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CO2 Haushalt der Atmosphäre


Betrachtung des regionalen CO2-Haushalts auf Basis atmosphärischer Messreihen

Projektstart: 01.01.2017
Projektende: 30.06.2018
Laufzeit: 1,5 Jahre
Projektträger: Umweltbundesamt (UBA)
Projektverantwortung vor Ort: Prof. Dr. J. Jacobeit M.Sc. E. Giemsa
Beteiligte Wissenschaftler / Kooperationen: Virtuelles Alpenobservatorium (VAO), Umweltforschungsstation Schneefernerhaus
Global Atmosphere Watch (GAW) – Plattform Zugspitze
Deutscher Wetterdienst (DWD), Radioaktivitätsüberwachung
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR)
Leibniz Rechenzentrum (LRZ)

Zusammenfassung

Die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration mit einem globalen Jahresmittel von mittlerweile über 400 ppm setzt sich aus anthropogenen Emissionen und Veränderungen des ökosystemaren Kohlenstoffhaushalts zusammen. Dadurch wird der Jahreszyklus im natürlichen Kohlenstoffkreislauf von den weltweit ansteigenden CO2-Emissionen überprägt. Diese Interferenz in Verbindung mit der hohen atmosphärischen Verweilzeit des Kohlendioxids verhindert, dass atmosphärische Messungen unmittelbar Auskunft über Änderungen der regionalen Emissionssituation geben können. Aber erst die Kenntnis über Emissionsstrukturen im Einzugsgebiet ermöglicht ein fundiertes Verständnis des regionalen CO2-Haushalts und damit die Abschätzung sich ändernder Quellbeiträge im Einzugsgebiet der Messstation.

In einem ersten Arbeitsschritt differenziert ein operationelles, stationsspezifisch adaptiertes Filterverfahren die hochpräzisen und -repräsentativen Messdaten der Globalstation Schneefernerhaus/Zugspitze entsprechend ihrer mitteleuropäischen bzw. nordhemisphärischen Herkunft. Parallel dazu werden mit Hilfe des Lagrange'schen Partikel-Dispersionsmodells FLEXPART am Startpunkt Schneefernerhaus alle zwei Stunden zehntausend Luftvolumina mit den charakteristischen Tracereigenschaften des CO2 entlassen und über zehn Tage hinweg rückverfolgt. Die zehntägigen Partikeltransportrechnungen bilden zusammen mit den zum jeweiligen Startzeitpunkt gemessenen CO2-Konzentrationen die Grundlage für die Herkunftsanalysen des Kohlendioxids an der Zugspitze. Dazu werden die Rückwärtstrajektorien dem multivariaten Verfahren einer Clusteranalyse unterzogen und anschließend mit den zeitgleich an der Zugspitze aufgezeichneten CO2-Werten in Bezug gesetzt, woraus eine erste qualitative Einordnung in konzentrationsmindernde gegenüber -steigernde Transportmuster resultiert. Die detailliertere Detektion von Gebieten mit Einfluss auf die CO2-Konzentration an der Messstation erfolgt über die potentielle Quellbeitragsfunktion (Potential Source Contribution Function, PSCF), die in Erweiterung zur Clusteranalyse die Aufenthaltsdauer der Luftpakete über geographischen Regionen im Vorfeld ihrer Ankunft und Aufzeichnung am Standort berücksichtigt. Eine exemplarische PSCF-Karte zeigt die nachfolgende Abbildung, in der die für besonders hohe CO2-Konzentrationen (jenseits des 95. Perzentils) an der Zugspitze relevanten Gebiete sichtbar werden. Deutlich zu erkennen ist die Region mitteleuropäischer Braunkohlereviere (Lausitz, Most, Sokolov), die zwischen 2011 - 2015 folglich Hauptverursacher höchster CO2-Konzentrationen selbst an Deutschlands höchstgelegener Messstation auf über 2.650 m Höhe sind.

CO2-Messwerte

Abbildung: Potentielle Quellbeitragsfunktion (angegeben in ppm) derjenigen Trajektorien regionalen Ursprungs, die 2011 – 2015 zu trend- und saisonalitätsbereinigten CO2-Messwerten oberhalb des 95. Perzentils an der Messstation Schneefernerhaus geführt haben.

Die skizzierte Aufschlüsselung des CO2-Anstiegs an der Messstation Zugspitze erlaubt eine differenzierte Quantifizierung des Beitrags mitteleuropäischer Emissionen gegenüber dem nordhemisphärischen Hintergrundanteil im Einzugsgebiet des Schneefernerhauses und leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Interpretation der Messdaten im Hinblick auf die regionale Emissionssituation.