Influence of synoptic and local meteorological conditions on surface ozone concentrations over Europe

Da zu erwarten ist, dass der Klimawandel die globalen, regionalen und kommunalen meteorologischen Zustände verändern wird, werden die Veränderungen des Klimasystems eine wesentliche Rolle in Bezug auf die zukünftig Luftqualität spielen. Troposphärisches Ozon gilt als einer der schädlichsten Schadstoffe und ist stark abhängig von den Wetterbedingungen. Die zeitnahen Auswirkungen des Klimawandels zu verstehen ist daher dringend erforderlich, um eine effektive Luftqualitätspolitik zu entwickeln. Diese Doktorarbeit legt den Schwerpunkt auf die Analyse des Einflusses von synoptischen und kommunalen meteorologischen Zuständen auf bodennahes Ozon in Europa und sie liefert eine umfassende räumliche Charakterisierung der wichtigsten Schlüsselfaktoren der Oberflächen-Ozon-Konzentration auf dem gesamten Gebiet. Zu diesem Zweck werden zwei Ansätze vorgeschlagen: i) eine objektive Wetterlagenklassifikation und ii) Regressionsmethoden.
Zunächst wird die großflächige atmosphärische Zirkulation durch eine objektive Wetterlagenklassifikation untersucht – umgesetzt in Form von Gitterzelle zu Gitterzelle in Europa. Es wird ein Vergleich zwischen der Fähigkeit mehrerer globaler Klimamodelle realistisch aussehende synoptische Muster im gegenwärtigen Klima zu reproduzieren einerseits und neuen Darlegungen andererseits aufgestellt und anschließend ausgewertet. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen Wetterarten und Anomalien von Maximal- und Mindesttemperaturen untersucht. Im Vergleich mit den neuen Darlegungen können die Modelle im Allgemeinen realistische synoptische Muster erfassen. Allerdings gibt es einige Einschränkungen in der Reproduktion der Frequenzen bestimmter Wetterarten, wie z. B. niedrige Strömungsbedingungen über Südeuropa im Sommer und Herbst. Die prognostizierten Veränderungen bezüglich der Häufigkeit der Wetterarten unter zukünftigen Klimaszenarien zeigen einen Anstieg antizyklonischer Tage und wärmeren Bedingungen, die die britischen Inseln im Sommer beeinflussen, sowie mehrere Westwindzonen, welche folglich mildeWinterbedingungen über Mitteleuropa hervorbringen. Infolge einer prognostizierten Zunahme der niedrigen Strömungsbedingungen über dem Mittelmeerraum würden stagnierende Situationen häufiger vorkommen, was die Folgen der Luftverschmutzung begünstigt. Eine Analyse des Abbaus zur Beurteilung der Auswirkungen der Frequenzänderungen auf die prognostizierten Temperaturen deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Häufigkeit derWetterarten einen geringen Beitrag zur Gesamtveränderung der europäischen Temperaturen darstellen. So könnten die Temperaturveränderungen den sogenannten In-Typ-Variationen (selbst Änderungen der Wetterarten) zugeschrieben werden. Im Kontext des Klimawandels bedeutet dies, dass die globale Erwärmung auch die Eigenschaften einiger Wetterarten im Laufe der Zeit beeinflussen würde (d.h. In-Typ-Variationen ), die mit wärmeren Temperaturen unter zukünftigen Bedingungen verbunden sind. Zweitens bietet die Einordnung von Wetterarten einen einfachen physikalisch interpretierbaren Rahmen, um die Auswirkungen von synoptischen Bedingungen auf die Ozonkonzentration zu bewerten. Ein Ansatz der synoptischen Regression wird entwickelt, um die Wirkung von sowohl synoptischen als auch kommunalen meteorologischen Bedingungen auf Oberflächen-Ozon auf europäischem Gebiet zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass kommunale meteorologische Bedingungen in der Regel dominierende Faktoren sind, die die Oberflächen-Ozon-Variabilität beeinflussen, und nicht synoptische Bedingungen. Die Ergebnisse zeigen regionale und saisonale Muster der einflussreichsten Ozon Treiber. Die Ozon-Persistenz (vom Vortag) ist auch als Prädiktor enthalten und scheint eine wesentliche Rolle über Südeuropa zu spielen, wohingegen die kommunalen/regionalen meteorologischen Bedingungen einen starken Einfluss auf Mittel- und Osteuropa haben. Besonders die Maximaltemperatur und relative Luftfeuchtigkeit sind der wichtigste Treiber für Oberflächen-Ozon im Sommer zusammen mit Oberflächen-Sonnenstrahlung im Frühling. Der letzte Teil der Doktorarbeit untersucht eine Multimodell-Bewertung der Fähigkeit einer Reihe von hochmodernen Modellen zur Luftqualität, um die beobachtete Beziehung zwischen meteorologischen Variablen und Oberflächen-Ozon zu reproduzieren. Die Ergebnisse zeigen deutliche saisonale und regionale Leistungen der statistischen Modellen, die für jeden Datensatz (d. H. Beobachtungen und Modellausgaben) entwickelt wurden. Insgesamt stehen die Luftqualitätsmodelle in größerer Übereinstimmung zu den Beobachtungen über die Regionen, welche als folgende interne Regionen bezeichnet werden: England, Frankreich, Mitteleuropa, Norditalien und Osteuropa. Dem gegenübergestellt sind Regionen, welche mehr Einschränkungen gegenüber den übrigen Regionen haben. Solche werden als äußere Regionen bezeichnet: Inflow, Skandinavien, die Iberische Halbinsel, das Mittelmeer und die Balkanstaaten. Es gibt einen größeren meteorologischen Beitrag in den internen Regionen, vor allem im Sommer, wo die lokale Meteorologie eine wichtige Rolle bei photochemischen Prozessen spielt. Eine kleinere meteorologische Wirkung findet sich in den äußeren Regionen, vermutlich aufgrund eines großen Einflusses der dynamischen Prozesse, die nicht durch die statistischen Modelle erfasst werden. Die meisten Luftqualitätsmodelle neigen dazu, die Empfindlichkeit gegen Maximaltemperatur und Sonneneinstrahlung zu überschätzen, und keines von ihnen kann die Stärke der beobachteten Wechselwirkung zwischen Ozon und relativer Feuchtigkeit passend erfassen. Hier könnten trockene Ablagerungsschemata ein Lösungsansatz für die Unterschätzung einer solchen Beziehung bieten. Eine weitere Analyse des Anstiegs der Beziehung zwischen Ozon und Temperatur deutet darauf hin, dass die Luftqualitätsmodelle die beobachtete Beziehung zwischen Ozon und Temperatur in den meisten internen Regionen im Sommer einfangen, während sie diese im Frühjahr sie in den meisten europäischen Regionen überschätzen.