1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieModelle zur Gasphasenchemieder TroposphreEnvironmental meteorologyModels for the gas-phase chemistry of the troposphereVDI 3783Blatt 5 / Part 5Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishKommission Reinhaltung der Luft (KRdL) im VDI und DIN NormenausschuArbe
2、itsgruppe Modelle zur Gasphasenchemie der TroposphreVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1bVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch / Available fromBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechtevorbehalten / Allrights reservedVereinDeutscherIngenieure, Dsseldorf 1999Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche
3、Zwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 13.040.01 November 1999The draft of this Guideline
4、 has been subject to public scrutinyafter announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).No guarantee can be given with respect to the English transla-tion. The German version of this Guideline shall be taken asauthoritative.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Zie
5、lsetzung und Anwendungsbereich. . . . . . . . 3Verzeichnis wichtiger Symbole . . . . . . . . . . . 4Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . 61 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Quantitative Formulierung chemischer Umstze ein Beispiel . . . . . . . . . . . . . 123 M
6、odellkonzeption eines chemischenGasphasen-Reaktionsmechanismus . . . . . 133.1 Allgemeines Konzept . . . . . . . . . . . . 133.2 Anforderungen an einen chemischen Reaktionsmechanismus . . . . . . . . . . . 143.3 Beispiele chemischer Mechanismen fr die Troposphre . . . . . . . . . . . . . . . 163.4 N
7、umerische Methoden . . . . . . . . . . . 174 Eingangsgren . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . 205.1 Boxmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.2 Lagrangesche Boxmodelle . . . . . . . . . 245.3 Eulersche Gittermodelle . . . . . . . . . . 306 Fehlerq
8、uellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Vergleichbarkeit mit Meergebnissen . . . . 388 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . 38Anhang A Anleitung zur Evaluierung chemischer Mechanismen . . . . . . 40Anhang B Implementierung des chemischen Teils der Bilanzgleichungen . . . . . 41Anhang
9、 C Daten zum Vergleich chemischer Mechanismen fr die Troposphre . . 57Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Scope and objective . . . . . . . . . . . . . . . . . 3List of relevant symbols . . . . . . . . . . . .
10、. . . 4Terms and definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Quantitative formulation of chemicalreactions an example . . . . . . . . . . . . . 123 Model concept of a gas-phase chemicalreaction mechanism . . . . . . . . . . . . . . . 133.1
11、General concept. . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Criteria for a chemical reaction mechanism . 143.3 Examples of chemical mechanisms for the troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4 Numerical methods . . . . . . . . . . . . . . 174 Input parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 A
12、pplication examples . . . . . . . . . . . . . . 205.1 Box models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.2 Lagrangian box models. . . . . . . . . . . . 245.3 Eulerian grid models . . . . . . . . . . . . . 306 Error sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Comparability with measured data. .
13、 . . . . . 388 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Annex A Instructions for evaluating chemical mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . 40Annex B Implementation of the chemical part of the balance equations . . . . . . . . . 41Annex C Data for the intercomparison of chemical mechan
14、isms for the troposphere. . . . . . . . . . . . . . . . 57References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63Frhere Ausgabe:11.98 Entwurf,deutschFormer edition: 11/98 draft,inGerman onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Inge
15、nieure, Dsseldorf 1999 2 VDI 3783 Blatt 5 / Part 5VorbemerkungIn der Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) imVDI und DIN Normenausschu erarbeiten Fach-leute aus Wissenschaft, Industrie und Verwaltung infreiwilliger Selbstverantwortung VDI-Richtlinienund DIN-Normen zum Umweltschutz. Diese be-schreib
16、en den Stand der Technik bzw. Stand der Wis-senschaft in Deutschland und dienen als Entschei-dungshilfen bei der Erarbeitung und Anwendung vonRechts- und Verwaltungsvorschriften. Die Arbeits-ergebnisse der KRdL flieen ferner als gemeinsamerdeutscher Standpunkt in die europische technischeRegelsetzun
17、g bei CEN (Europisches Komitee frNormung) und in die internationale technischeRegelsetzung bei ISO (Internationale Organisationfr Normung) ein.Folgende Themenschwerpunkte werden in vier Fach-bereichen behandelt:Fachbereich I Umweltschutztechnik“Produktionsintegrierter Umweltschutz; Verfahrenund Einr
