Bäumer, D.

Fiedler, F.

Vogel, B.

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Der Kraftfahrzeugverkehr stelltnach wie vor eine wesentlicheQuelle für schädliche Luftbeimen-gungen dar. Neben den gasförmi-gen Emissionen werden als Folgeder Verbrennungsprozesse auchPartikel wie z.B. Ruß direkt in dieAtmosphäre emittiert. Durch Ab-riebprozesse an Reifen und Brem-sen und durch Aufwirbelungenvon Straßenstaub werden eben-falls Partikelemissionen hervorge-rufen. Als Folge der gasförmigenEmissionen können sich Produk-te wie Photooxidantien bilden, zuderen prominentesten Vertreterndas bodennahe Ozon gehört.Auch so genannte Sekundärparti-kel können als Folge der gasför-migen Emissionen entstehen.Um die Immissionskonzentratio-nen im Lee einer Autobahn quan-tifizieren und prognostizieren zukönnen, sind numerische Simula-tionen erforderlich. Die numeri-schen Modelle, die zur Beschrei-bung der Konzentrationsverteilun-gen im Nahfeld der Verkehrswegeherangezogen werden, müssenneben der atmosphärischen Tur-bulenz auch die zusätzliche Tur-bulenz berücksichtigen, die durchden Kraftfahrzeugverkehr hervor-gerufen wird. Solche Paramet-risierungen existieren bisher nur instark vereinfachter Form. Basie-rend auf Messungen, die feder-führend vom Forschungszentrumunter Beteiligung nationaler undinternationaler Messgruppendurchgeführt wurden [1], konn-te eine neue Parametrisie-rung der kraftfahrzeuginduzierten Turbulenz entwickelt und in das Modellsystem KAMM/DRAIS [2, 3] integriert werden.Durch Vergleich von simuliertenmit gemessenen Konzentrations-verteilungen lässt sich die Güteder neuen Parametrisierung über-prüfen. Mit dem so verbessertenModell soll der Frage nachgegan-gen werden, wie die durch dieFahrzeuge hervorgerufene Turbu-lenz die Konzentrationsverteilun-gen von gas- und partikelförmigenLuftbeimengungen im Nahbereicheiner Autobahn beeinflusst. Einleitung15(15)Numerische Simulation der räumlichen und zeitlichenVerteilung gas- und partikelförmiger Luftbeimengungen im Nahbereich von AutobahnenD. Bäumer, B. Vogel, F. Fiedler, IMKNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 35  1-2/2003  S. 15-19 Für die Simulationen der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Luft-beimengungen im Nahfeld eines Autobahnabschnittes wurde das obenerwähnte Modellsystem KAMM/DRAIS verwendet. Dabei wird die Dif-fusionsgleichung in zweidimensionaler Form numerisch gelöst:Darin bezeichnet ci die Konzentration einer Substanz i, u die straßen-senkrechte Windkomponente, Pi und Li Produktion und Verlust durchchemische Umwandlungen und Qi die Emissionen. Die Querstrichekennzeichnen ein zeitliches Mittel. Die horizontalen Diffusionskoeffizi-enten Kxx und die vertikalen Diffusionskoeffizienten Kzz setzen sich da-bei aus einem atmosphärischen (Atm) und einem autobahninduziertenAnteil (AB) zusammen:Für die Parametrisierung der autobahninduzierten Diffusionskoeffizien-ten wird von einer Gleichung ausgegangen, die die zeitliche und räum-liche Entwicklung der turbulenten kinetischen Energie e beschreibt.