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Schadstoffausbreitung in der Atmosphaere: Ausbreitungsmodelle und ihre experimentelle Verifikation

Numerische Modelle zur Simulation von Ausbreitungsvorgaengen und Zustandsaenderungen in der Atmosphaere sind wesentliche Hilfsmittel fuer Immissionsprognosen, Stoerfallanalysen, fuer die Interpretation der Messergebnisse von Luftgueteueberwachungssystemen, die Beurteilung der Nutzungsmoeglichkeiten der Wind- und Sonnenenergie sowie fuer das Verstaednis des regionalen Klimas und seiner Veraenderungen. Diese Modelle beduerfen wegen der Komplexitaet der atmosphaerischen Vorgaenge einer umfassenden experimentellen Verifikation. Die von GKSS entwickelten Fernmessmethoden schaffen hierfuer ideale Voraussetzungen.

Verlässliche Prognose von anthropogenem, impulsartigem Unterwasserschall über weite Entfernungen

Aufbauend auf Vorarbeiten des Autors und der Gastinstitution sollen Modelle zur Vorhersage von Offshore Rammschall beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen und anderen impulshaltigen Unterwasserschallsignalen in beliebigen Umgebungen ermöglicht werden. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines Ausbreitungsmodells für komplexe Umgebungen, welches die gleichzeitige Berücksichtigung von starken Bathymetrieänderungen (sowohl in zwei wie auch in drei Dimensionen) und Böden mit hohen Scheer Geschwindigkeiten ermöglicht. Hauptanwendungsgebiet soll zunächst die Akustik von Offshore Pfahlrammungen sein, bei der vor allem die Entwicklung von geeigneten Modellen zur Verwendung von Schallschutzsystemen im Vordergrund steht. Aufgrund der in weiten Teilen nur sehr ungefähr bekannten Eingangsparameter für die entsprechenden Modelle, vor allem in Bezug auf die Bodenparameter, soll außerdem die Abschätzung der Vorhersagegenauigkeit unter Berücksichtigung weiterer Parameter vertieft werden. Für alle Teilpakete existieren bereits Messdaten, die für eine entsprechende Validierung genutzt werden sollen.

Immissionsbelastung 2016

Im Auftrag der LUBW wurden mittels Ausbreitungsrechnungen mit einem chemischen Transportmodell und unter Verwendung des landesweiten Emissionskatasters 2016 der LUBW sowie unter Berücksichtigung von gemessenen Immissionsdaten die durchschnittlichen Belastungen für die Luftschadstoffe Stickstoffdioxid (NO2), Feinstaubpartikel PM10, Ozon (O3) und Ammoniak (NH3), die sogenannte Immissionsbelastung, für das gesamte Gebiet von Baden-Württemberg ermittelt. Das Bezugsjahr für die dargestellte Immissionsbelastung ist 2016. Dieses Jahr wurde ausgewählt, da es sowohl bezüglich der Emissions- und Immissionssituation für die Luftschadstoffe Stickstoffdioxid (NO2), Feinstaubpartikel PM10, Ozon und Ammoniak (NH3), als auch für die meteorologische Situation als repräsentativ anzusehen ist. Weitere Informationen im Internet, siehe https://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/luft/immissionsbelastung

Fliesszeitbestimmung im Rhein

Die anlaesslich der Rheinvergiftung durch den Brand von Schweizerhalle (Agrochemikalien) gemachten Prognoserechnungen, wann und in welcher Konzentration die Schadstoffwerte an einer bestimmten Stelle auftreten, waren sehr ungenau. Deshalb dient dieses Projekt der Ermittlung von Fliessparametern (Fliesszeiten und Dispersionskoeffizienten) mit Hilfe von Traceruntersuchungen im Hochrhein. Ziel ist die Gewinnung von Input-Daten fuer numerische Computermodelle (Alarm- und Stofftransportmodell) zur Simulierung eines Schadenereignisses mit ungefaehrlichen Markierstoffen direkt in der Natur. Diese Arbeiten sind Teil eines internationalen Projektes der 'Internationalen Kommission zum Schutze des Rheins gegen Verunreinigungen' (IKSR).