18、ichtungen zur Emissionsminderung;ganzheitliche Betrachtung von Emissionsminde-rungsmanahmen unter Bercksichtigung vonLuft, Wasser und Boden; Emissionswerte frStube und Gase; anlagenbezogene metechni-sche Anleitungen; Handhabung brennbarerStube; Minderung der Exposition gegenber luft-fremden Stoffen
19、am Arbeitsplatz; Umweltschutz-kostenrechnungFachbereich II Umweltmeteorologie“Ausbreitung von Luftverunreinigungen in derAtmosphre; strfallbedingte Freisetzungen;mikro- und mesoskalige Windfeldmodelle; Wech-selwirkung zwischen Atmosphre und Oberfl-chen; meteorologische Messungen; angewandteKlimatolo
20、gie; Lufthygienekarten; human-bio-meteorologische Bewertung von Klima und Luft-hygiene; bertragung meteorologischer DatenFachbereich III Umweltqualitt“Wirkung von Luftverunreinigungen auf Mensch,Tier, Pflanze, Boden, Werkstoffe und Atmosphre;wirkungsbezogene Me- und Erhebungsverfah-ren; Erfassung un
21、d Wirkung mikrobieller Luftver-unreinigungen; Olfaktometrie; UmweltsimulationFachbereich IV Umweltmetechnik“Emissions- und Immissionsmetechnik fr anor-ganische und organische Gase sowie fr Partikel;optische Fernmeverfahren; Messen von Innen-raumluftverunreinigungen; Messen von Boden-luftverunreinigu
22、ngen; Verfahren zur HerstellungPreliminary noteIn the Commission on Air Pollution Prevention ofVDI and DIN Standards Committee (KRdL) ex-perts from science, industry and administration, act-ing on their own responsibility, establish VDI guide-lines and DIN standards in the field of environmentalprot
23、ection. These describe the state of the art in sci-ence and technology in the Federal Republic of Ger-many and serve as a decision-making aid in the pre-paratory stages of legislation and application of legalregulations and ordinances. KRdLs working resultsare also considered as the common German po
24、int ofview in the establishment of technical rules on theEuropean level by CEN (European Committee forStandardization) and on the international level byISO (International Organization for Standardization).The following topics are dealt with in four subdivi-sions: Subdivision I ”Environmental Protect
25、ion Techniques“Integrated pollution prevention and control for in-stallations; procedures and installations for emis-sion control; overall consideration of measures foremission control with consideration given to theair, water and soil; emission limits for dusts andgases; plant-related measurement i
26、nstructions; thesafe processing of combustible dusts; reduction ofexposure to air pollutants in the workplace atmos-phere; environmental industrial cost accountingSubdivision II ”Environmental Meteorology“Dispersion of pollutants in the atmosphere; emis-sions from accidental releases; micro- and mes
27、o-scale wind field models; interaction between theatmosphere and surfaces; meteorological measure-ments; applied climatology; air pollution maps;human-biometeorological evaluation of climateand air hygiene; transfer of meteorological dataSubdivision III ”Environmental Quality“Effects of air pollutan
28、ts on man, farm animals,vegetation, soil, materials, and the atmosphere;methods for the measurement and evaluation ofeffects; determination of microbial air pollutantsand their effects; olfactometry; environmental sim-ulation Subdivision IV ”Environmental Measurement Techniques“Techniques for emissi
29、on and ambient air measure-ments of inorganic and organic gases as well asparticulate matter; optical open-path measurementmethods; measurement of indoor air pollutants,measurement of soil air pollutants; procedures forB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte v
30、orbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1999 VDI 3783 Blatt 5 / Part 5 3 von Referenzmaterialien; Prfplne fr Mege-rte; Validierungsverfahren; Meplanung; Aus-werteverfahren; QualittssicherungDie Richtlinien und Normen werden zunchst alsEntwurf verffentlicht. Durch Ankndigung im Bun-desanzei
31、ger und in der Fachpresse erhalten alleinteressierten Kreise die Mglichkeit, sich an einemffentlichen Einspruchsverfahren zu beteiligen.Durch dieses Verfahren wird sichergestellt, da unter-schiedliche Meinungen vor Verffentlichung der end-gltigen Fassung bercksichtigt werden knnen.Die Richtlinien un
32、d Normen sind in sechs Bndendes VDI/DIN-Handbuches Reinhaltung der Luft zu-sammengefat.Zielsetzung und AnwendungsbereichDiese Evaluierungsvorschrift enthlt Anforderungenan Reaktionsmechanismen zur Modellierung chemi-scher Umwandlungen von Spurengasen in der Tropo-sphre. Fr die meisten Anwendungen is
33、t die Einbin-dung des Reaktionsmechanismus in ein meteorologi-sches Ausbreitungsmodell erforderlich. Dies wird frdrei Modelltypen mit unterschiedlichen Zielsetzun-gen und numerischem Aufwand erlutert. Ebensowerden Beispiele fr die wichtigsten Anwendungenchemischer Ausbreitungsmodelle aufgefhrt.Typis
