DACH-4

Amino acids are key substances in biological activities and can be emitted into the atmosphere as constituents of primary aerosols. Understanding the radical kinetics of amino acids is necessary to evaluate their atmospheric effects. In the present study, the hydroxyl radical (OH) reaction kinetics of glycine, alanine, serine and threonine were investigated in the aqueous phase. The temperature and pH dependent rate constants were measured by a laser flash photolysis-long path absorption setup using the competition kinetics method. Based on the measurements and speciation calculations, the OH radical reaction rate constants of the fully protonated (H₂A⁺) and neutral (HA^±) form were determined. The following T-dependent Arrhenius expressions were derived for the OH radical reactions with glycine, k(T, H₂A⁺) = (9.1 ± 0.3) × 10⁹ × exp[(-2360 ± 230 K)/T], k(T, HA^±) = (1.3 ± 0.1) × 10¹⁰ × exp[(-2040 ± 240 K)/T]; alanine, k(T, H₂A⁺) = (1.0 ± 0.1) × 10⁹ × exp[(-1030 ± 340 K)/T], k(T, HA^±) = (6.8 ± 0.4) × 10¹⁰ × exp[(-2020 ± 370 K)/T]; serine, k(T, H₂A⁺) = (1.1 ± 0.1) × 10⁹ × exp[(-470 ± 150 K)/T], k(T, HA^±) = (3.9 ± 0.1) × 10⁹ × exp[(-720 ± 130 K)/T]; and threonine, k(T, H₂A⁺) = (5.0 ± 0.1) × 10¹⁰ × exp[(-1500 ± 100 K)/T], k(T, HA^±) = (3.3 ± 0.1) × 10¹⁰ × exp[(-1320 ± 90 K)/T] (in units of L mol^-1 s^-1).

The density functional theory calculation was performed using GAUSSIAN to simulate the energy barriers (E_Barrier) of OH radical induced H-atom abstraction. According to the simulated results, amino and carboxyl group increase the E_Barrier at the adjacent C‑atom and thus reduce the OH radical reactivity. Hydroxide and methyl group decrease the E_Barrier at the adjacent C-atom, leading to an increase in the OH radical rate constant.

How to cite: Wen, L., Schaefer, T., and Herrmann, H.: Investigation of OH radical kinetics with glycine, alanine, serine and threonine in the aqueous phase, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-147, https://doi.org/10.5194/dach2022-147, 2022.

Oxidative potential (OP) assays are feasible methods to comprehensively understand how exposure to atmospheric chemical components can influence the formation of reactive oxygen species (ROS) in the human body. The increase of ROS concentration can enhance the oxidation of numerous components, such as of the DNA, proteins, and lipids, which cause mutations and cell damage, leading to respiratory illness. According to available studies, the mechanisms of PM-related health effects are not totally understood. The aim of the present study is to assess which available assays are suitable for evaluating the OP of different Mineral dust (MD) samples and what limitations may apply to either method. Cell-free assays are assessed including methods based on the interaction of ascorbic acid (AA) and dithiothreitol (DTT) with soluble aerosol chemical components.

Oxidative potential experiments were carried out on both commercially available standard solutions, ultrapure water (DTT) and buffer solution (AA), as well as on soluble extracts of one-quarter filter samples obtained using both shaking and ultrasound procedures. Most limitations were related to high concentrations of transition metals in the buffer solution composition, which was treated using Chelex 100 sodium resin. Transition metals were strongly correlated to both methods, such as Ti, Cr, V, and Mn for DTT assays, and Fe, and Sr for AA assay. The mineral dust OP values were lower than the OP of particulate matter samples from urban metropolitan centers. Such results could be related to the fewer metal and quinone concentrations in the MD samples in comparison to the urban sample. DTT assay has shown more sensibility to the MD content compared with AA chemical procedure. These assays contribute to building an impact-evaluation model for assessing the variation of MD OP based on its different chemical composition.

How to cite: dos Santos Souza, E. J., Wadinga Fomba, K., Deabji, N., and Herrmann, H.: Oxidative potential of mineral dust particles: A focus on chemical components and cell-free assay, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-295, https://doi.org/10.5194/dach2022-295, 2022.