Emissionen 1989 – 2015

Für die detaillierte und regelmäßig aktualisierte Darstellung der langjährigen Entwicklung der Luftbelastung in Berlin werden in zahlreichen Einzelkarten sowohl die Erhebungen der Emissionskataster seit 1989 (1×1 km Raster) ausgewertet, als auch für ausgewählte Stoffe sämtliche seit Messbeginn 1975 verfügbaren Messwerte des Berliner Luftgüte-Messnetzes BLUME (Jahresmittelwerte, bzw. Grenz- oder Zielwertüberschreitungen) dargestellt. Die Daten fließen in die Luftreinhalteplanung des Landes Berlin ein, die mit ihrer dritten Fortschreibung des Luftreinhalteplans für Berlin dazu beigetragen hat, dass alle derzeit gültigen Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit eingehalten werden. Die Emissionen von Luftschadstoffen werden in Berlin in regelmäßigen Abständen ermittelt und als Basis für Ausbreitungsrechnungen und Verursacheranalysen zur Luftreinhalteplanung genutzt. Die Quellen der Luftschadstoffemissionen werden häufig in folgenden Quellgruppen zusammengefasst: Kfz-Verkehr, sonstiger Verkehr (Bahn-, Schiffs- und Flugverkehr), Industrie und Kraftwerke (genehmigungsbedürftige Anlagen), Gebäudeheizung und Kleingewerbe, Baustellen/Bautätigkeit, sonstige Quellen. Ein vollständiges Emissionskataster für diese Quellen umfasst nicht nur Feinstaub und Stickstoffoxide, sondern zahlreiche weitere Stoffgruppen wie Treibhausgase, Ozonvorläufersubstanzen, versauernde und eutrophierende Stoffe, persistente organische Verbindungen und Schwermetalle. Für die Emissionsberechnung wird in Berlin der so genannte Bottom-up-Ansatz verfolgt: Es werden die Emissionen einzelner Quellen oder Prozesse (z.B. Industrieanlagen, Fabriken, Verkehr, Landwirtschaft) ermittelt, indem die emissionsverursachenden Tätigkeiten mit entsprechenden Emissionsfaktoren multipliziert und zu einer Gesamtemissionsmenge addiert werden. Dies hat den Vorteil einer genaueren Ermittlung der Emissionen von einzelnen Quellen sowie eines vertieften Einblicks in die Emissionen verschiedener Sektoren. Der Nachteil besteht jedoch in einem erhöhten Aufwand, alle benötigten Daten zusammenzutragen, und einer erheblichen Komplexität der Datenverarbeitung. Im Gegensatz zum Bottom-up-Ansatz wird beim so genannten Top-Down-Ansatz die Gesamtemissionsmenge, beispielsweise die nationale Emissionsmenge, auf einzelne Quellen und Gebiete aufgeteilt, oft unter Verwendung von Schätzungen und Verteilparameter. Bei der Berechnung der Emissionen über den Bottom-up-Ansatz kommt es immer wieder zu methodischen Änderungen, da sich die Kenntnis der emissionsverursachenden Prozesse und Tätigkeiten ständig verbessert. Auch werden die Emissionsfaktoren häufig an die neuesten Erkenntnisse angepasst. Mit der Erstellung der Emissionskataster Industrie, Hausbrand und Verkehr 2015 wurde die bis dahin gesonderte Darstellung der einzelnen Verursachergruppen auf eine gemeinsame Kartenpräsentation im Geoportal unter dem Titel „Emissionen 2015“ umgestellt (vgl. Kartenansicht). Zur Einhaltung der Luftschadstoffgrenzwerte müssen Maßnahmen ergriffen werden, die zur dauerhaften Verminderung von Luftverunreinigungen geeignet sind. Die Maßnahmen sind entsprechend des Verursacheranteils unter Beachtung des Grundsatzes der Verhältnismäßigkeit gegen alle Emittenten zu richten, die zum Überschreiten der Immissionsgrenzwerte beitragen. Hierfür ist eine detaillierte Kenntnis aller Berliner Emissionen erforderlich. § 46 BImSchG sieht deshalb das Führen eines Emissionskatasters vor. Auf der Grundlage dieser Kataster können mit Hilfe von Ausbreitungsrechnungen die Anteile bestimmt werden, die die einzelnen Quellgruppen an der gemessenen Luftverunreinigung verursachen. Die Emissionen der relevanten Luftschadstoffe Stickoxide (NO x ) und Partikel (PM 10 , PM 2,5 ) werden für die folgenden Verursachergruppen in einem Erhebungszeitraum von 1989-2015 dargestellt: Genehmigungsbedürftige Anlagen ( Industrie ), Nicht genehmigungsbedürftige Feuerungsanlagen ( Hausbrand, Kleingewerbe ), Kfz-*Verkehr* Die vorliegenden Karten veranschaulichen auf der Basis der für alle Verursachergruppen vergleichbar zur Verfügung stehenden Emissionsdaten für die beiden Luftparameter Stickoxide (NO x ) und Partikel (PM 10 , PM 2,5 ) die Entwicklung seit 1989. Um den aktuellen Entwicklungen gerecht zu werden, wurden seit den Emissions-Erhebungsjahren 2008/2009 folgende Änderungen berücksichtigt: zum einen werden Schwefeldioxid (SO 2 ) -Emissionen nicht mehr dargestellt, da SO 2 seit Jahren auf niedrigem Niveau stagniert und seine lufthygienische Bedeutung verloren hat, zum anderen wird mit PM 10 sowie PM 2,5 hinsichtlich der Emissionen eine neue Beobachtungsreihe im Umweltatlas begonnen. Hierfür sprechen die große Gesundheitsrelevanz und die Überschreitung von Luftqualitätsgrenzwerten. Die Daten des Emissionskatasters 2015 sind darüber hinaus Grundlage für die Zweite Fortschreibung des Luftreinhalteplans , der die zusätzlichen Maßnahmen beschreibt, um die Luftqualität weiter zu verbessern.

