hrung der Rechnung und Ergebnisausgabe ................... 138
7.4.3 Steuer-, Eingabe-und Ergebnisdateien ....................................... 143
7.4.4 Groftere Rechengebiete und geschachtelte Gitter ....................... 144
7.4.5 Berechnung statistischer Kenngroften ......................................... 146
8 ANHANG ................................................................................................... 147
8.1 lNSTA LLAT ION DER DEMONSTRATIONSSOFTWA RE ............................... 147
8.2 START DER DEMONSTRATIONSPROGRAMME ........................................ 149
8.3 START VON MISKAM. ......................................................................... 149
9 LITERATUR ....... ;. .................................................................................... 151
1 Einleitung
"Sobald ich die schwere Luft von Rom verlassen hatte und den Gestank der qual
menden Kamine, die bei Betrieb alle moglichen Dampfe und RuB ausstiefien, ver
spfute ich einen angenehmen Wandel meines Befmdens". Diese Aussage von Pli
nius dem Alteren (zitiert in Stem et aI., 1984) stammt aus dem Jahr 61 n.ehr. und
zeigt, daB luftgetragene Schadstoffe schon vor nahezu zwei Jahrtausenden zu einer
Belastung der Umwelt und des menschlichen Befindens fiihrten. Mit zunehmen
dem Verbrauch fossiler Energietrager hauften sich ab Mitte unseres Jahrtausends
die Beschwerden tiber eine zunehmende anthropogene Luftbelastung. Der Brite J.
Evelyn auBerte sich z.B. 1664 tiber Kohlefeuerungen in Haushalten und Manu
fakturen: ,,Dieser schreckliche Rauch schwiirzt unsere Kirchen, ruiniert unsere
Kleider, verdirbt das Wasser und selbst mit dem Regen fallt dieser Schmutz herab,
der schwarz und klebrig alles verschmutzt und verunreinigt" (zitiert in Miersch,
1994). Dennoch wurden rauchende Schomsteine noch bis ins spate 19. Jahrhundert
meist nur als Inbegriff des technischen Fortschritts und damit als positive Errun
genschaft betrachtet.
Das Wachstum der Stadte, die Auswirkungen industrieller und technischer
Neuerungen und der exponentiell zunehmende Primarenergieverbrauch verscharf
ten die Umweltproblematik zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts. Unverbrannte
Kohlenwasserstoffe und Stickoxide aus Autoabgasen fiihrten z.B. schon in den
40er Jahren in Los Angeles zu Phasen mit Sommer-bzw. Photo smog. In den euro
paischen Zentren des Kohleverbrauches kam es fiber Jahre hinweg imtner wieder
zu Episoden des beruchtigten, sogenannten London-Smogs, der auf einer Anrei
cherung von Schwefeldioxid und Schwebstaub wahrend austauscharmer Wetterla
gen beruht. 1m Dezember des Jahres 1952 trat eine der gravierendsten Smogperi
oden auf. Innerhalb von nur 4 Tagen verzeichnete man in London durch die hohe
Luftbelastung nahezu 4000 zusatzliche Todesfalle aufgrund von Lungen- und
Herzerkrankungen.
Die stetig zunehmende Luftbelastung in den meisten Ballungs-und Industriege
bieten und die wachsende Sensibilisierung der Bevolkerung fiihrten Mitte dieses
Jahrhunderts zur Einleitung einer Umweltpolitik und der Verabschiedung von
Gesetzen zur Luftreinhaltung. In Deutschland trat die erste Fassung der allgemei
nen Verwaltungsvorschrift Technischen AnIeitung Luft im J ahr 1964 in Kraft, das
Bundesimmissonsschutzgesetz wurde 1974 verabschiedet. 1983 erfolgte eine teil
weise NoveIIierung der TA-Luft, die 1986 mit zusatzlichen Anforderungen ver
vollstandigt wurde.
Mittlerweile mtissen bei der Planung von emissionsrelevanten Industrie- und
Energieversorgungsanlagen, aber auch der Projektierung von BundesautobaImen,
A. Zenger, Atmosphärische Ausbreitungsmodellierung
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998