Atmosphärische Aerosolproben aus der Gas- und Flüssigphase bestehen aus zahlreichen organischen Substanzen. So beinhaltet sekundäres organisches Aerosol (SOA) bis zu 100 000 verschiedene organische Substanzen, welche durch Oxidation von biogenen und anthropogenen volatilen organischen Verbindungen (VOC) gebildet werden. Einige davon können zusammen mit Metallkationen von Eisen, Kupfer oder Mangan Komplexe in Aerosolpartikeln ausbilden. Solche Komplexe können photochemische Umwandlungsreaktionen auslösen und tragen zur verbesserten Löslichkeit von Metallionen in die atmosphärische Flüssigphase bei. Komplexbildner sind deswegen wichtige, aber nur schwer identifizierbare, organische Bestandteile von Aerosolpartikeln. In dieser Studie haben wir eine Flüssigkeitschromatographie mit hochauflösender Massenspektrometrie (LC/HR-MS) gekoppelt um ein Non-Target-Screening (NTS) durchzuführen, der den selektiven Nachweis von Komplexbildnern in Aerosolpartikelextrakten ermöglicht. Hierfür wurde ein T-Stück zwischen LC Auslass und der Ionenquelle eingebaut um eine Nachtrennsäulen-Komplexierung mit einer 155 µM FeCl₃ Lösung umzusetzen. Anschließend werden die erhaltenen Massenspektren auf die drei charakteristischen Eisenkomplexe [M-H+FeCl₃]^-, [M-2H+FeCl₂]^- und [M-3H+FeCl]^- untersucht, dabei betragen die Massenunterschiede (∆m/z) zwischen dem Signal des jeweiligen Komplexbildners und des Eisenkomplexes 160,8416, 124,8648 und 89,8959. In Aerosolpartikelproben aus Deutschland und China konnten bis zu 29 verschiedene Di- und Tricarbonsäuren als Komplexbildner nachgewiesen werden, selbst bei niedrigen Extrakt Konzentrationen von nur 50 nM. Ohne Nachtrennsäulen-Komplexierung mit Eisen werden noch 13 Komplexbildner identifiziert, welche durch Hintergrund Eisenspuren aus dem Analysesystem komplexiert werden. Zumindest für die am höchsten konzentrierten Komplexbildner ist der vorgeschlagene Screening-Ansatz somit auch ohne Geräteumbau anwendbar, besonders attraktiv ist dies für den Einsatz in der Routineanalytik. Neben Carbonsäuren wurden 4-Nitrophenol und 4-Nitrocatechol als weitere Komplexbildner in Regenwasserproben entdeckt, was die Anwendbarkeit der Methode auf andere Matrices und auf eine Reihe verschiedener Komplexbildner zeigt. 

How to cite: Beck, J., Brüggemann, M., van Pinxteren, D., and Herrmann, H.: Ein non-target Ansatz zur Identifizierung von Komplexbildnern in atmosphärischen Aerosolen und Regenwasser, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-158, https://doi.org/10.5194/dach2022-158, 2022.

Aerosol particles are important constituents of the atmosphere due to their role in controlling climate-related processes. In addition, their impacts on air quality and human health make it essential to study. However, the characterization and the identification of natural and anthropogenic atmospheric particles can be challenging due to the complex mixture occurring during atmospheric transport. Background locations such as high-altitude sites provide valuable infrastructure for obtaining representative data for understanding various pathways for aerosol interactions useful in assessing atmospheric composition. However, information about aerosol characteristics at high-altitude in the African regions and their relation to urban aerosol composition is still not well understood. In the present study, PM₁₀ and PM_2.5 particulate matter was characterized at two different sites in the North African region of Morocco. A background site located at the newly established AM5 research station in the Middle Atlas region at an altitude of 2100 m and an urban site situated in a polluted city, Fez. The goal was to determine chemical components, evaluate Saharan dust’s role on the PM10 concentrations between the sites, and assess the impact of urban pollution on background aerosol composition. The results indicate that the background aerosol composition is influenced by both regional and trans-regional transport. Despite the site's proximity to the Sahara Desert, the deserts influence on the atmospheric composition was observed for only 22% of the time and this was mainly seasonal. Marine air masses were more dominant with a mixture of sea salt and polluted aerosol from the coastal regions especially during wintertime. Furthermore, high concentrations of mineral dust were observed during the daytime due to the resuspension of road dust. At the same time, an increase of PAHs and anthropogenic metals such as Pb, Ni, and Cu were found during the nighttime because of the boundary layer variation. The Fez's urban site is characterized by a high contribution of elemental carbon (6%) and organic biomass tracers (3%) such as Levoglucosane and 4-nitrophenol.