34、che Anwendungen der hier beschriebenen che-mischen Reaktionssysteme in Kombination mit Aus-breitungsmodellen sind:Durchfhrung von Sensitivittsstudien zur Ab-schtzung der Auswirkung emissionsmindernderManahmen auf die Bildung von Photooxidantienund Radikalen in der TroposphreBerechnung der Konzentrat
35、ion von Ozon und an-derer Photooxidantien whrend Sommersmog-episoden und anderen meteorologischen Periodenohne Niederschlagsbildung in der MesoskalaBestimmung der Lebensdauer von primren undsekundren LuftverunreinigungenAbschtzung der Auswirkungen technischer undraumplanerischer Minderungsmanahmen a
36、ufVo rl ufer von sekundren Luftverunreinigungenim Rahmen von LuftreinhalteplnenGasfrmige Verbindungen knnen direkt aus natr-lichen oder anthropogenen Quellen in die Atmosphrefreigesetzt werden. Sie werden als primre Spuren-oder Schadgase bezeichnet. Im Zuge der chemischenUmwandlung, die durch Gaspha
37、senreaktionen be-stimmt wird, entstehen sekundre Spuren- und Schad-establishing reference material; test procedures formeasurement devices; validation procedures;measurement planning; evaluation methods; qual-ity assuranceThe guidelines and standards are first published asdrafts. These are announced
38、 in the Bundesanzeiger(Federal Gazette) and in professional publications inorder to give all interested parties the opportunity toparticipate in an official objection procedure. Thisprocedure ensures that differing opinions can be con-sidered before the final version is published.The guidelines and
39、standards are published in the six-volume VDI/DIN Reinhaltung der Luft (Air Pollu-tion Prevention) Manual.Scope and objective This evaluation guideline describes the criteria to besatisfied by reaction mechanisms for modeling thechemical reaction dynamics of trace gases in the trop-osphere. For the
40、greater part of the applications, thechemical reaction mechanism will have to be com-bined with a meteorological dispersion model. Thecombination of the chemical and meteorologicalschemes is exemplified by three model types pursu-ing different objectives and differing in the magni-tude of the comput
41、ational task. Furthermore, exam-ples of the major applications of combined chemicaland transport models are given.Typical applications of chemical reaction schemes incombination with dispersion models as presented inthis guideline are:Sensitivity studies to estimate the effect of emis-sion control m
42、easures on the formation of photo-oxidants and radicals in the troposphereCalculation of ozone and other photo-oxidantsduring summer smog and other meteorologicalepisodes without meso-scale formation of precipi-tationDetermination of the lifetime of primary and sec-ondary air pollutantsEstimating th
43、e effect of technological and urbanplanning measures for emission control on precur-sors of secondary air pollutants within the scopeof air pollution control programsGaseous compounds may be directly released into theatmosphere by natural or anthropogenic sources.They are referred to as primary trac
44、e gases or gaseouspollutants. In the course of their chemical transfor-mation, which is dominated by gas-phase reactions,secondary trace gases and gaseous pollutants areB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1999
45、 4 VDI 3783 Blatt 5 / Part 5gase, u.a. Photooxidantien wie z.B. Ozon. Nach heu-tigem Wissensstand sind beim Sommersmog Gaspha-senreaktionen die wichtigsten chemischen Prozesse,die die atmosphrischen Konzentrationen von prim-ren und sekundren Spurengasen bestimmen. Hetero-gene Prozesse oder Umwandlun
46、gen in der wrigenPhase werden deshalb nicht betrachtet.Zur Berechnung der Bildung und des Abbaus der se-kundren und primren Spurengase ist ein chemi-scher Reaktionsmechanismus erforderlich, der dierelevanten chemischen Prozesse in der Atmosphreerfat. Aus dem chemischen Reaktionsmechanismuswerden Bil
47、anzgleichungen fr die vorkommendenKomponenten abgeleitet. Diese Bilanzgleichungensind an geeignete meteorologische Modelle anzukop-peln und mit numerischen Methoden zu lsen.Die Auswahl der in einem chemischen Mechanismusbercksichtigten Reaktionen enthlt bereits Annah-men ber bliche Spurenstoffkonzen
48、trationen unddie daraus resultierende relative Wichtigkeit von che-mischen Umwandlungsprozessen. Die Evaluierungs-vorschrift bezieht sich nur auf chemische Mechanis-men fr bliche Bedingungen in der kontinentalen,sauberen oder belasteten Troposphre. Sie ist nichtanwendbar auf Prozesse in unmittelbare
49、r Nhe einerSchadstoffquelle, in einer Smogkammer oder einemReaktionsgef. Sie geht insbesondere davon aus,da die Luft nicht so verschmutzt ist, da Stickoxideoder lngerkettige Kohlenwasserstoffe mitMischungsverhltnissen grer als 1 ppm vorliegen.Diese Reaktionsmechanismen beziehen sich daherauf die mittlere Zusammensetzung der kontinentalenTroposphre mit geringer bis miger Verschmut-zung und mit einer dafr typischen Spurengaszusam
