Original paper

Influence of mixing layer height upon air pollution in urban and sub-urban areas

Schäfer, Klaus; Emeis, Stefan; Hoffmann, Herbert; Jahn, Carsten

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 6 (2006), p. 647 - 658

published: Dec 20, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0164

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Abstract

The mixing layer height is an important parameter characterising the potential of the atmospheric boundary layer to take up emitted air pollutants. During continuous measurements in Hanover, Germany, from 2001 until 2003 and around Munich, Germany, in summer and winter 2003 mixing layer heights (MLH) were determined by different remote sensing systems mainly from the thermal structure and turbulence of the air (SODAR), for some time from the aerosol layering of the air (ceilometer), and for a short period directly from the temperature profile (RASS). The temporal variations of the concentrations of PM10 and PM2.5 as well as of CO and NOx simultaneously measured near the surface were investigated and correlated with the MLH derived from SODAR data. The pollution measurements were performed inside a street canyon and at an urban background station close to Hanover and at three measurement locations inside and outside of Munich complementing the available monitoring networks. The analyses show that the correlations of pollutant concentrations with MLH are smallest inside street canyons. Correlations at the urban background stations are larger in winter than in summer, and they are larger for the urban stations than for the rural stations. It turns out further that the correlation of NOx concentrations with MLH is larger than the correlation of particles concentrations. Explanations for these findings must consider the varying emission source strengths for NOx and particles and the influence of gas-to-particle conversion within air masses especially during daytime in summer.

Kurzfassung

Die Mischungsschichthöhe ist ein wesentlicher Parameter, der die Aufnahmefähigkeit der atmosphärischen Grenzschicht für bodennah emittierte Luftschadstoffe charakterisiert. Bei kontinuierlichen Messungen in Hannover in den Jahren 2001 bis 2003 und im Raum München im Frühsommer und Winter 2003 wurden Mischungsschichthöhen (MLH) mit unterschiedlichen Fernmessverfahren detektiert, hauptsächlich mit SODAR aus der thermischen und dynamischen Struktur der Atmosphäre, zeitgleich mit einem Ceilometer aus dem Partikelgehalt und für eine kurze Zeitspanne mit einem RASS direkt aus dem Temperaturprofil. Die gemessenen NOx- und Partikelkonzentrationen wurden analysiert und mit der aus den SODAR-Daten bestimmten MLH korreliert. Die Schadstoffmessungen fanden in einer Straßenschlucht und einer nahe gelegenen städtischen Hintergrundstation in Hannover sowie an drei Messpositionen innerhalb und außerhalb von München statt, womit die bestehenden Messnetze ergänzt wurden. Die Analysen zeigen, dass die Korrelationen der Schadstoffkonzentrationen mit der MLH innerhalb der Straßenschlucht am geringsten sind. Generell sind die Korrelationen im Winter höher als im Sommer, in den Städten höher als im Umland, und für NOx höher als für Partikelkonzentrationen. Erklärungen hierfür müssen die verschiedenen Emissionsquellstärken der Schadstoffe und den Einfluss der Gas-zu-Partikel-Umwandlungsprozesse innerhalb einer Luftmasse ins-besondere tagsüber im Sommer berücksichtigen.