How to cite: Deabji, N., Fomba, K. W., dos Santos Souza, E. J., and Herrmann, H.: Source identification of aerosol chemical composition in the Atlas region of North Africa., DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-259, https://doi.org/10.5194/dach2022-259, 2022.

Although urban air pollution is on the decline in central Europe, it still causes several hundreds of thousands of premature deaths per year. The EU standards of atmospheric aerosol particle mass concentrations PM10 and PM2.5 (µg m^-3) have not been exceeded anymore in Germany in 2020, yet there is a rather large uncertainty about the toxicity of particle number concentrations PN (cm^-3), for which no legal limits are established. High PN concentrations are typically caused by the exhaust of motorized road vehicles. From 2019 through 2021, national lockdowns in response to the COVID-19 pandemic resulted in reduced human activity. The traffic intensity was heavily reduced, which should have led to an equally strong reaction of the urban aerosol particle concentrations, specifically the PN concentrations. For NO_x and PM10, it has been shown for sections of central Europe that the decrease of urban concentrations was not as intense as expected by traffic reduction, because lockdowns coincided with periods of low wind speeds and poor atmospheric exchange conditions. We performed meteorological and air chemistry measurements with an instrumented cargo bicycle before, during, and after the COVID-19 lockdown periods in Münster, Germany. During each ride, two circular routes around the city center were realized, a high-traffic route and a low-traffic route. A complex picture emerged with varying impact of the day of the week, selection of route, meteorological conditions, and traffic intensity driving the PN and PM concentrations. Single-ride high-resolution analysis showed convincingly that the multitude of exhaust plumes from motorized vehicles exerted a strong impact on the PN concentrations. A relative importance analysis was performed on the entire dataset. According to the statistical analysis, PM10 responded most to the day of the week. Although the traffic intensity was also low on weekends, the impact of traffic on PM10 was rather low. Presumably, PM10 responded either to a specific traffic component such as commercial, low-duty vehicles, or to other business with weakly cycles such as construction activity. The meteorological conditions exert impact mostly through the relative humidity, which affects particle growth and reduction of the PN concentration. The role of the lockdowns was quite little overall. For future research, a more complete coverage of the seasons of the year is recommended as well as the inclusion of NO_x measurements on board of the cargo bicycle. 

How to cite: Klemm, O., Berger, D. F., Breuer, B., Buchholz, S., Ehrnsperger, L., Paas, B., and Schaller, C.: Studies of urban aerosol particle number and mass concentrations with a mobile platform: The roles of COVID-19, traffic, and meteorology, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-193, https://doi.org/10.5194/dach2022-193, 2022.

Ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm können schon in kleinen Konzentrationen gesundheitsgefährdend sein. Messungen an Triebwerken zeigen, dass Flugzeuge eine bedeutende Quelle für Ultrafeinstaub sind (Stacey, 2019). Auch in der Umgebung von Flughäfen wurden hohe Ultrafeinstaubkonzentrationen gemessen, allerdings ist es häufig schwierig, den gemessenen Feinstaub dem Flugverkehr zuzuordnen, da auch Fahrzeuge Ultrafeinstaub emittieren. Im Unterschied zu Fahrzeugmotoren, die in unterschiedlichen Takten arbeiten, laufen Flugzeugtriebwerke kontinuierlich. Die Verbrennung in Flugzeugtriebwerken verläuft nahezu vollständig und unterscheidet sich im Emissionsverhalten von Fahrzeugmotoren. Ein Ansatz zur Quellzuordnung kann daher darin bestehen, die Verteilung der zusätzlich zum Feinstaub emittierten Substanzen zu bestimmen.