—PV ist die Produktion der turbulenten kinetischen Energie durch denVerkehr, —PD ist die Produktion durch das Strömungshindernis, welchesder Damm, auf dem die Strasse verläuft, darstellt. e ist die Energiedis-sipation. Für die Produktionsterme und die Energiedissipation wurdenfolgende Parametrisierungen entwickelt. Die Parametrisierung der autobahninduziertenTurbulenz)( iiiizzixxii Q (1)LPzcKzxcKxxcutc+++∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂ABzzAtmzzzzABxxAtmxxxxKKKKKK,,,,+=+= (2)ε−++∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂DVzzxx PPzeKzxeKxxeute (3),  He 5.11.0 ⋅=ε3,21uHcP DDdD ⋅⋅⋅=FVHWcP dV ⋅⋅⋅⋅⋅=221 (4)(5)(6)cd ist der Widerstandsbeiwert (0.3für PKW, 0.9 für LKW), W die Brei-te (1.8 m, 2.4 m), H die Höhe(1.4 m, 3.5 m) und V ist die Ge-schwindigkeit (33 m s -1, 22 m s -1)der Fahrzeuge. F ist die zeitlich va-riierende Verkehrsstärke. cd,D istder Widerstandsbeiwert (0.12)und HD die Höhe des Fahrbahn-dammes (1.0 m). Gleichung (3)wird numerisch integriert. Aus derberechneten Verteilung der turbu-lenten kinetischen Energie wer-den schließlich die Diffusions-koeffizienten Kxx,AB und Kzz,AB wiefolgt bestimmt:Kxx,Atm und Kzz,Atm werden mit Para-meterisierungen berechnet, wel-che quellentfernungsabhängigeDiffusionkoeffizienten liefern.Dies trägt der in Abb.1 skizziertenTatsache Rechnung, dass mit zu-nehmendem Abstand immer grö-ßere Wirbel aus dem atmosphä-rischen Turbulenzspektrum zurVerdünnung der auf der Straßeemittierten Luftbeimengungenbeitragen [4,5]. Neben dem Ab-stand von der Quelle hängen dieDiffusionskoeffizienten Kxx,Atm undKzz,Atm auch von der atmosphäri-schen Temperaturschichtung undvon der Windscherung ab. Während der Messkampagne BABII an der Autobahn Mann-heim-Heidelberg wurden nebenden Konzentrationsmessungenvon gas- und partikelförmigenLuftbeimengungen auch Turbu-lenzmessungen auf beiden Seitender Autobahn durchgeführt. DieMessstellen sind in Abb. 2 skiz-ziert. Die Autobahn verläuft inHöhe der Messstellen auf einergrößeren Strecke geradlinig, sodass man von zweidimensionalenVerhältnissen ausgehen kann.Abb. 3 zeigt zum einen die gemes-sene Differenz der normierten Tur-bulenzenergie für die Daten derMessstellen 1 und 2. In diese Kur-ve flossen die Messdaten sämtli-cher Wochentage ein. Währendder verkehrsarmen Zeit zwischen22 Uhr und 5 Uhr ist die Energie-differenz nahezu konstant, abersignifikant von Null verschieden.Dies ist auf die Turbulenzproduk-tion infolge der Dammüberströ-mung zurückzuführen. Abb. 3Vergleiche vonModellergebnissen mit Messungen2/1,2/1,eHKeWKABzzABxx⋅=⋅= (7)16(16)Abb. 1: Nur atmosphärische Wirbel, derenDurchmesser kleiner als die Ausdehnungeiner betrachteten Luftbeimengungswolkesind, können zur Verdünnung der Luftbei-mengung beitragen (a, c). Größere Wirbelbewirken lediglich eine Verlagerung derLuftbeimengungswolke (b).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          bcaAbb. 2: Der Messaufbau für Konzentrations- und Turbulenzmes-sungen an der Autobahn.x–y:uN315°225° 45°135°80 m60 m3 mX1X2X3X4TT50 m30 m3 mT Tx–z:u1 2 3 451 m48 m43 m38 m33 m28 m23 m18 m13 m8 m51 m48 m43 m38 m33 m28 m23 m18 m13 m8 m4 m1 mzeigt zum anderen auch die simu-lierte Differenz der normierten tur-bulenten kinetischen Energiegemäß Gleichung 3 und zwar zu-erst die Turbulenzproduktiondurch den Verkehr alleine (Glei-chung 4) und dann die Turbulenz-produktion durch Verkehr undDammüberströmung (Gleichung5) zusammen. Bei Berücksichti-gung beider Turbulenzbeiträgestimmen die simulierten Werterecht gut mit den