Immissionsbelastung Prognose 2025

Im Auftrag der LUBW wurden mittels Ausbreitungsrechnungen mit einem chemischen Transportmodell und unter Verwendung des landesweiten Emissionskatasters 2016 der LUBW sowie unter Berücksichtigung von gemessenen Immissionsdaten die durchschnittlichen Belastungen für die Luftschadstoffe Stickstoffdioxid (NO2), Feinstaubpartikel PM10, Ozon (O3) und Ammoniak (NH3), die sogenannte Immissionsbelastung, für das gesamte Gebiet von Baden-Württemberg ermittelt. Die Immissionsbelastung wurde flächendeckend als Prognose für das Jahr 2025 bestimmt. Weitere Informationen im Internet, siehe https://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/luft/immissionsbelastung

Modellierung der Ausbreitung von Mikroorganismen aus Abfallbehandlungsanlagen

Abfallbehandlungsanlagen sind Emitenten von Schadstoffen, Geruchsstoffen aber auch von Mikroorganismen, die entweder schaedlich oder doch zumindest laestig sind. In der aktuellen Diskussion um die Unbedenklichkeit von Kompost- oder Muelltrennungsanlagen spielt die Frage eine Rolle, inwieweit Anwohner durch eine Mikroorganismenausbreitung von entsprechenden Anlagen betroffen sind. Bei der Erstellung von Gutachten zu dieser Frage zeigte sich, dass neben einer Verbesserung der Messmethodik auch die Prognose der Mikroorganismenimmission noch optimiert werden kann. Aus diesem Grund wurden erste Modellanpassungen vorgenommen. Zeitgleich wurde eine ausfuehrliche Literaturrecherche als Diplomarbeit durchgefuehrt, mit der gezeigt werden konnte, dass der gesamte Bereich der Mikroorganismenemission weiter erforscht werden muss. Ein Vergleich verschiedener Modellvarianten ist vorgesehen und soll im Rahmen eines Verbundprojekts (mit Herrn Prof. Kaempfer - Uni Giessen, Herrn Dr. Martins - GEO Consult) beim Umweltbundesamt beantragt werden.

Bewertung der Immissionsbelastung durch Geruchsstoffe

Begehungen im Umfeld von Tierhaltungen sollen in Anlehnung an Zeitreihenanalysen und in Verbindung mit Ausbreitungsrechnungen einer Erfassung der Wahrnehmungshaeufigkeit von Geruchsstoffen und einer Bewertung zugefuehrt werden

Experimentelle Erfassung der Vorgaenge in der atmosphaerischen Grenzschicht ueber Land

Die Struktur des unteren Teils der Atmosphaere, der Grenzschicht (unser Hauptlebensraum) wird durch wetterbedingte Aenderungen, Untergrundeigenschaften, einen ausgepraegten Tagesgang und durch zusaetzliche menschliche Taetigkeit hervorgerufene Einfluesse bestimmt. Die Veraenderung der Schichtung, des Turbulenzzustands und der vertikalen turbulenten Transporte, Waerme und Bewegungsgroesse sowie ihre gegenseitige Abhaengigkeit werden - neben speziellen Erscheinungen (z.B. interne Schwerewellen) mit der meteorologischen Messanlage an dem 300 m hohen Sendemast des NDR in Hamburg-Billwerder mit Schallradargeraeten und mit einem Barovariographennetz untersucht. Dabei werden auch wichtige Parameter fuer Simulationsmodelle zur Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphaere - insbesondere im Stadtgebiet - gewonnen.

Reaktionsvermögen von Wachstumsmodellen auf Fruchtfolgewirkungen, insbesondere auf die vorfruchtabhängige Variation des Stickstoffangebotes

Zur Simulation von Fruchtfolgen - im einfachsten Fall ein Fruchtfolgeglied aus zwei aufeinanderfolgenden Nutzpflanzenbeständen - müssen mechanistische Wachstumsmodelle mit Modellen der vorfruchtabhängigen Stickstoffnachlieferung gekoppelt werden. Bisher wurden wenige derartige Modelle entwickelt und oft unzureichend validiert. Es ist jedoch aus pflanzenbaulichen und ökologischen Gründen notwendig, die fruchtfolgespezifischen N-Flüsse quantifizieren zu können. Während eines 6-monatigen Aufenthaltes am Department for Theoretical Production Ecology in Wageningen (NL) soll ein vom Antragsteller in Hohenheim entwickeltes Modell der N-Transformationsprozesse im Boden mit dort vorhandenen Wachstumsmodellen für Körnerfruchtbestände je einer Vor- und Nachfrucht verknüpft werden. Zur Kalibration und Validierung der resultierenden Modelle stehen mehrjährige Datensätze aus Feldversuchen in Hohenheim für unterschiedliche Fruchtfolgefelder zur Verfügung. Anschließend soll ein Vergleich zwischen diesen und einem in Wageningen entwickelten, weniger detaillierten Fruchtfolgemodell erfolgen. Das Wageninger Institut ist wegen der dort verfolgten originellen Wachstumsmodellierung unter Einbezug produktionstechnischer Maßnahmen für die gewählte Zielsetzung besonders geeignet.

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