Wir haben mit unserem mobilen Messlabor MobiLab die Verteilung von Ultrafeinstaub und anderer Flugzeugemissionen innerhalb und in der Umgebung des Düsseldorfer Flughafens bestimmt, um die Ultrafeinstaubbelastung am Flughafen und in den angrenzenden Wohngebieten zu untersuchen. Die Gesamtzahl der ultrafeinen Partikel ab einem Durchmesser von 2.5 nm wurde mit einem Nano-CPC (TSI 3788) gemessen. Zusätzlich wurde die Partikelgrößenverteilung sowie die Mischungsverhältnisse von Luftschadstoffen wie Stickoxide (NO_x), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefeldioxid (SO₂) sowie von klimarelevanten Gasen wie Kohlendioxid (CO₂) und Distickstoffmonoxid (N₂O) in Sekundenauflösung bestimmt. Die Messungen während der Fahrt ermöglichten eine genaue Kartierung der räumlichen Verteilung dieser Spurenstoffe. Bei den Messfahrten konnten einzelne Abgaswolken bestimmten Flugzeugen zugeordnet werden. Es zeigte sich, dass die Flugzeuge während des Startes und der Landung pro emittiertem CO₂ mehr Ultrafeinstaub und SO₂ abgeben. N₂O  kann in den Drei-Wege-Katalysatoren von PKW mit Ottomotor gebildet werden, in denen NO mit CO oder Kohlenwasserstoffen reagiert. Im Flugzeugabgas wurde kein N₂O detektiert (siehe Abbildung 1). Die höchsten Ultrafeinstaubkonzentrationen wurden im Flughafenbereich gemessen. Neben den Flugzeugen trägt hier auch der Flughafenverkehr zur Ultrafeinstaubbelastung bei. Eine Unterscheidung ist durch das gleichzeitig emittierte N₂O möglich.

Abbildung 1: Zeitlicher Verlauf der Konzentration von Ultrafeinstaub und anderer Emissionen bei Start und Landung verschiedener Flugzeuge (links, in grau markiert von einem Airbus A3191 mit einem CFM56-5B6/3-Triebwerk) und am Flughafenterminal (rechts). Die Emissionen von Fahrzeugen sind duch die N₂O Peaks zu erkennen.

Abbildung 2: MobiLab

Referenz:

Stacey, B. (2019). Measurement of ultrafine particles at airports: A review, Atmos. Environ., 198, 463-477, doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2018.10.041.

How to cite: Wegener, R., Dubus, R., Rohrer, F., Wahner, A., and Klemp, D.: Mobile Messungen zur Quellcharakterisierung von Ultrafeinstaub am Flughafen Düsseldorf, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-213, https://doi.org/10.5194/dach2022-213, 2022.

The trend in PM₁₀ concentrations in Europe has stagnated over the last two decades, showing only limited annual changes even though there are continued reductions in PM emissions. Possible reasons could be linked to both the aging processes of the particles in the atmosphere and their long-range transport. Therefore, better understanding the multiple origins of the atmospheric aerosol, their sources apportionment at different places are necessary for the development of efficient mitigation strategies. The ultimate objective of the project TRACE is to assess the transport and transformation of atmospheric aerosol across Central Europe with emphasis on anthropogenic sources (including coal and wood combustion) using synergic measurement methods (offline and online) and state-of-the art modelling tools including receptor-oriented models and Chemical transport models. Measurements were performed during winter and summer periods in 2021 simultaneously at three sampling places (Melpitz, DE, Kosetice, CZ, and Frydland, CZ) using state-of-the-art online and offline comprehensive chemical characterization of the atmospheric aerosol. Preliminary results from Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) showed peaks as high as 50 µg/m³ mass concentration during a dust event. Moreover, results from Aerosol Mass Spectrometer (AMS) and receptor modeling (RF) via Positive Matrix Factorization (PMF) from the winter campaign will be presented. 

How to cite: Arora, S., Lhotka, R., Ondracek, J., Pokorna, P., Poulain, L., and Herrmann, H.: Transport and transformation of atmospheric aerosol across Central Europe with emphasis on anthropogenic sources, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-201, https://doi.org/10.5194/dach2022-201, 2022.

