VDI 3783 Blatt 18-2017 Environmental meteorology - Photolysis frequencies for calculating pollutant concentrations in the troposphere.pdf

1、ICS 13.040.01 VDI-RICHTLINIEN April 2017 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Umweltmeteorologie Fotolysefrequenzen fr Berechnungen von Schadstoffkonzentrationen in der Troposphre Environmental meteorology Photolysis frequencies for calculating pollutant concentrations in the troposphere VDI 3783 Blatt 18 /

2、Part 18 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this standard has been subject to public scrutiny after ann

3、ouncement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette). The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) Normenausschuss Fachbereich Umweltmeteorologie VDI/DIN-Handbuch R

4、einhaltung der Luft, Band 1b: Umweltmeteorologie Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nichtgestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:08.15 Entwurf,deutschFormeredition:08/15Draft,in German onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Recht

5、e vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2017Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Begriffe 4 3 Formelzeichen und Abkrzungen . 6 4 Eingangsgren zur Berechnung . 7 5 Berechnung von spektralen aktinischen Photonenflussdicht

6、en 7 5.1 Modellierung der spektralen aktinischen Photonenflussdichten fr Bedingungen mit freiem Horizont . 8 5.2 Beeinflussung des aktinischen Photonenflusses durch Bebauung 17 6 Berechnung von Fotolysefrequenzen . 20 6.1 Notwendige Informationen 20 6.2 Parametrisierung der Zenitwinkelabhngigkeit de

7、r Fotolysefrequenzen 21 6.3 Abhngigkeit der Fotolyse von der Globalstrahlung 21 7 Validierung der berechneten Fotolysefrequenzen des NO2 und des O3 anhand von Messdaten 22 Anhang A Beispiel . 26 A1 Problemstellung . 26 A2 Bestimmungsweg 1 Aerosolbelastung 26 A3 Bestimmungsweg 2 Globalstrahlung 27 A4

8、 Weitere Berechnungsbeispiele . 27 Anhang B Listen der in 28 verwendeten Absorptionsquerschnitte und Quantenausbeuten 30 B1 Datengrundlage 30 B2 Absorptionsquerschnitte. 31 B3 Quantenausbeuten 33 Schrifttum 39 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Terms and definitions 4 3 Symbols and ab

9、breviations . 6 4 Calculation input variables 7 5 Calculation of spectral actinic photon flux densities 7 5.1 Modelling of spectral actinic photon flux densities for free horizon conditions . 8 5.2 The effect of buildings on the actinic photon flux . 17 6 Calculation of photolysis frequencies 20 6.1

10、 Required data . 20 6.2 Parameterisation of the zenith angle dependence of the photolysis frequencies . 21 6.3 Dependence of photolysis on the global irradiance 21 7 Measurement-based validation of the calculated photolysis frequencies of NO2 and O3 . 22 Annex A Example . 26 A1 The task . 26 A2 Meth

11、od 1 aerosol pollution . 26 A3 Method 2 global irradiance . 27 A4 Further calculation examples . 27 Annex B Lists of the absorption cross-sections and quantum yields used in 28 30 B1 Data set 30 B2 Absorption cross sections 31 B3 Quantum yields 33 Bibliography 39 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C8

12、8DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 2 VDI 3783 Blatt 18 / Part 18 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfe

13、hlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbe

14、dingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3783. Prelimina

15、ry note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, e

16、ither of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of al

17、l available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3783. Einleitung Fotolysen gehren neben den Emissionen, dem Transport mit chemischen Umwandlungen und den Depositionen zu den wesentlichen Prozessen, die die Konzentration von Spurengasen in der Atmo-sphre be

18、einflussen. Die Geschwindigkeitskonstante der Fotolyse, die Fotolysefrequenz j, ist das Integral ber dem Pro-dukt aus dem moleklspezifischen Absorptions-querschnitt , der Quantenausbeute der entspre-chenden Fotolysereaktion und der spektralen akti-nischen Photonenflussdichte F. Diese drei Terme sind

19、 alle von der Wellenlnge abhngig und die Fotolysefrequenz ergibt sich fr einen bestimmten Prozess als das Integral des Produkts ber den ge-samten Wellenlngenbereich: ( ) ( ) ( )0djF = (1) Die Absorptionsquerschnitte und Quantenausbeu-ten sind fr viele Substanzen bekannt. Die spektra-le aktinische Ph

