Original paper

The effect of temporal resolution of PAH emission data on transport and deposition patterns simulated with the Community Multiscale Air Quality modelling system (CMAQ)

Bewersdorff, Ines; Aulinger, Armin; Matthias, Volker; Quante, Markus

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 1 (2009), p. 41 - 53

published: Mar 6, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/351

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Abstract

The effect of different temporal resolutions of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emission data on transport and deposition patterns was analysed in a sensitivity study. Simulations were performed with the Community Multiscale Air Quality modelling system (CMAQ) for Europe for the year 2000 on a 54 × 54 km2 grid. The carcinogenic benzo(a)pyrene (B(a)P) was used as a representative for the group of PAHs. The official emission data are only available as one-year bulk emissions. The major emission sources of B(a)P vary in fact within seasonal, weekly and diurnal cycles. Therefore different approaches for the temporal disaggregation of the bulk emissions were developed and their effects were tested. The inclusion of a seasonal variability leads to an increase in the modelled annually averaged near-ground concentrations and annually accumulated depositions. Additional effects of the emissions with the most detailed time-resolution, i.e. considering weekly and diurnal cycles, are only visible on a regional scale and particularly in summer. A non-linear relation between the emissions and the concentrations is most evident in connection with the seasonal cycle in January and with the weekly and diurnal cycle in July. The effects of the diurnal variation of the emissions comply with a more efficient vertical transport during daytime. A comparison of the modelled concentrations obtained with seasonally resolved emissions with measurements at two different sites in Germany shows correlation coefficients of 0.62 and 0.74 for the four selected months. The magnitude of the summer-winter differences in the observed concentrations can be best reproduced by the model with the seasonal variations in the emission data.

Kurzfassung

Der Effekt von zeitlich unterschiedlich aufgelösten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff (PAK)-Emissionen auf den Transport und die Depositionsmuster wurde in einer Sensitivitätsstudie untersucht. Die Simulationen wurden mit Hilfe des Community Multiscale Air Quality modelling system (CMAQ) für das Jahr 2000 auf einem 54 × 54 km2 Gitter durchgeführt. Das krebserregende Benzo(a)pyren (B(a)P) wurde stellvertretend für die Gruppe der PAKs betrachtet. Offizielle Emissionsdaten sind nur als Jahresgesamtemissionen verfügbar. Die B(a)P Hauptemissionsquellen unterliegen in Wirklichkeit saisonalen, wöchentlichen und täglichen Schwankungen. Aus diesem Grund wurden verschiedene Ansätze zur zeitlichen Auflösung der Jahresgesamtemissionen entwickelt und deren Auswirkungen untersucht. Die Aufnahme einer saisonalen Variabilität führt zu einem Anstieg der modellierten bodennahen Jahresdurchschnittskonzentrationen und der Jahresdepositionssummen. Zusätzliche Effekte der Emissionen mit der detailliertesten Zeitauflösung, d. h. unter Berücksichtigung von Wochen- und Tagesgängen, sind nur im regionalen Maßstab sichtbar und insbesondere im Sommer. Nichtlineare Zusammenhänge zwischen Emissionen und Konzentrationen sind im Zusammenhang mit dem Jahresgang am offensichtlichsten im Januar und mit dem Wochen- und Tagesgang im Juli ausgeprägt. Die Effekte der täglichen Variationen der Emissionen gehen mit einem effizienteren Vertikaltransport tagsüber einher. Ein Vergleich der modellierten Konzentrationen, die mit saisonal aufgelösten Emissionen erzeugt wurden, mit Messungen an zwei Standorten in Deutschland zeigt in den vier ausgewählten Monaten Korrelationen von 0,62 und 0,74. Die Größenordnung der beobachteten Sommer-Winter Konzentrationsunterschiede kann am besten mit den saisonalen Änderungen in den Emissionsdaten mit dem Modell reproduziert werden.