Die Emissionsänderungen aufgrund des COVID-19 Lockdowns stellten zweifellos die stärkste Reduktion seit Jahrzehnten dar. Besonders betroffen waren die Bereiche Straßen- und Luftverkehr, aber auch die Bereiche Industrie und Energieerzeugung. Durch Rekonstruktion der Emissionsänderungen und unter Zuhilfenahme von Chemietransportrechnungen lässt sich der Einfluss des Lockdowns auf verschiedene Luftschadstoffe systematisch quantifizieren. Dies ist in einigen Studien für die europäische Region schon diskutiert worden. In unserem Beitrag wollen wir allerdings untersuchen, inwiefern meteorologische Bedingungen die Lockdown-Phase beeinflusst haben.

Für die Berechnung der Luftchemie und der aerosolphysikalischen Prozesse greifen wir auf das Chemietransportmodell CMAQ zurück, welches vom globalen IFS-CAMS Modell angetrieben wird und mit einem Mehrfachnesting die zentraleuropäische Region simuliert. Die Emissionen werden auf Grundlage des Datensatzes CAMS REG-AP-EU (verfügbar auf der ECCAD-Webseite) erstellt. Dabei wird ein Basis-Emissionszenario (normale Emissionen ohne Lockdown Effekte, ‚noCov‘) für das Jahr 2020 rekonstruiert und ebenso ein Lockdown-Szenario, welches anhand verschiedener Indikatoren (u.a. google mobility reports, air traffic reports) den lockdownbedingten Emissionsrückgang abbildet. Zusätzlich zum Emissionsszenario wird in unserer Untersuchung die Lockdown-Situation in solchen Jahren nachgestellt, die sich atmosphärisch vom Jahr 2020 unterscheiden. 

Wir analysieren die zeitliche und räumliche Verteilung der Konzentrationen von Stickstoffverbindungen, Ozon und PM2.5 und bewerten den Einfluss der atmosphärischen Dynamik auf die Luftchemie. Diese Vorgehensweise ist deshalb von Bedeutung, weil sich nicht alle simulierten bzw. beobachteten Konzentrationsfelder immer allein durch den Einfluss einer Emissionsminderung (COVID) erklären lassen.

How to cite: Petrik, R., Quante, M., Matthias, V., Arndt, J., Fink, L., Badeke, R., and Wedemann, R.: Einfluss der Atmosphärendynamik auf die Luftqualität in Zentraleuropa während des COVID-19 Lockdowns, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-303, https://doi.org/10.5194/dach2022-303, 2022.

Biogene flüchtige organische Verbindungen (BVOCs) sind allgegenwärtig, vielfältig und werden in der Atmosphäre sehr schnell oxidiert. BVOCs werden in großen Mengen durch Pflanzen, insbesondere Bäume, emittiert. Zu den BVOCs gehören Isopren, eine Vielzahl an Monoterpenen, Sesquiterpenen und sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen (z.B. Methanol). Infolge ihrer schnellen Oxidation durch Ozon, OH- und NO₃-Radikale beeinflussen sie die chemische Zusammensetzung der Troposphäre. Die Oxidation der BVOCs verringert deren Flüchtigkeit, wodurch sie in der Lage sind auf bereits bestehende Partikel zu kondensieren oder neue Partikel zu bilden. Partikelneubildung und Kondensation führen zur Bildung von sekundärem organischen Aerosol (SOA). BVOCs nehmen demnach eine Schlüsselfunktion in Bezug auf Partikelwachstum und Bildung in der atmosphärischen Grenzschicht ein, wodurch sie maßgeblich die Partikelanzahl- und Partikelgrößenverteilung beeinflussen. Diese wirken sich nicht nur auf die Strahlung, sondern auch auf die Wolken- und Regenbildungsprozesse aus, denn für Wolkenkondensationskeime (CCNs) müssen Partikel eine bestimmte Größenordnung erreichen. Aber nicht nur die Größe, sondern auch die chemische Zusammensetzung ist entscheidend.

Sowohl die Emissionsstärke als auch Zusammensetzung der durch Pflanzen emittierten BVOCs ist artspezifisch, sodass die Auswirkungen auf die chemische Zusammensetzung der Troposphäre divers sind. Es gibt zahlreiche Faktoren, welche die BVOC-Emissionen beeinflussen und in Modellen berücksichtigt werden müssen, unter anderem die Meteorologie (strahlungs- & temperaturabhängig), der Emissionsalgorithmus an sich und die verwendete Landnutzung. Die chemische Umwandlung und die SOA-Bildung hängen hingegen von dem verwendeten Mechanismus, welcher die chemischen Reaktionen in der Atmosphäre beschreibt und dem SOA-Modul ab.

