Universität zu Köln

Numerical simulations to assess the effect of urban heat island mitigation strategies on regional air quality

Fallmann, Joachim (2014) Numerical simulations to assess the effect of urban heat island mitigation strategies on regional air quality. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Work in this thesis demonstrates a numerical modelling approach to analyse the effect of urban planning strategies on the urban heat island (UHI) intensity and further the feedback on the chemical composition of the urban atmosphere. The urban area of Stuttgart acts as test bed for the modelling. The mesoscale chemical transport model WRF-Chem is used to investigate the effect of these urban heat island mitigation strategies on the surface concentration of primary (CO, NO, PM10) and secondary pollutants (O3). Known mitigation strategies such as bright roofs and façades, urban greening and modification of the building density are in the focus. All these measures are able to reduce the urban temperature and thus mitigate urban heat island intensity. Model results reveal that the most efficient way to cool down urban areas is the increase in the surface reflectivity. Changing the building albedo in the model from 0.2 to 0.7, lead to a reduction of the urban heat island by about 2 °C. The effect of urban greening and decreased building density is less. The mitigation strategies which have been mentioned before promote changes in energetic and radiative properties of urban surfaces modifying the chemical nature of the urban atmosphere with regard to both primary and secondary compounds. A temperature reduction of 1 °C leads to an increase of NO and CO by 5-25 %, whereas the mean ozone concentration is projected to decrease by 5-8 %. Reduced temperature on the surface and in the urban canopy layer influences the dynamical structure of the atmosphere, which leads to a reduction in turbulent mixing. The depth of the mixing layer is decreased accordingly. As a result, an increase of the near surface concentration of primary compounds is projected. Additionally, temperature directly controls the reactivity of chemical reactions, which explains the reduction of ozone concentration. It has to be pointed out however, that different measures can generate secondary effects. The increased portion of short wave radiation due to a reflexion from white roofs for instance can promote photochemical reactions, leading to an increase of peak ozone levels although temperature has been reduced. The additional emission of biogenic compounds coming along with urban greening is not covered in this work. The main result of this work indicates the dominating role of atmospheric dynamics when analysing the impacts of urban heat island mitigation strategies on urban air quality. Whereas in earlier studies the main effort had been put on the positive effect of temperature dependent reduction of urban ozone concentration, this work analyses a complete air chemistry, being able to show negative effects on primary compounds like CO, NO and PM10 as well.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert einen numerischen Modellierungsansatz um die Auswirkungen verschiedener Stadtplanungsmaßnahmen auf die Intensität der städtischen Wärmeinsel zu untersuchen und die Rückkopplung dieser Maßnahmen auf die chemische Zusammensetzung der städtischen Atmosphäre zu analysieren. Die Region Stuttgart dient dabei als Testgebiet. Das mesoskalige Chemie-Transport-Modell WRF-Chem wird dazu verwendet, die Rückwirkung dieser Strategien zur Verringerung der städtischen Wärmeinsel auf die bodennahe Konzentration von primären (CO, NO, PM10) und sekundären Schadstoffen (Ozon) zu diskutieren. Untersucht werden bekannte Vermeidungsmaßnahmen wie der Effekt heller Dach- und Fassadenflächen, städtische Begrünung oder die Veränderung der Bebauungsdichte. All diese Strategien bewirken eine Verringerung der städtischen Temperatur und tragen somit zur Reduzierung der Wärmeinsel bei. Die Modellergebnisse zeigen, dass stark reflektierende Oberflächen die effizienteste Methode sind, die städtische Wärmeinsel zu reduzieren. Innerstädtische Begrünung und eine veränderte Bebauungsdichte zeigen geringere Effekte im Modell. Im Falle einer Erhöhung der Dachflächen-Albedo von 0.2 auf 0.7 wird eine Abnahme der städtischen Wärmeinsel um ca. 2 °C im Mittel erreicht. Die Veränderung der Energie- und Strahlungseigenschaften der städtischen Oberflächen aufgrund der zuvor genannten Vermeidungsmaßnahmen wirkt sich unterschiedlich auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre aus. Während die mittlere Ozon-Konzentration um ca. 5 - 8 % pro 1 °C Temperaturverringerung reduziert werden kann, wird ein Anstieg primärer Schadstoffe wie NO und CO um 5 - 25 % prognostiziert. Primär wird durch die Abnahme der Temperatur die dynamische Struktur der Atmosphäre verändert. Die turbulente Durchmischung wird verringert, die Mischungsschichthöhe sinkt daher, wodurch die bodennahe Konzentration von direkt emittierten Schadstoffen wie CO und NO ansteigt. Für den Rückgang der Ozonkonzentration mit sinkender Temperatur ist in erster Linie die direkte Korrelation zwischen Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit verantwortlich. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Maßnahmen auch sekundäre Prozesse nach sich ziehen können. Eine Erhöhung der Oberflächenreflexion durch weiße Dächer zum Beispiel erhöht die Intensität der kurzwelligen Strahlung, was dazu führt, dass maximale Ozonkonzentrationen kurzzeitig sogar ansteigen können. Die Erhöhung biogener Emissionen aufgrund zusätzlicher Bepflanzung wird in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Hauptresultat ist, dass der Einfluss von Maßnahmen zur Verringerung der städtischen Wärmeinsel auf die Dynamik größer ist als auf die Chemie. Während in bisherigen Studien vorwiegend die positive Auswirkung auf Ozonbelastung diskutiert wurde, untersucht diese Arbeit eine umfassende Luftchemie und arbeitet damit den negativen Effekt auf primäre Schadstoffe heraus.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Fallmann, Joachimj.fallmann@gmx.de
    Corporate Contributors: KIT - Karlsruhe Insitute of Technology - Institute of Meteorology and Climate Research - Atmospheric Environmental Research (IMK-IFU)
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-59138
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Earth sciences
    Civic and landscape art
    Geography and travel
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Urban Heat Island, Mitigation, Air Quality, Numerical Modelling, WRF-Chem, Urban Greening, White Roofs, StuttgartEnglish
    Städtische Wärmeinsel, Vemeidung, Luftqualität, Numerische Modellierung, WRF-Chem, Begrünung, weiße Dächer, StuttgartGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 24 September 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 27 November 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 16 Jan 2015 11:38:44
    Referee
    NameAcademic Title
    Emeis, StefanProf. Dr.
    Kerschgens, MichaelProf. Dr.
    Bareth, GeorgProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5913

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