Modellierung des Luftschadstofftransports zwischen Mesoskala und urbaner Mikroskala

Hochaufgelöste Luftqualitätssimulationen für urbane Räume beinhalten typischerweise eine verkettete Modellanwendung auf der Mesoskala und der Mikroskala. Letztere Skala ermöglicht mittels gebäudeauflösender Gitterweiten eine explizite Darstellung des turbulenten Transports, welche aber sehr rechenintensiv ist und daher in der praktischen Anwendung meist auf einzelne Stadtbereiche limitiert ist. Die Skalenlücke zwischen mesoskaligen horizontalen Gitterweiten (untere Grenze etwa 1km) und Gebäudeauflösung (wenige Meter) ermöglicht prinzipiell eine Kompromissfindung zwischen Genauigkeit und Rechenzeit der Simulation. Durch den Gegensatz zwischen expliziter Darstellung und Parameterisierung von Prozessen, als auch durch die uneinheitliche Repräsentation von Gebäudeeffekten im Modell, stellt diese Skalenlücke jedoch eine Grauzone in der Modellierung dar. 
In dem urbanen Dispersionsmodell CAIRDIO wird ein Ansatz verfolgt, Gebäude als diffuse Strukturen bei horizontalen Auflösungen im Bereich von etwa 20m - 50m darzustellen. Die diffusen Gebäude modifizieren durch die Einschränkung der effektiven Gitterzellen-Volumina und Austauschflächen auf konsistente Art die Erhaltungsgleichungen für den advektiven Transport. Turbulente Prozesse innerhalb der Rauhigkeitsschicht sind durch die diffusive Mischungslänge, welche in der Größenordnung von typischen Gebäudehöhen liegt, überwiegend parameterisiert. Darüber kann die Grenzschichtdynamik je nach Stabilität mit solchen Gitterweiten weiterhin explizit dargestellt werden. Die großräumige Orographie wird im Modell mittels eines bodenfolgenden Koordinatensystems berücksichtigt. Damit können auch Einflüsse des städtischen Umlandes in die hochaufgelöste Luftqualitätssimulation ganzer Städte einfließen, bzw. gestaltet sich die Simulation von Städten in Tallagen damit wesentlich numerisch effizienter. 
Die bisherige Anwendung von CAIRDIO erfolgte als nachgeschaltetes Downscaling-Modell für das mesoskalige Chemie-Transport-Modell COSMO-MUSCAT, welches vom meteorologischen Modell COSMO angetrieben wird. Es werden Simulationsergebnisse dieser kombinierten Anwendung für ausgewählte mittelgroße Städte präsentiert. Dabei werden die komplexen Zusammenhänge zwischen Bebauung, Orographie, Grenzschichtdynamik und Luftschadstoffkonzentration mittels geeigneter Sensitivitätsstudien diskutiert.