Beobachtungenüberein. Unter Vorgabe von Emissionsda-ten, die speziell für den betrachte-ten Autobahnabschnitt bestimmtwurden, wobei neben Emissions-faktoren auch die gemessenen Ver-kehrsstärken und Geschwindigkei-ten sowie die beobachtete Flotten-zusammensetzung einflossen [6],wurden Ausbreitungsrechnungendurchgeführt. Abb. 4 zeigt die simu-lierten und die gemessenen Verti-kalprofile der Konzentrationsdiffe-renz von Kohlenmonoxid (CO). DieKonzentrationsmessungen wur-den an den in Abb. 2 mit T bezeich-neten Messtürmen gewonnen. Eswurden drei Simulationen durchge-führt. Bei der ersten wurden sowohldie durch den Verkehr als auch diedurch die Dammüberströmung er-zeugte Turbulenz vernachlässigt,bei den beiden anderen wurdendiese Terme nach und nach hinzu-gezogen. Im ersten Fall ist die si-mulierte Fahnenhöhe mit 12 mdeutlich zu niedrig, die simuliertenKonzentrationen sind viel zu hochDie Parametrisierung der fahrzeug-induzierten Turbulenz führt zu einerwesentlich größeren vertikalenDurchmischung und dadurch zu ei-nem Ansteigen der Fahnenhöhe.Die geringste Abweichung weist dieSimulation mit der kompletten Pa-rametrisierung der autobahnindu-zierten Turbulenz auf.Die Auswirkung derautobahninduziertenTurbulenz auf die Konzentrations-verteilungen17(17)Abb. 3: Mittlerer Tagesgang der Differenz der an Mast 1 und Mast 2 gemessenen normierten turbulenten kinetischen Energiean Wochentagen. normierte kinetische EnergiedifferenzMessungModell: VerkehrModell: Verkehr + Damm0 5 10Zeit [h]15 200.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020.000Abb. 4: Simuliertes und gemessenes Vertikalprofil der CO-Diffe-renz (Lee-Luv) am 16.05.2001 um 6:00 Uhr. MessungSimulationSimulation: VerkehrSimulation: Verkehr + Damm60z [m]0 50 100∆CO [ppb]150 20050403020100Während CO auf der betrachtetenSkala als ein nahezu inertes Gasangesehen werden kann, trifft diesfür Stickstoffmonoxid (NO) undStickstoffdioxid (NO2) nicht zu.Kraftfahrzeuge emittieren im We-sentlichen NO, welches dann imLaufe des Ausbreitungsvorgan-ges bei Vorhandensein von Ozonin NO2 umgewandelt wird. DasVerhältnis der direkten Emissio-nen von NO zu denen von NO2 ist9:1. Wie schnell die Umwandlungim Nahbereich der Straße von-statten geht, ist unter anderemdeshalb von Interesse, weil NO2erheblich wasserlöslicher ist alsNO und daher eher in der Lungeaufgenommen wird. Abb. 5 zeigtdie simulierten horizontalen Kon-zentrationsverteilungen von NOund NO2 um 13 Uhr in 0.8 m Höhe.Die chemische Umwandlung vonNO in NO2 zeigt sich in einem ra-scheren Abfall der NO Konzentra-tion mit zunehmendem Abstandvon der Straße. Bei Vernachlässi-gung der autobahninduziertenTurbulenz ergeben sich deutlichhöhere Konzentrationen von NOund NO2 im Nahbereich derStraße. Dies unterstreicht erneutdie Notwendigkeit der Berück-sichtigung der autobahninduzier-ten Turbulenz in Ausbreitungsmo-dellen. Durch Abriebprozesse an Reifen,Bremsen und dem Straßenbelagund durch Aufwirbelungen vonStraßenstaub werden Partikel-emissionen hervorgerufen. DieDurchmesser der auf diese Weiseerzeugten Partikel erstrecken sichüber einen Größenbereich vonD = 1 bis 100 m m. Die unter-schiedliche Größe der Partikel be-dingt unterschiedliche Sedimen-tationsgeschwindigkeiten und so-mit auch unterschiedliche Reich-weiten. Um zu quantifizieren, wiesich