Modelling the fate of secondary inorganic aerosol and its precursors over Europe

Abstract

Secondary inorganic aerosol (SIA), which are sulphate, nitrate and ammonium, is involved in the eutrophication and acidification of ecosystems, the formation of health relevant particulate matter and climate change by affecting the radiation balance of the earth. A thorough understanding of the SIA budget is of scientific interest and is required to be able to devise emission mitigation strategies that are effective for biodiversity, climate change and human health. SIA concentrations and the deposition of sulphur and nitrogen compounds show non-linear responses to emission changes of sulphur dioxide, nitrogen oxides and ammonia. At the start of this study chemistry transport models (CTMs) did not incorporate all processes leading to these non-linearities and previous studies highlighted that the performance of these models showed clear deficiencies in comparison to observations. Within the here presented study the process description of SIA formation and wet removal is improved within two state-of-the-art regional CTMs followed by a comprehensive operational and dynamic evaluation of the models against observations with the focus on the non-linearity aspects. The chemical transport model REM-Calgrid has been improved by the implementation of pH dependent aqueous-phase sulphate formation and a new wet deposition scheme including cloud liquid water content dependent in-cloud scavenging and pH dependent droplet saturation. A model sensitivity study varying droplet pH within atmospheric ranges has revealed a significant impact on resultant SIA air concentrations and wet deposition fluxes. Furthermore, the comparison of model results to observations has shown that using a modelled droplet pH is preferable to using a constant pH leading to an increased model performance concerning air concentrations and wet deposition fluxes. Using the improved RCG model system two PM episodes over Central Europe characterized by a high SIA contribution have been analysed. To investigate the response of modelled SIA concentrations to precursor emission changes several model runs for different emission scenarios varying emissions of sulphur dioxide, nitrogen dioxide and ammonia have been performed. It was shown that the incorporation of the pH dependent aqueous phase chemistry added non-linear responses to the system and significantly modified the models' response to precursor emission variations compared to when using a constant droplet pH. Finally, a dynamic model evaluation over Europe from 1990 to 2009 has been performed using observations at European rural background sites. Therefore, the improved aqueous phase chemistry scheme was implemented in the LOTOS-EUROS model as the latter includes a source apportionment module that enables the analysis of changes in SIA formation efficiency over time. The model was able to capture the observed non-linear responses to the emission changes within 1990 and 2009. The source apportionment exercise revealed increases in formation efficiency for sulphate and nitrate showing that the model is able to reproduce that changes in the formation efficiency due to changes in the chemical regime from 1990 to 2009 are at the basis of the observed non- linearity in the emission-concentration relationship. With this modelling study, added knowledge and an improved understanding has been obtained with respect to the non-linearity between emissions of sulphur and nitrogen compounds and the resulting concentrations and deposition fluxes.

Sekundäre anorganische Aerosole (= SIA: Sulfat, Nitrat und Ammonium) tragen zur Versauerung und Eutrophierung von Ökosystemen bei, bedingen einen bedeutenden Anteil von PM10 und tragen durch ihre Beeinflussung des Strahlungshaushaltes der Erde zum Klimawandel bei. Ein detailliertes Verständnis des SIA Budgets ist von wissenschaftlichem Interesse und nötig, um Emissionsminderungsstrategien zur effektiven Reduzierung von SIA zu entwickeln, um die negativen Auswirkungen auf Umwelt und Mensch einzudämmen. SIA Konzentrationen und die Depositionen von Schwefel- und Stickstoffverbindungen verhalten sich nichtlinear zu Emissionsänderungen der Vorläuferstoffe Schwefeldioxid, Stickstoffoxiden und Ammoniak. Zu Beginn der vorliegenden Studie wurden nicht alle Prozesse, die zu diesen Nichtlinearitäten führen in state-of-the-art Chemie-Transportmodellen berücksichtigt. Innerhalb der hier präsentierten Studie wurde daher die Prozessbeschreibung der Bildung von SIA in der Atmosphäre und der Auswaschung von SIA aus der Atmosphäre innerhalb zweier regionaler Chemie-Transportmodelle verbessert. Anschließend wurden die Ergebnisse der Modelle anhand einer operationellen und einer dynamischen Evaluation mit Beobachtungen verglichen. Hierbei lag der Fokus auf dem Aspekt der Nichtlinearität. Das Chemie- Transportmodell REM-Calgrid wurde durch den Einbau einer pH-Wert abhängigen Sulfatbildung in der Flüssigphase weiterentwickelt. Des Weiteren wurde eine neue Routine zur Berechnung der nassen Deposition implementiert. Diese berücksichtigt eine vom Flüssigwassergehalt abhängige Auswaschung innerhalb der Wolke und eine vom pH-Wert abhängige Tropfensättigung bei der Auswaschung von Gasen. Die Ergebnisse einer Modellevaluation anhand von Messungen haben gezeigt, dass die Verwendung eines modellierten pH-Wertes von Wolken- und Regentropfen der Verwendung eines konstanten pH-Wertes vorzuziehen ist, da dies zu einer verbesserten Modellgüte und Modellkonsistenz bezüglich der Konzentrationen und der Depositionen führt. Um die Reaktion der SIA Konzentrationen und Depositionen auf Emissionsvariationen zu untersuchen, wurden anschließend mehrere Modellläufe anhand der weiterentwickelten Version des RCG Modells für verschiedene Emissionsszenarien durchgeführt. Die Ergebnisse haben das nichtlineare Verhalten der SIA Konzentrationen und Depositionen gegenüber Variationen der Vorläuferemissionen bestätigt. Es hat sich außerdem gezeigt, dass der Einbau der pH-Wert abhängigen Flüssigphasenchemie das nichtlineare Verhalten des Systems verstärkt und die Reaktion des Modellsystems auf Emissionsvariationen deutlich modifiziert. Abschließend wurde eine dynamische Modellevaluation über Europa für die Jahre 1990 bis 2009 anhand von Messungen an europäischen ländlichen Hintergrundstationen durchgeführt. Für diese Studie wurde das LOTOS-EUROS Modell verwendet, da es ein sogenanntes 'source apportionment' Modul enthält, mit welchem zeitliche Änderungen in der Effizienz der SIA-Bildung analysiert werden können. Das Modell hat den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Vorläuferemission und SIA Konzentration gut wiedergegeben. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg in der Bildungseffizienz von Sulfat und Nitrat von 1990 bis 2009. Dies verdeutlicht, dass die Änderungen in der Effizienz der SIA- Bildung aufgrund der Änderungen des chemischen Regimes von 1990 bis 2009, die Basis für den beobachteten nichtlinearen Zusammenhang zwischen den SIA Konzentrationen und den Emissionen der Vorläuferstoffe bilden. Mit dieser Modellstudie wurde neues Wissen und ein verbessertes Verständnis in Bezug auf das nichtlineare Verhältnis zwischen Emissionen schwefel- und stickstoffhaltiger Vorläuferstoffe und den daraus resultierenden SIA Konzentrationen und Depositionsflüssen gewonnen.