Original paper

Effect of meteorological exchange conditions on PM10 concentration

Holst, Jutta; Mayer, Helmut; Holst, Thomas

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 3 (2008), p. 273 - 282

published: Jun 23, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0283

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Abstract

The short-term limit value for PM10 having become effective in January 2005 was exceeded in many regions within the EU in 2005 and 2006. Therefore, strategies, particularly with respect to traffic control, are discussed, which could cause reduced PM10 concentrations leading to a more effective compliance with the short-term PM10 limit value. These strategies are often justified on PM10 differences between a roadside and an adjacent urban background station. As PM10 is a complex mixture of species originating from different sources, the working hypothesis has been posted that the meteorological exchange conditions strongly affect the PM10 concentration. Therefore, the role of the meteorological exchange conditions with respect to different PM10 patterns, like cycles and PM10 episodes, was investigated on the basis of mean daily PM10 values from air pollution monitoring stations in Baden-Württemberg (SW Germany) in the period January 2001 to February 2006. To characterise the meteorological exchange conditions in a spatial resolution, different meteorological variables were used. Partly, they are directly measured at the air pollution monitoring stations or, as for the height of the mixing-layer (MLH) and the stagnation index (SI), they were derived from results of the local model (LM) of the German Weather Service. For periods without precipitation, the results show a statistically significant relationship between PM10 and MLH as well as SI. PM10 increased with decreasing MLH and increasing SI. During periods with precipitation, these relationships were very weak and had no statistical significance. The analysis of the influence of precipitation performed on a daily basis revealed a distinct reduction of PM10 on the first day with precipitation after a period without precipitation. On following days without precipitation, PM10 increased again. Characteristic of the PM10 episodes analysed were remarkably reduced meteorological exchange conditions described by MLH, near-surface wind speed and precipitation. As a case study, two extreme PM10 episodes in January/February 2006 were investigated in detail. As expected, the station-specific variability of the mean daily PM10 values correlated well with daily values of MLH and SI reflecting the pattern of the regional meteorological exchange conditions. Altogether, all results of this investigation point out the main significance of the meteorological exchange conditions on the PM10 level, which is particularly dominant during PM10 episodes.

Kurzfassung

Der seit dem 1. Januar 2005 gültige Kurzzeit-Grenzwert von PM10 wurde in den Jahren 2005 und 2006 in vielen Regionen innerhalb der EU überschritten. Deshalb werden Maßnahmen, vor allem im Verkehrsbereich, diskutiert, die zu einer Reduzierung der PM10 Konzentration führen könnten, so dass sich der Kurzzeit-Grenzwert von PM10 besser einhalten lässt. Sie beruhen häufig auf PM10 Unterschieden zwischen einer Straßenstation und einer nahen städtischen Hintergrundstation. Da PM10 eine summarische Größe darstellt, die aus verschiedenen natürlichen und anthropogenen Quellen stammt und daher verschiedene Bestandteile aufweist, wurde die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die meteorologischen Austauschbedingungen einen dominanten Einfluss auf die PM10 Konzentration haben. Zur Prüfung dieser Hypothese wurde anhand von PM10 Tagesmittelwerten für Luftmessstationen in Baden-Württemberg (SW Deutschland) im Zeitraum Januar 2001 bis Februar 2006 untersucht, welche Rolle die meteorologischen Austauschbedingungen hinsichtlich verschiedener PM10 Muster, wie Zyklen und PM10 Episoden, einnehmen. Zur Charakterisierung der räumlich differenzierten meteorologischen Austauschbedingungen wurden unterschiedliche meteorologische Variable verwendet. Sie werden teilweise direkt an den Luftmessstationen gemessen oder wurden, wie die Höhe der Mischungsschicht (MLH) und der Stagnationsindex (SI), aus Ergebnissen des Lokalmodells (LM) des Deutschen Wetterdienstes abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen für niederschlagsfreie Perioden statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen PM10 sowie MLH und SI. Mit abnehmendem MLH, was eine Zunahme von SI zur Folge hat, steigt PM10 an. Dieser statistische Zusammenhang ist in Niederschlagsperioden nicht mehr gegeben. Die spezielle Analyse des Einflusses von Niederschlag auf Tagesbasis ergab eine deutliche PM10 Reduzierung für den Tag mit Niederschlag nach einem niederschlagsfreien Zeitraum. An darauf folgenden Tagen ohne Niederschlag nahm der PM10 Tagesmittelwert wieder zu. Die im Untersuchungszeitraum analysierten PM10 Episoden zeichneten sich durch erheblich eingeschränkte meteorologische Austauschbedingungen aus. Sie wurden über MLH, die bodennahe Windgeschwindigkeit und den Niederschlag beschrieben. Als Fallstudie wurden die extremen PM10 Episoden im Januar/Februar 2006 näher analysiert. Die erwartete stationsspezifische Variabilität der PM10 Tagesmittelwerte sowie der Tageswerte von MLH und SI ließ sich bestätigen. Sie wurde jedoch vom Muster der großräumigen meteorologischen Austauschbedingungen überlagert. Insgesamt weist diese Untersuchung auf eine zentrale Bedeutung der großräumigen meteorologischen Austauschbedingungen für PM10 hin, die insbesondere während PM10 Episoden dominant ist.