Original paper

Toward effective emissions of ships in global models

Franke, Klaus; Eyring, Veronika; Sander, Rolf; Hendricks, Johannes; Lauer, Axel; Sausen, Robert

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 2 (2008), p. 117 - 129

published: Apr 28, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0277

BibTeX file

O

Open Access (paper can be downloaded for free)

Download paper for free

Abstract

The dispersion and chemical conversion of emissions in the near-field of a single ship are studied with two different modelling approaches to explore the differences between gradual dispersion and instantaneous dilution into a box with a size comparable to the large grid boxes of global scale models or satellite data. While both techniques use the same photochemical box model to solve the chemical equations, the dilution of the exhaust into the background air is different. One approach uses a Gaussian plume model and accounts for the expansion phase of a plume. The other one instantaneously disperses the emissions over a large gridbox, a technique commonly used by large scale models. In a first step we show that differences in the time evolution of ozone between the two model approaches are large for the case studied here, where emissions from a large container ship are released into the marine boundary layer with neutral stability. For emissions at noon, the differences in the ship induced ozone change at the reference time when both boxes are of equal size chosen to be 60 km are largest. The ozone change is then overestimated by the global-model approach by a factor of three. This results from the neglect of sub-grid scale OH loss due to NO2 oxidation in the global-model approach, which inhibits hydrocarbon oxidation and thus ozone production. Smallest differences are encountered for emissions released around sunset. One possibility to account for these sub-grid processes in global-models is the use of effective emissions, i.e. actual emissions are changed and emissions of additional compounds like ozone are introduced in a way that they take sub-grid processes into account. In a second step we present effective emissions for the particular case discussed above. It is shown for this case that the method is able to account for the neglect of sub-grid processes in global models for different emission times and emission strengths.

Kurzfassung

Die Ausbreitung und chemische Umwandlung von Emissionen im Nahfeld eines einzelnen Schiffes werden mit Hilfe zweier Modellansätze untersucht. Hierbei werden insbesondere die Unterschiede zwischen kontinuierlicher Ausbreitung der Abgasfahne und instantaner Verdünnung in eine Modellbox mit einer Größe vergleichbar der großer Gitterboxen globaler Modelle oder der Auflösung von Satellitendaten untersucht. Beide Ansätze verwenden das gleiche photochemische Boxmodell, unterscheiden sich aber in der Art, wie die Abgase in die Hintergrundluft eingemischt werden. Der eine Ansatz verwendet ein Gaußsches Abgasfahnenmodell und berücksichtigt so die Expansionsphase einer Abgasfahne. Der andere Ansatz verteilt die Emissionen instantan über eine große Modellbox, was die in großskaligen Modellen übliche Vorgehensweise ist. Als ersten Schritt zeigen wir, dass signifikante Unterschiede in der zeitlichen Entwicklung von Ozon zwischen den beiden Ansätzen in der hier betrachteten Situation bestehen, wobei die Emissionen eines großen Containerschiffes in eine neutral geschichtete maritime Grenzschicht betrachtet werden. Die Unterschiede in der schiffsinduzierten Ozonänderung zu dem Zeitpunkt, an dem beide Modellboxen die gleiche Größe von 60 km aufweisen, ist am stärksten für Emissionen um die Mittagszeit, wobei der Globalmodellansatz die schiffsinduzierte Ozonänderung um einen Faktor drei überschätzt. Dies ist auf die Vernachlässigung von subskaligem OH-Verlust durch NO2-Oxidation im grobskaligen Modell zurückzuführen, welcher die KohlenwasserstoffOxidation und somit auch die Ozonproduktion stark verringert. Die kleinsten Unterschiede treten für im Zeitraum des Sonnenuntergangs emittierte Abgase auf. Eine Möglichkeit, subskalige Ausbreitungsprozesse in globalen Modellen zu parametrisieren, ist die Verwendung effektiver Emissionswerte, d.h. die realen Emissionen werden geändert und Emissionen für weitere Verbindungen wie Ozon werden der Art eingeführt, dass subskalige Prozesse berücksichtigt werden. Als zweiten Schritt stellen wir effektive Emissionswerte für den oben diskutierten, speziellen Fall vor. Es wird zudem gezeigt, dass die Methode in der Lage ist, die Vernachlässigung der subskaligen Prozesse für verschiedene Emissionszeiten und -stärken auszugleichen.