Hier wird der Einfluss der Landnutzung und des Chemiemechanismus, inklusive SOA Modul, auf die SOA-Konzentration und Zusammensetzung vorgestellt. Es wurden Simulationen mit zwei Landnutzungsdatensätzen und Chemiemechanismen durchgeführt. Einer der Landnutzungsdatensätze enthält Information über 10 verallgemeinerte Landnutzungsklassen wie Misch- und Nadelwald während der andere Datensatz Information über 116 Baumarten und 22 weitere Landnutzungsklassen enthält. Es wird gezeigt, dass die Verwendung von verallgemeinerten Landnutzungsklassen zu einer Überschätzung der BVOC-Emissionen für Deutschland führen (50%), was regional zu 60% höheren SOA Konzentrationen in der bodennahen Modellschicht führt. Für die Analyse der chemischen Vorgänge wurde ein neuer Chemiemechanismus URMELL (Urban & Remote chemistry ModELLing) entwickelt, welcher auf MOZART basiert, aber sowohl hinsichtlich anthropogener als auch biogener Substanzen deutlich verbessert wurde und eine direkte SOA-Bildung berücksichtigt. Dadurch können die einzelnen Reaktionspfade direkt nachvollzogen, Quellen identifiziert und genauere Informationen über die SOA Zusammensetzung geliefert werden. Als Vergleich dient der bisher verwendete Mechanismus RACM und ein auf dem 2-Produkt-Ansatz basierendes SOA Modul.

How to cite: Luttkus, M., Hoffmann, E., Poulain, L., Tilgner, A., and Wolke, R.: Biogene flüchtige organische Verbindungen und deren Einfluss auf die SOA Bildung, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-35, https://doi.org/10.5194/dach2022-35, 2022.

Atmospheric transport models are often used to simulate the distribution of Greenhouse Gases (GHGs) for atmospheric inverse modeling. However, errors in simulated transport are often neglected in the context of inverse flux estimation. We coupled the commonly used Weather Research and Forecasting (WRF) model with the greenhouse gas module (WRF-GHG), to enable passive tracer transport simulation of CO₂ and CH₄. As a mesoscale numerical weather prediction model, WRF’s transport is only constrained by global meteorological fields via initialization and at the lateral boundaries; over time the winds in the center of the domain can deviate considerably from these (re-)analysis fields that are constrained by observations. The aim of this study is to have the WRF-simulated transport represent reality as closely as possible, which in this case means staying consistent with the (ERA5) reanalysis fields used as boundary conditions.

Therefore, two ways of blending ERA5 with WRF-GHG were tested: (a) regularly restarting the model with fresh initial conditions from ERA5, and (b) nudging the atmospheric winds, temperatures, and moisture to those from ERA5 continuously, using the built-in FDDA option (four-dimensional data assimilation). FDDA constantly forces the model towards the physical reference state (ERA5) by adding an additional tendency term at each grid point and time step.

Meteorological variables, as well as the concentrations of CO₂ and CH₄, were analyzed by comparing with observations. We also compared mixed layer heights (PBLH) with radiosonde-derived observation. We found that performance in horizontal winds and PBLH are slightly better in the nudged simulation (NS) compared to the simulation incorporating frequent restarts (RS). The advantage of grid-nudging is notable when comparing CH₄ with aircraft measurements from the CoMet campaign. However, differences in soil moisture increase over time, as soil moisture is not used for nudging. The consequence is a change in the Bowen ratio and thus in vertical mixing, impacting the distribution of GHG tracers in general.

To preserve the benefits of nudging and avoid the divergence of soil moisture, we recommend a hybrid approach, combining nudging with daily re-initializations. This technique will be used in an ensemble-based regional inversion system currently under development to make use of satellite-based measurements of GHGs.

How to cite: Ho, T.-H., Gałkowski, M., Marshall, J., Totsche, K. U., and Gerbig, C.: Reducing transport errors in WRF modeling of greenhouse gas distributions through a combination of grid-nudging and regular restarts, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-120, https://doi.org/10.5194/dach2022-120, 2022.