20、otonenflussdichte ist hingegen va-riabel, abhngig von der Beeinflussung der solaren Strahlung durch die Atmosphre und damit von den aktuellen meteorologischen Bedingungen, der geometrischen Hhe, der Bodenalbedo und dem Sonnenstand. Die aktuelle aktinische Photonen-flussdichte ist damit im Allgemeine

21、n nicht bekannt. Ausschlaggebend ist dabei der kurzwellige Spekt-ralbereich bis 700 nm. Lngerwellige Strahlung ist in der Regel zu energiearm um chemische Bindun-gen zu brechen. Die Richtlinie stellt spektrale akti-nische Photonenflussdichten fr troposphrische Bedingungen bereit. Introduction Along

22、with emissions, the transport of substances in the atmosphere including chemical transfor-mations and depositions, photolysis is one of the significant processes which determine the concen-tration of trace gases in the atmosphere. The rate constant of the photolysis process, the photolysis frequency

23、 j, is the integral over the product of the molecule-specific absorption cross-section , the quantum yield of the relevant pho-tolysis reaction and the spectral actinic photon flux density F. These three terms are all dependent on the wavelength , and the photolysis frequency of a particular process

24、 is obtained as the integral of their product over the entire wavelength range: ( ) ( ) ( )0djF = (1) The absorption cross-sections and quantum yields of many substances are known. The spectral actinic photon flux density, in contrast, is variable, de-pending on the influence on the solar radiation

25、through the atmosphere and thus on the current meteorological conditions, the geometric altitude, the surface albedo, and the solar elevation. In gen-eral, therefore, the actinic photon flux density at any particular time and location is unknown. What is important here is the shortwave spectral rang

26、e up to 700 nm. Usually, longer-wave radiation is too low-energy to break chemical bonds. This standard discusses spectral actinic photon flux densities for tropospheric conditions. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollect

27、ion - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 VDI 3783 Blatt 18 / Part 18 3 Eine hufig verfgbare Messgre ist die solare Globalstrahlung, bei der es sich ebenfalls um eine solare Strahlungsgre nach Durchgang durch die Atmosphre handelt. Damit ist diese mit de

28、n akti-nischen Photonenflussdichten und somit den Foto-lysefrequenzen (je nach Spektralbereich) mehr oder weniger gut korreliert. Dies ist das Ergebnis von Modellrechnungen und von Messungen 1. Ist die Globalstrahlung gemessen worden, kann sie zur Parametrisierung von Fotolysefrequenzen verwen-det w

29、erden 2. Die Richtlinie lsst sich fr folgende Aufgaben einsetzen: Bestimmung von Fotolysefrequenzen fr diskre-te oder kontinuierliche Werte des Zenitwinkels Erweiterung um Fotolysefrequenzen fr nicht in der Richtlinie bercksichtigte Substanzen oder Zerfallskanle auf Grundlage der bereitgestell-ten s

30、pektralen aktinischen Photonenflussdichten und Quellenangaben Bestimmung von Fotolysefrequenzen auf Grundlage der (gemessenen) Globalstrahlung Korrektur fr variable Bedeckungsgrade Korrektur fr Horizonteinschrnkung datumsabhngige Korrektur der Solarkonstanten Korrektur der Absorptionsquerschnitte un

31、d der Quantenausbeuten fr andere Temperaturen als 298 K Verwendung (selbst) gemessener spektraler aktinischer Photonenflussdichten One frequently available measurement is the solar global irradiance, which also is a solar radiation quantity after passing the atmosphere. Therefore, it is more or less

32、 well correlated with the actinic pho-ton flux densities and thus the photolysis frequen-cies (according to the particular spectral range), as shown by model calculations and measurements 1. Once the global irradiance has been measured, it can be used for the parameterisation of photoly-sis frequenc

33、ies 2. This standard can be used for the following tasks: determining photolysis frequencies for discrete or continuous values of the zenith angle extending the coverage by adding photolysis frequencies for substances or decay channels not covered in the standard, based on the de-scribed spectral ac

34、tinic photon flux densities and the quoted sources determining photolysis frequencies on the basis of the (measured) global irradiance correction for variable cloud covers correction for horizon obstruction date-dependent correction of the solar constants correction of the absorption cross-sections

35、and the quantum yields for temperatures other than 298 K use of (self-)measured spectral actinic photon flux densities 1 Anwendungsbereich Die Umwandlung von Spurengasen wird in der Atmosphre durch Radikalkettenreaktionen be-stimmt, die durch Fotolyseprozesse eingeleitet werden. Damit ist fr eine de

