Original paper

Atmospheric influences and local variability of air pollution close to a motorway in an Alpine valley during winter

Schäfer, Klaus; Vergeiner, Johannes; Emeis, Stefan; Wittig, Julia; Hoffmann, Maria; Obleitner, Friedrich; Suppan, Peter

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 3 (2008), p. 297 - 309

published: Jun 23, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0294

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Abstract

Air quality is mainly determined by traffic, industrial and urban emissions as well as by specific meteorological and topographic conditions. Focussing on nitrogen oxides and particulate matter, the temporal and spatial differences in air pollution in a deep Alpine valley with a major motorway were studied by a measurement campaign between November 2005 and February 2006 near Schwaz, Austria. The variation of air pollutant concentrations near the motorway was determined on the basis of path-averaged (DOAS) and in situ measurements. The layering of the valley atmosphere and the mixing-layer height were observed continuously by SODAR and ceilometer measurements. The winter-time weather conditions were characterized by exceptionally low temperature and high amount of snow in the valley. This resulted in the development of very stable cold pools with low wind speeds and an accordingly high air pollution burden. During several periods the air pollutants accumulated from day to day and frequent exceedances of NO2 and PM10 thresholds were detected. Furthermore it could be concluded that the emission situation was not unusually high during these periods, at least concerning road traffic as the dominant source for nitrogen oxides. Analysis confirmed that the typical weather phenomena associated with stable high-pressure regimes were the main factor for the observed pollution burden. During foehn and cold front passages, which interrupted these high pressure periods, concentration levels generally decreased at the valley ground and increased at the slope. Analysis revealed that this is a consequence of vertical mixing due to the influence of mountain specific wind systems, like thermally driven and quasi-periodic valley or slope winds. NO2 concentration levels are a matter of concern regarding annual mean values as well as - previously not recorded - exceedances of the half-hourly threshold in severe winter conditions. Compared to previous investigations an increased NO2/NOx ratio was observed during the measurement campaign which is related to enhanced NO2 emissions from road traffic in consequence to fleet composition and emission changes.

Kurzfassung

Die Luftqualität wird hauptsächlich von den Verkehrs-, Industrie- und Hausbrandemissionen sowie der meteorologischen Situation und den topografischen Gegebenheiten beeinflusst. Zum Studium der zeitlichen und räumlichen Variation der Luftbelastung in einem tiefen Alpental mit einer Transit-Autobahn wurde von November 2005 bis Januar 2006 eine Messkampagne im Inntal bei Schwaz mit dem Schwerpunkt auf NO2- und Partikel-Konzentrationen durchgeführt. Die Variationen der Luftschadstoffkonzentrationen nahe der Autobahn wurden auf der Basis von Längengemittelten DOAS- und in situ Messungen bestimmt. Die Schichtung der Tal-Atmosphäre und die Mischungsschichthöhe wurden mit SODAR und Ceilometer gemessen. Die winterlichen Wetterbedingungen waren charakterisiert durch extrem tiefe Temperaturen und große Schneemengen. Daraus resultierte die Entwicklung von stabilen Kaltluft-Reservoiren mit niedrigen Windgeschwindigkeiten und entsprechend hoher Luftbelastung. Während einiger Zeiträume akkumulierten die Luftschadstoffe von Tag zu Tag, und es wurden häufige Überschreitungen der Grenzwerte für NO2 und PM10 registriert. Die Datenanalyse erbrachte keine ungewöhnlich hohe Emissionssituation während dieser Zeit. Es zeigte sich weiterhin, dass die typischen Wetterbedingungen mit einem stabilen Hochdruck-System die Hauptursache für die beobachtete Luftbelastung waren. Während Föhn und Kaltfront-Durchgängen, die die Hochdruck-Perioden unterbrachen, wurden verringerte Konzentrationsniveaus am Talboden und erhöhte Konzentrationen an den Hängen gemessen. Die Analysen zeigten, dass diese Verhältnisse das Ergebnis der guten vertikalen Durchmischung im Ergebnis der Berg-Tal-Windsysteme, wie den thermisch angetriebenen und quasi-periodischen Hangwinden, waren. Die hohen NO2-Konzentrationsniveaus sowohl im jährlichen Mittelwert als auch in den - bisher nicht beobachteten - häufigen halb-stündlichen Grenzwertüberschreitungen während Winterbedingungen sind das wesentliche Ergebnis dieser Untersuchungen. Im Vergleich zu früheren Messergebnissen wurde ein generell größeres NO2- zu NOx-Konzentrationsverhältnis gemessen, welches durch die in den vergangenen Jahren gestiegenen NO2-Emissionen des Straßenverkehrs als Folge der Veränderungen in der Flottenzusammensetzung und der Emissionscharakteristiken verursacht wurde.