Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der numerischen Ausbreitungssimulation von Luftschadstoffen im urbanen Raum. Als Strömungshindernisse prägen Gebäude maßgeblich das kleinskalige Windfeld und damit den horizontalen Transport und die Verteilung von urbanen Luftschadstoffen. Die häufig im Rahmen von Großwirbelsimulationen (engl.: Large Eddy Simulation, LES) zur expliziten Darstellung von Gebäuden verwendeten hohen räumlichen Auflösungen in Bereich von wenigen Metern erforden einen hohen Rechenaufwand und beschränken daher die Anwendung meist auf wenige Gebäudeblöcke.
Mittels eines neuen Diskretisierungsansatzes können Gebäude auch bei deutlich geringeren Auflösungen in Bereich der sogenannten urbanen Grauzone (horizontale Gitterweite > 10m) mittels diffuser Gebäudekanten explizit dargestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das urbane Dispersionsmodells CAIRDIO (v1.0) mit diesem neuen Diskretisierungsansatz entwickelt. Das Modell wurde zunächst mit einem Windkanalexperiment, welches die turbulente Ausbreitung eines Test-Tracers in einer Modellstadt beinhaltet, validiert. Dabei konnte bis zu einer horizontalen Auflösung von 40m noch eine hinreichend gute Übereinstimmung des Modells mit Konzentrationsmessungen erzielt werden, es wurde jedoch nur ein Bruchteil der Rechenzeit einer Referenzsimulation mit 5m Gitterweite benötigt. Der Ansatz mit diffusen Gebäuden erlaubt daher den Anwendungsbereich mikroskaliger Simulationen im Vergleich zu klassischen LES Simulationen erheblich zu erweitern, z.B. auf die Simulation ganzer Städte.
In einer ersten realistischen Fallstudie wurde das Modell CAIRDIO auf die Stadt Leipzig in Mitteldeutschland angewandt. Dabei wurde die Ausbreitung von realistischen Feinstaub und Ruß-Emissionen bei einer horizontalen Auflösung von 40m für das gesamte Stadtgebiet über einen Zeitraum von 2 Tagen (Anfang März 2020) berechnet und mit Messungen validiert. Es konnten die Auswirkungen der variablen Grenzschichtdynamik auf den urbanen Luftschadstofftransport mit dem Modell qualitativ korrekt wiedergegeben werden. Nur für verkehrsnahe Standorte führte eine höhere räumliche Auflösung von bis zu 5m noch zu einer besseren Übereinstimmung mit den Messungen. Insgesamt stellten jedoch bereits bei 40m Auflösung die Unsicherheiten in den Emissionen und den Randbedingungen den größten Anteil am Modellfehler dar.
In einer zweiten Fallstudie wurde eine weiter entwickelte Version des Modells CAIRDIO auf die Stadt Dresden im Elbtal angewandt. Der Fokus dieser Studie lag diesmal auf der den urbanen Raum umgebenden Orographie, welche erhebliche Auswirkungen auf die lokale Luftqualität bei Inversionswetterlagen haben kann. Dazu wurde das Dresdner Becken mittels geländefolgender Koordinaten zusammen mit den nach wie vor diffus repräsentierten Stadtgebäuden auf der Skala der urbanen Grauzone im Modell dargestellt. Neben der Dispersion von Ruß-Emissionen wurde auch die Ruß-Alterskonzentration, welche sich besonders gut zur Identifikation von orographisch bedingten Akkumulation von Luftschadstoffen eignet, über einen Zeitraum von insgesamt 24 Tagen modelliert. Die räumliche Verteilung der Alterskonzentrations-Hotspots wurde bei stabilen Wetterlagen neben den Gebäudeeffekten maßgeblich durch die Orographie beeinflusst, während bei neutraler Schichtung orographische Effekte nur gering ausgeprägt waren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:92575 |
| Date | 11 July 2024 |
| Creators | Weger, Michael |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
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| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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