36、tailliertere Beurtei-lung und Vorhersage der Luftqualitt die Kenntnis von Fotolysefrequenzen notwendig, beispielsweise fr die Berechnung der NO/NO2-Konversion nach der Richtlinie VDI 3783 Blatt 19, aber auch fr komplexere Modelle zur Chemie der Atmosphre, wie in VDI 3783 Blatt 5 beschrieben. Diese R

37、ichtlinie stellt Fotolysefrequenzen fr tro-posphrische Bedingungen bereit. Dazu wurden spektrale aktinische Photonenflussdichten fr eine Vielzahl von meteorologischen Situationen berech-net, sodass typische Bedingungen fr Mitteleuropa, mit 200 m ber NHN als Durchschnittswert, abge-deckt werden. Die

38、Ausgabe der Berechnung erfolgt fr die Hhen 0 m und 1000 m ber Grund. Die aktinischen Photonenflussdichten werden dann zur Berechnung der Fotolysefrequenzen troposphri-1 Scope The transformation of trace gases in the atmos-phere is determined by radical chain reactions initi-ated by photolysis proces

39、ses. More detailed as-sessment and prediction of air quality, therefore, require knowledge of photolysis frequencies, for example the calculation of the NO/NO2conversion in accordance with VDI 3783 Part 19, but also more complex models of atmospheric chemistry as described in VDI 3783 Part 5. This s

40、tandard provides photolysis frequencies for tropospheric conditions. To this end, spectral actin-ic photon flux densities were calculated for a large number of meteorological situations so as to cover typical conditions for Central Europe, with 200 m above sea level taken as the average altitude. Th

41、e output of the calculation is done for the altitudes 0 m and 1000 m above ground. The actinic photon flux densities are then used to calculate the photol-ysis frequencies of tropospheric trace gases. These B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29B

42、EST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 4 VDI 3783 Blatt 18 / Part 18 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 scher Spurengase eingesetzt. Diese Werte hngen vom solaren Zenitwinkel, der Bewlkung und an-deren Atmosphreneigenschaften ab. Entsprechen-de Parametrisi

43、erungen, die die Modellierung von chemischen Reaktionssystemen vereinfachen, wer-den ebenfalls abgeleitet. Die Berechnungen der aktinischen Photonenfluss-dichten beruhen auf einem Strahlungstransport-Modell, das alle Strahlungsprozesse bercksichtigt. Da alle relevanten Einflussgren angegeben wer-den

44、, sind die bereitgestellten Fotolysefrequenzen auch als Referenzwerte fr die Validierung weniger komplexer Modellanstze zur Berechnung von Fotolysefrequenzen, wie sie zum Teil noch in Chemie-Transport-Modellen verwendet werden, anwendbar. Die berechneten Fotolysefrequenzen und die ange-botenen Param

45、etrisierungen werden ber eine In-ternetseite 28 des Forschungszentrums Jlich zugnglich gemacht. Da die in den Rechnungen verwendeten Eingangsgren ausfhrlich beschrie-ben und die Quellen angegeben werden, ist es fr den Anwender mglich, die Berechnung nachzu-vollziehen und gegebenenfalls auch Fotolyse

46、-frequenzen, die hier nicht bercksichtigt wurden, zu berechnen. Die dazu bentigten spektralen akti-nischen Photonenflussdichten werden ebenfalls zur Verfgung gestellt. Zu strahlungsphysikalischen Grundlagen wird auf DIN 5031-1 und DIN 5031-11 verwiesen, wobei letztere speziell die fr die Fotolyse au

47、sschlagge-benden aktinischen Strahlungsgren behandelt. Zur Messtechnik von Strahlungsgren, insbeson-dere der Globalstrahlung, wird auf die Richtlinie VDI 3786 Blatt 5 hingewiesen. values depend on the solar zenith angle, the cloud cover, and other atmospheric properties. Appropri-ate parameterisatio

48、ns, which simplify the model-ling of chemical reaction systems, are also derived. The calculations of the actinic photon flux densities are based on a radiation transport model that con-siders all radiation processes. Since all the relevant factors are stated, the described photolysis frequen-cies c

49、an also be used as reference values for the validation of less complex modelling approaches for the calculation of photolysis frequencies, as they are still used sometimes in chemical transport models. The calculated photolysis frequencies and the pro-vided parameterisations are accessible via a web-site 28 of the Jlich Research Centre. Since the input variables used in the calculation