die Größenverteilung der aufeiner Straße emittierten Partikelmit zunehmendem Abstand vonder Straße verändert und wie die-se Veränderung durch die auto-bahninduzierte Turbulenz beein-flusst wird, wurden ebenfalls nu-merische Simulationen durchge-führt. Die Koagulation der Partikeluntereinander wurde bei den Si-mulationen vernachlässigt. DieseAnnahme ist auf Grund der zu er-wartenden geringen Teilchenzahl-dichten gerechtfertigt.Die Abb. 6 zeigt simulierteGrößenverteilungen der Massen-dichte grober Partikel um 13 Uhr in50 m Abstand im Lee der Auto-bahn. Dargestellt sind die Ergeb-nisse in den Höhen 0.8 und 3.0 mund zwar zum einen unter Ver-nachlässigung und zum anderenbei Berücksichtigung der auto-bahninduzierten Turbulenz. Esfällt auf, dass in beiden Höhen einBereich existiert, in dem sich dieautobahninduzierte Turbulenz un-terschiedlich auf die Massendich-ten auswirkt. Bei Partikeldurch-messern von 20 bzw. von 40 m mwirkt sich die autobahninduzierteTurbulenz nicht auf die Massen-dichte aus. Bei größeren Partikelnerzeugt die autobahninduzierteTurbulenz eine Erhöhung derMassendichten. Dies liegt darinbegründet, dass im Quellbereichdie Partikel in größere Höhen18(18)Abb. 5: Simulierter Konzentrationsverlauf in 0.8 m über Grund um 13 Uhr für NO (links) und NO2(rechts).ohne zusätzliche Turbulenzmit Verkehr + Damm2502006050403020100150100NO [ppb]NO2 [ppb]5000 100 200Abstand von der Straße [m]300 400 0 100 200Abstand von der Straße [m]300 400ohne zusätzliche Turbulenzmit Verkehr + Dammtransportiert werden. Dadurch er-höht sich die Reichweite der Par-tikel.Es wurde eine neue Parametrisie-rung entwickelt, die es ermöglicht,die durch den Verkehr bzw. durchden Straßendamm hervorgerufe-ne zusätzliche Turbulenz in einemnumerischen Ausbreitungsmodellzu berücksichtigen. Mit Hilfe vonMessungen im Nahbereich einerAutobahn wurde das Modell über-prüft. Mit dem so erweiterten Aus-breitungsmodell wurden die Kon-zentrationsverteilungen von gas-und partikelförmigen Luftbeimen-gungen im Nahbereich einer Au-tobahn berechnet. Ein Vergleichmit gemessenen Konzentrations-verteilungen zeigte die Güte derneuen Parametrisierung. Simula-tionen, die unter Vernachläs-sigung der autobahninduziertenTurbulenz durchgeführt wurden,unterstrichen deren Bedeutungfür die im Nahbereich der Straßeauftretenden Konzentrationen.Zusammenfassung19(19)[1] U. Corsmeier, M. Kohler, B. Vogel, F. Fiedler, vorliegende Ausgabe derNachrichten.[2] B. Vogel, F. Fiedler, H. Vogel, J. Geophys. Res., 100, 22907-22928,1995. [3] Bäumer, Dissertation, Inst. Meteorol. Klimaforsch., Univ. Karlsruhe, 2002.[4] G. Degrazia, Dissertation, Inst. Meteorol. Klimaforsch., Univ. Karlsruhe, 1988. [5] C. Keil, Diplomarbeit, Inst. Meteorol. Klimaforsch., Univ. Karlsruhe, 1996. [6] J.Kühlwein, Projektbericht, IER, Univ. Stuttgart, 2002.LiteraturAbb. 6: Simulierte Größenverteilung der Partikel um 13 Uhr in 50 mQuellentfernung.0.8 m; ohne zusätzl. Turbulenz0.8 m; mit Verkehr + Damm 3 m; ohne zusätzl. Turbulenz3 m; mit Verkehr + Damm 0.1500 20 40 60 80 100D [µm]dc / dD [µg m–3]0.1250.1000.0750.0500.0250.000

Numerische Simulation der räumlichen und zeitlichen Verteilung gas- und partikelförmiger Luftbeimengungen im Nahbereich von Autobahnen

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