Entwicklung und Anwendung von Methoden und Modellen zur Berechnung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Emissionen in Europa

Abstract

Räumlich und zeitlich hochauflösende Modelle sind essentiell für die Beantwortung vieler Fragestellungen der Luftreinhaltung und der Klimamodellierung. Hochauflösende Emissionsdaten werden benötigt, um die Konzentration von Schadstoffen mittels Chemie-Transportmodellen zu bestimmen und die Auswirkungen auf Mensch und Natur zu quantifizieren, sowie insbesondere adäquate Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Methoden zur Modellierung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Emissionen weiterzuentwickeln und diese am Beispiel der EU27- und der EFTA-Länder in einer 1km × 1km und stündlichen Auflösung für das Jahr 2008 anzuwenden. Die Herleitung und Weiterentwicklung der Methoden der räumlichen und zeitlichen Auflösung mit zugehörigen detaillierten Gleichungen sind zwei der wesentlichen Verbesserungen, welche im Zuge dieser Arbeit durchgeführt wurden. Die Weiterentwicklungen der räumlichen Verteilung der Emissionen aus den Quellgruppen Energiebereitstellung, Industrie und Abfallwirtschaft betrifft das Berücksichtigen von diffusen Emissionsanteilen bei punktquellrelevanten Sektoren. Die Neuerungen bei der räumlichen Verteilung von Emissionen aus Haushalten beinhalten insbesondere eine energieträgergewichtete Verteilung. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verbesserung der räumlichen Verteilung der Straßenverkehrsemissionen. Aufgrund der schwer zugänglichen Verkehrszähldaten auf europäischer Ebene wurden neue Methoden entwickelt, welche trotz schlechter Datenlage belastbare Emissionen auf Gitterebene liefern. Die Fortschritte bei der räumlichen Verteilung der Landwirtschaftsemissionen sind bei der Berechnung von diffusen Anteilen unter Berücksichtigung von Anlagen zur Intensivhaltung oder Aufzucht von Tieren zu finden. Neben der räumlichen Verteilung steht die zeitliche Emissionsauflösung im besonderen Fokus der Weiterentwicklung von hochauflösenden Emissionsmodellen, da der Stand des Wissens bei der zeitlichen Auflösung von Emissionen nach wie vor in einem rudimentären Zustand ist. Infolgedessen war es notwendig die zeitliche Auflösung von Emissionen in Europa auf eine belastbare Grundlage zu stellen, auf deren Basis die Hauptemissionsquellen: Strom- und Wärmeversorgung, Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen, Straßenverkehr und Landwirtschaft stündlich aufgelöst werden können. Methodische Erweiterungen wie die verstärkte Integration von Temperaturdaten und anderer Parameter sind wesentliche Schwerpunkte dieser Arbeit. Das Ziel bei der zeitlichen Auflösung ist es, temperaturabhängige Funktionen zu entwickeln, auf deren Grundlage die Zeitprofile auch für zukünftige Jahre bestimmt werden können. Auf der Basis der entwickelten Methoden wurde erstmalig das Ergebnis von stündlichen Emissionen für Europa auf einer 1km × 1km-Auflösung aufgezeigt. Eine detaillierte und quantitative Unsicherheitsbetrachtung der räumlichen und zeitlichen Emissionsverteilung bedarf eines enormen Rechen- und Zeitaufwands, weswegen es notwendig war, häufig verwendete Methoden der Unsicherheitsbetrachtung auf die Anwendbarkeit für hochauflösende Emissionsmodelle zu prüfen und Empfehlungen abzugeben. Zudem wurde anhand von Beispielen aufgezeigt, wie die räumliche und zeitliche Unsicherheitsanalyse durchgeführt werden kann.

High spatial and temporal resolution models are essential for answering many questions of air quality management and climate modeling. High-resolution emission models are required to determine the concentration of pollutants using chemical transport models, and to quantify the impacts on health and environment and in particular to develop adequate countermeasures. The aim of this work is to develop methods for the calculation of spatially and temporally high-resolved emissions and to apply these exemplarily on a 1km × 1km and hourly resolution for the year 2008 in the EU-27 and EFTA countries. The derivation of methods for the spatial and temporal resolution of emissions with corresponding detailed equations is one of the major improvements that have been carried out in the course of this work. The improvement of the spatial distribution of emissions from the point source relevant sectors like energy supply, industry and waste management is achieved by considering sector specific diffuse emission shares. The progress of the spatial distribution of emissions from households is in particular the development of a fuel type weighted distribution over Europe. Another main focus is the development of the spatial distribution of road transport emissions. Due to the restricted access to traffic count data at the European level, methods have been established to provide reliable emissions on grid level for Europe. The progress in the spatial distribution of agricultural emissions is achieved by the consideration of diffuse shares similar to the other point source relevant sectors like energy supply or industry. In addition to the spatial distribution of the emissions the temporal resolution is a main focus of this work, since the state of knowledge of the temporal resolution of emissions in Europe is still rudimentary. Therefore, it was necessary to develop in particular time curves for the hourly resolution of emissions for the main sectors, namely electricity and heat supply, households, commercial, trade and services, road transport and agriculture. One of the main focuses of the development of temporal profiles was specifically to consider temperature data and other parameters. The derivation of the time profiles requires huge amount of indicator data for each time step. Consequently, the goal for the development of temporal profiles in Europe is to derive temperature dependent equations which are capable of generating sector specific profiles for the present as well as for the future. Based on the developed methods, for the first time the visualization of hourly emissions on a 5km × 5km for Europe could be shown. The basis for the visualization was the calculation of hourly emissions at a 1km × 1km resolution. Due to the lack of quantitative uncertainty assessments, it was necessary to identify the reasons for the lack of uncertainty analysis at the European level and also to describe the possibilities of a quantitative uncertainty analysis for high resolution emission models. Moreover, on the basis of examples it was possible to describe, how the spatial and temporal uncertainty analysis of high resolution emission models can be carried out.