Original paper

Direct measurement of CO2 and particle emissions from an urban area

Dahlkötter, Florian; Griessbaum, Frank; Schmidt, Andres; Klemm, Otto

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 6 (2010), p. 565 - 575

published: Dec 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0492

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Abstract

From July 9th through September 24th, 2009, turbulent particle number fluxes and CO2 fluxes were measured above the city area of Münster, north-west Germany. The goal was to characterize the respective vertical fluxes in the urban boundary area. The measurements were conducted at a height of 65 m a.g.l. on a military radio tower at 10 Hz temporal resolution. Fluxes were calculated applying the eddy covariance method. To determine the impact of traffic emissions on particle number fluxes and CO2 fluxes, hourly traffic activities for 45° sectors, related to the tower, were calculated. Averaged diurnal and sectoral fluxes are consistently directed upward, implying that the urban area of Münster acts continuously as particle (number) and CO2 source. Traffic activities vary in the course of the day and within the 45° sectors. The latter is attributable to differences in land use between the sectors. In the course of the day, two peaks are discernible, during the morning and the evening rush hours, respectively. Averaged diurnal particle (number) fluxes are correlated significantly to traffic activity. Accordingly, traffic related emissions are the main sources for urban particle (number) fluxes. Averaged sectoral CO2 fluxes also correlate fairly well with sectoral traffic activities. In addition, daytime photosynthesis is a controlling variable for the CO2 flux, leading to lower upward fluxes in daytime. The contribution of the photosynthetic activity of the vegetation in the urban area to the CO2 flux is quantified. Further, the contribution of traffic related emissions to the CO2 flux is computed by applying emission factors for carbon dioxide to the traffic activity. They contribute in daytime about 40 to 50 % to the CO2 flux, whereby, nightly contributions are minimal.

Kurzfassung

Vom 9. Juli bis zum 24. September 2009 wurden in Münster, Nordwestdeutschland, turbulente vertikale Partikel-Flüsse und CO2-Flüsse gemessen. Die Messung wurde in einer Höhe von 65 m über Grund auf einem Funkturm der Bundeswehr mit zeitlicher Auflösung von 10 Hz durchgeführt. Die Berechnung der Flüsse erfolgte unter Anwendung der Eddy-Kovarianz-Methode. Um den Einfluss verkehrsbedingter Emissionen auf die Partikel-Anzahl-Flüsse und die CO2-Flüsse zu bestimmen, wurden stündliche Verkehrsbelastungen für 45° Sektoren, vom Messturm ausgehend, berechnet. Die gemittelten Flüsse sind im Tagesverlauf und innerhalb der Sektoren durchgängig aufwärts gerichtet. Das bedeutet, dass das Stadtgebiet Münsters durchgehend als Partikel-Anzahl- und CO2-Quelle fungiert. Die Verkehrsbelastungen variieren im Tagesverlauf und innerhalb der 45° Sektoren. Zweiteres ist Unterschieden in der Landnutzung zwischen den Sektoren zuzuordnen. Im Tagesverlauf sind zwei Maxima, wä hrend der morgendlichen und der abendlichen Hauptverkehrszeit, erkennbar. Die für den Tag gemittelten Partikel-Flüsse korrelieren signifikant mit der Verkehrsbelastung. Dementsprechend sind verkehrsbedingte Emissionen die Hauptquelle für den stäadtischen Partikel-Anzahl-Fluss. Die sektorspezifisch gemittelten CO2-Flüsse korrelieren ebenfalls sehr gut mit der jeweiligen Verkehrsbelastung. Neben dem Einfluss der Emissionen verschiedener urbaner Quellen ist auch die photosynthetische Aktivität eine entscheidende Einflussvariable für die Tagesverläufe des CO2-Flusses. Der Anteil der photosynthetisch aktiven Vegetation im Stadtgebiet auf den CO2-Fluss wurde quantifiziert. Um den Anteil der Emissionen des Straßenverkehrs auf den CO2-Fluss zu berechnen, wurden Emissionsfaktoren für CO2 auf die Verkehrsbelastung angewendet. Der Anteil des Straßenverkehrs auf den CO2-Fluss liegt tagsüber bei 40 bis 50 %, wohingegen der Anteil nachts minimal ist.