Die Emission von Dimethylsulfid (DMS) aus den Ozeanen in die Atmosphäre ist die größte natürliche Schwefelquelle. Daher ist die Oxidation von DMS der wichtigste Faktor für die Bildung natürlicher Sulfatpartikel und den natürlichen Strahlungshaushalt der Erde. Die Bedeutung der Multiphasenchemie für die DMS-Oxidation ist unbestritten, insbesondere für die Bildung von Methansulfonsäure (MSA). MSA kann die Bildung neuer natürlicher Partikel wirksam unterdrücken. Dies wird jedoch in den aktuellen Klimachemiemodellen vernachlässigt. Oft wird die DMS-Oxidation durch drei Reaktionen vereinfacht, obwohl bewiesen ist, dass viel mehr Reaktionen wichtig sind, um die Multiphasenchemie von DMS genau darzustellen.
In dieser Studie wurde die im Klimachemiemodell ECHAM-HAMMOZ implementierte Gasphasen-DMS-Chemie erweitert. Darüber hinaus wurde erstmals die Chemie der MSA-Bildung in deliqueszenten Aerosolpartikeln durch die Implementierung eines reaktiven Aufnahmekoeffizienten realisiert. Es wurden erste Simulationen für das Jahr 2017 durchgeführt, um den neuen Mechanismus zu testen. Es wurden Sensitivitätsstudien durchgeführt, indem der Aufnahmekoeffizient variiert wurde, um die entsprechenden Auswirkungen auf die MSA-Bildung zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine Simulation mit der alten Parametrisierung, wie sie im Aerosolmodul HAM enthalten ist, durchgeführt. Aus den verschiedenen Schemata wurden starke Unterschiede hinsichtlich der Ausbeute an MSA, SO₂ und H₂SO₄ und der anschließenden Bildung von Sulfat simuliert. Es konnte gezeigt werden, dass die Berücksichtigung der reaktiven Aufnahme zu einem besseren Vergleich der simulierten mit den Feldmessungen für MSA führt. 
Insgesamt weisen die Simulationen auf die Bedeutung einer detaillierteren DMS-Oxidation hin, da die Bildung von Zwischenprodukten zu starken Veränderungen bei der Simulation des arktischen Strahlungsantriebs führt. Darüber hinaus treiben multiphasenchemische Prozesse die Bildung von MSA in der Gasphase an und beeinflussen die simulierte Sulfatkonzentration, insbesondere im südlichen Ozean.

How to cite: Hoffmann, E. H., Heinold, B., Tilgner, A., and Herrmann, H.: Modellierung der Multiphasenchemie von Dimethylsulfid in ECHAM-HAMMOZ, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-173, https://doi.org/10.5194/dach2022-173, 2022.

Biomass burning (BB) is a significant contributor to air pollution on global, regional and local scale with impacts on air quality, public health and climate. Anhydrosugars and methoxyphenols are key tracers emitted through BB. Once emitted, they can undergo complex multiphase chemistry in the atmosphere contributing to secondary organic aerosol (SOA) formation. However, their chemical multiphase processing is not yet well understood and investigated by models. Thus, the present study aimed at a better understanding of the multiphase chemistry of these BB tracers by detailed model studies with a new developed CAPRAM biomass burning module (CAPRAM-BBM).This module was developed based on the kinetic data from our laboratory measurements at TROPOS and other literature studies. The developed CAPRAM-BBM includes 2991 reactions (9 phase transfers and 2982 aqueous-phase reactions). By coupling with the multiphase chemistry mechanism MCMv3.2/CAPRAM4.0 and the extended CAPRAM aromatics (CAPRAM-AM1.0) and halogen modules (CAPRAM-HM3.0), itis being applied for residential wood burning cases in Europeand wildfire cases in the US. Our model results show that levoglucosan and vanillin are effectively oxidized under cloud conditions. Furthermore, the results demonstrate that the chemistry of BB tracers can affect the budgets of key oxidants such as H₂O₂, and contribute to the SOA formation especially by increasing the fraction of brown carbon and substituted organic acids.

How to cite: He, L., Hoffmann, E. H., Tilgner, A., and Herrmann, H.: Modeling the Tropospheric Multiphase Chemistry of Biomass Burning Trace Compounds Using the Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism (CAPRAM), DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-171, https://doi.org/10.5194/dach2022-171, 2022.