Ein neuer Methodenverbund zur Erfassung der klimatologisch-lufthygienischen Situation von Nordrhein-Westfalen : Untersuchungen mit Hilfe boden- und satellitengestützter Fernerkundung und numerischer Modellierung

Bonn

1998

183 S.

zahlr. Lit. Ang.

Bandaufführung

51201

Teil II behandelt die im Rahmen des Daten- und Methodenverbunds entwickelten Verfahren zur klimatologischen Bewertung der lufthygienischen Situation von NRW während winterlicher Inversionswetterlagen: - Die Anpassung und Validierung eines hydrostatischen Strömungsmodells (SHWAMEX) zur Modellierung des Grundschichtwindfelds und der Grundschichtmächtigkeit sowie die GIS-gestützte Berechnung der daraus resultierenden Luftstagnation (Stagnationsindex). - Die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur Berechnung der spektralen Albedo, der optischen Dicke und des Flüssigwasserwegs im Nebel auf der Basis von digitalen NOAA-AVHRR Satellitendaten. - Die Entwicklung und Validierung von Verfahren zur Kalibirierung digitaler SODAR-Daten mit Hilfe eines vertikalen Meßprofils und zur Extraktion der Inversionsunter- und -obergrenze aus digitalen SODARgrammen. Grundschichtwindfeld und -mächtigkeit werden im Strömungsmodell als Funktion des synoptischen Antriebs, des Ausfließens von Kaltluft in Gefällerichtung und der Strömungsabbremsung durch Reibungseffekte berechnet. Der Gleichgewichtszustand dieser Größen bildet das Modellergebnis, das für jeden 10x10 km¬ Gitterpunkt von NRW aus einem Vertikalmittel der Grundschicht-Windkomponenten u und v sowie der Grundschichtmächtigkeit h besteht. Die Modellierung wurde für insgesamt 693 Inversionstage verteilt über die Winterhalbjahre Januar 1985 - Januar 1996 durchgeführt. Der Vergleich von modelliertem Windfeld (dd=Windrichtung, ff=Windgeschwindigkeit) und vektoriell gemittelten Windfelddaten an der Station Bonn-Venusberg (6:00 UTC) ergibt eine hohe Korrelation zwischen Meß- und Modellergebnissen (r¬dd = 0,9 und r¬ff = 0,83). Eine erwartungsgemäß deutlich reduzierte Genauigkeit zeigt das Modell im Vergleich mit Windfelddaten der Mittagssondierung Essen (12:00 Uhr) (r¬ff = 0,77, r¬dd = 0,84). Zur flächenhaften Berechnung lufthygienisch relevanter Nebeleigenschaften (Optische Dicke, Flüssigwasserweg) wird ein Algorithmus auf der Basis von Daten des Kanals 1, NOAA-AVHRR (0,56-0,68 öm), entwickelt. Das Verfahren umfaßt die folgenden Arbeitsschritte: (a) Die Kalibrierung der Bilddaten unter Berücksichtigung der Radiometerdegradierung, (b) Anisotropie- (ERB-Koeffizienten und 3D-Interpolation) und (c) Atmosphärenkorrektur (5S-Code) sowie (d) die Ableitung der oben angeführten Größen mit Hilfe eines einfachen Strahlungstransfermodells und der Parametrisierung eines Wolkenmodells. Sensitivitätsanalysen der Methode zeigen, daß gerade bei niedriger Sonnenhöhe der atmosphärischen Korrektur eine übergeordnete Bedeutung zukommt. Zur Validierung des entwickelten Algorithmus wird die berechnete optische Dicke über die resultierende Extinktion in die horizontale Sichtweite umgerechnet und mit Sichtweitemessungen entlang der Autobahn A4 (Köln-Aachen) verglichen. Mit einer Varianzerklärung von 82% (r¬, Sichtweite) zeigt sich eine hohe Genauigkeit des entwickelten Berechnungsverfahrens. Die Untersuchung von Ausreißern ergibt, daß errechneter und gemessener Wert besonders dann abweichen, wenn der Nebel vom Boden abgehoben ist und sich eine optisch dichte Hochnebeldecke ausbildet. Zur genaueren Berechnung von Sichtweite und LWC bei abgehobenem Nebel wäre nach den Ergebnissen der vorliegenden Studie die Kenntnis des vertikalen Extinktionsprofils der Nebelschicht notwendig. Die Untersuchung der Inversionsstruktur (Intensität und Mächtigkeit) bis 825 m über Grund basiert auf einem kombinierten Auswertungsverfahren von akustischer Sondierung (SODAR) und zeit-höhenkontinuierlichen Klimamessungen (vertikales Meßprofil). Die Methodik umfaßt die folgenden Arbeitsschritte: (a) Die Kalibrierung der SODAR-Rückstreuintensitäten zum Temperaturstrukturparameter (C¬T), (b) die Extraktion von Strukturhöhengrenzen (Inversionsunter- und -obergrenze) aus dem digitalen SODARgramm mit Hilfe der Bildmustererkennung und dem vertikalen Meßprofil sowie (c) die Berechnung der Inversionsstärke mit Hilfe des Temperaturstrukturparameters. Zur Validierung der entwickelten Auswertungsmethode wurden berechnete Temperaturstrukturparameter und daraus abgeleitete Temperaturdifferenzen mit gemessenen Werten aus dem Meßprofil verglichen. Mit Varianzerklärungen von 93% (dT) bzw. 83% (C¬t) erweist sich das entwickelte Verfahren als gutes Werkzeug zur zeit-höhenkontinuierlichen Ableitung der Inversionsstruktur.