Small-scale modeling of dispersion and chemistry of ship plumes in urban areas

Abstract

Shipping connects the world and promotes globalization. However, due to the steadily increasing shipping traffic, ship exhaust gases are also a growing problem for the climate, the environment and the health of people in coastal regions and port cities. Of particular interest here are the concentrations of nitrogen oxides and ozone, which are subject to legal limit values. In order to precisely assess the air quality in port cities, direct measurements are complemented by chemical transport model simulations. Models provide an extended insight into the situation: they calculate concentrations at any position in the city and allow scenarios to be simulated, for example to determine how air quality would change if the pollutant input from the shipping sector decreased. The modeling of ship emissions poses a particular challenge because ships are mobile sources that combust exhaust gases at high temperatures but at the same time have a short stack. Their design influences the wind field and creates turbulence. As a result, the spatial propagation of ship exhaust gases sometimes deviates significantly from a classic Gaussian distribution. This variability has not yet been captured and quantified in models. Two model systems were used in this work: the microscale model MITRAS and the city-scale model EPISODE-CityChem. The prototype of a cruise ship was simulated with the object-resolving model MITRAS. The influence of various meteorological and ship-technical parameters on the plume rise and the turbulent downward dispersion in the near field of the ship was examined and parameterized. During high wind speeds, up to 55% of the exhaust gas is transported to areas below the stack height. In comparison, the downward dispersion for a narrow chimney of the same height was only 31%. A correspondingly increased level of pollution can be expected in port areas. The vertical distribution of ship exhaust gases was also determined and parameterized using MITRAS calculations. The derived formulas were used in the city-scale model EPOSIDE-CityChem to distribute the ship emissions more realistically. The influence of various complex parameterizations on the pollutant concentration in the city area was simulated with EPISODE-CityChem. At high wind speeds, the use of a Gaussian parameterization turned out to be sufficiently accurate, while the pollutant distribution in the case of low wind speeds with strong plume rise can be better represented by an exponentially modified Gaussian distribution. This distinction plays a role in the small-scale modeling of city centers in particular. In the third part of the work, the developed flexible ship exhaust gas distribution ("Flexplume") was used in a complex chemical transport modeling study and compared with a conventional equal distribution ("Fixplume") and real measurements. The new method performed significantly better for the simulation of nitrogen monoxide (NO) and for the simulation of nitrogen dioxide (NO2) and ozone (O3) it reached a similar level of accuracy as the conventional method. This is of great relevance for the assessment of air quality in inner cities, since these three substances interact through complex, non-linear chemical reactions. It was also shown that a reduction in ship emissions in Hamburg would lead to a significant reduction in NO2 pollution, but at the same time causes increased ozone concentrations. In relative terms, ship traffic in Hamburg's city center accounts for up to 50% of NO pollution and 18% of NO2 pollution, but it significantly reduces ozone pollution by up to 20%, especially in the summer.

Die Schifffahrt ist ein bedeutendes Bindeglied der globalisierten Welt. Doch durch den stetig steigenden Schiffsverkehr stellen Schiffsabgase auch ein wachsendes Problem für das Klima, die Umwelt und die Gesundheit von Menschen in Küstenregionen und Hafenstädten dar. Von besonderem Interesse sind hierbei die Konzentrationen von Stickoxiden und Ozon, welche gesetzlichen Grenzwerten unterliegen. Um die Luftqualität in Hafenstädten präzise zu bewerten, werden direkte Messungen durch Chemietransportmodelle ergänzt. Modelle geben dabei einen erweiterten Einblick auf die Situation: sie berechnen Konzentrationen an beliebigen Positionen im Stadtgebiet und erlauben die Simulation von Szenarien, um so beispielsweise zu ermitteln, wie sich die Luftqualität verändern würde, wenn der Schadstoffeintrag durch Schiffe sinkt. Die Modellierung von Schiffsemissionen stellt eine besondere Herausforderung dar, da es sich bei Schiffen um mobile Quellen handelt, welche Abgase bei hohen Temperaturen verbrennen, aber zugleich einen kurzen Schlot besitzen. Durch ihre Bauform beeinflussen sie das Windfeld und erzeugen Turbulenzen. Dadurch weicht die räumliche Ausbreitung von Schiffsabgasen manchmal deutlich von einer klassischen Gauß-Verteilung ab. Diese Variabilität wurde in Modellen noch nicht erfasst und beziffert. In Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Modellsysteme verwendet: das mikroskalige Modell MITRAS und das stadtskalige Modell EPISODE-CityChem. Durch Simulationen mit dem objektauflösenden Modell MITRAS wurde der Prototyp eines Kreuzfahrtschiffs simuliert. Dabei wurde der Einfluss verschiedener meteorologischer und schiffstechnischer Parameter auf den Fahnenaufstieg und die turbulente Abwärtsdispersion im Nahfeld des Schiffes untersucht und parametrisiert. Während hoher Windgeschwindigkeiten werden bis zu 55 % des Abgases in Bereiche unterhalb der Schlothöhe transportiert. Im Vergleich dazu betrug die Abwärtsdispersion bei einem gleichhohen schmalen Schornstein lediglich 31 %. Eine dementsprechend erhöhte Schadstoffbelastung kann in Hafenbereichen erwartet werden. Auch die vertikale Verteilung von Schiffsabgasen wurde mit MITRAS-Rechnungen ermittelt und parametrisiert. Die abgeleiteten Formeln wurden schließlich in dem stadtskaligen Modell EPOSIDE-CityChem verwendet, um die Schiffsemissionen realistischer zu verteilen. Der Einfluss verschiedener komplexer Parametrisierungen auf die Schadstoffkonzentration im Stadtgebiet wurde mit EPISODE-CityChem simuliert. Unter hohen Windgeschwindigkeiten stellte sich die Verwendung einer Gauß-Parametrisierung für hinreichend genau heraus, während die Schadstoffverteilung im Fall von niedrigen Windgeschwindigkeiten starkem Fahnenaufstieg besser durch eine exponentiell modifizierte Gauß-Verteilung abgebildet werden kann. Diese Unterscheidung spielt insbesondere bei der feinskaligen Modellierungen von Stadtzentren eine Rolle. Im dritten Teil der Arbeit wurde die entwickelte flexible Schiffsabgasverteilung („Flexplume“) in einer komplexen Chemietransportstudie verwendet und mit einer konventionellen Gleichverteilung („Fixplume“) und realen Messungen verglichen. Die neue Methode schnitt dabei für die Simulation von Stickstoffmonoxid (NO) deutlich besser und für die Simulation von Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) ähnlich gut wie die konventionelle Methode. Dies ist für die Beurteilung der Luftqualität in Innenstädten von hoher Relevanz, da die drei genannten Stoffe durch komplexe, nichtlineare chemische Reaktionen aufeinander einwirken. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine Reduktion von Schiffsemissionen in Hamburg zwar zu einer deutlichen Verringerung der Belastung durch NO2 beiträgt, aber gleichzeitig erhöhte Ozonkonzentrationen verursacht. Relativ betrachtet trägt der Schiffsverkehr in der Hamburger Innenstadt zu bis zu 50 % der Belastung durch NO und 18 % der Belastung durch NO2 bei, reduziert aber die Belastung durch Ozon, besonders im Sommer, um bis zu 20 %.