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Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter

Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter

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  • Folie 1
  • Atmosphrenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter
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  • Themen Atmosphrenchemie Umwandlungsprozesse atmosphrischer Spurenstoffe Modellierung Methode zur Beschreibung / Aufklrung von Vorgngen
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  • Inhalte (1) Was sind Modelle ? Modelltheorie Was kann berhaupt dargestellt werden ? Erkenntnistheorie, Wissenschaftstheorie, Werkzeuge: Expertensysteme, Fuzzy logic, Genetische Algorithmen, Zellulre Automaten, Autonome Agenten, Finite Elemente Skalen: Streetcanyon-modelling Stadt-Umland (urban- airshed) regional kontinental global (GCM)
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  • Inhalte (2) Modellierte Aspekte: Ausbreitung; Umwandlung; Z.B. Ozonbildung, Versauerung, stratosphrisches "Ozonloch" Anwendungen Klimaforschung Ozonforschung Ausbreitungs- rechnungen Integrierte Modelle (RAINS) Modellunsicherheit, Aussagegrenzen, Interpretationen Wirkungen auf Umweltgesetzgebung und -verordnungen
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  • Zentrale Unterlagen M.Z. Jacobson: Fundamentals of Atmospheric Modeling. Cambridge University Press, 1999. J.H. Seinfeld, S.N. Pandis: Atmospheric Chemistry and Physics. John Wiley & Sons, New York, 1997.
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  • Erkenntnistheorie Heinz v. Frster, Wissen und Gewissen, Suhrkamp, 2000 Carl Sagan, Is there life on Earth ? Nature 365, 694 (1993) Douglas Hofstadter, Goedel, Escher, Bach, Klett- Cotta, 1979 Werner Heisenberg, Quantentheorie und Philosophie, Reclam 1979; Hermann Haken, Synergetik, Springer, 1990, James Lovelock, The Ages of Gaia, W.W. Norton, 1988.
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  • ein Modell
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  • Was sind Modelle ?
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  • Modelltheorie Nachbildung eines Systems: Teil der Wirklichkeit Minimum: 2 Komponenten + Interaktion also: Modelle bilden Teil der Wirklichkeit nach Vereinfachung auf Funktion des Systems
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  • Arten von Modellen Mechanistisch / analytisch zeigt Verhalten des Systems beschreibt innere Zusammenhnge Kausalitt bleibt gewahrt Empirisch / statistisch black box Input /output Relationen werden bercksichtigt
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  • Funktion eines Modelles Modelle werden gewhnlich induktiv (aus Medaten) abgeleitet Modell mu ber die getesteten Werte (Muster) hinaus Gltigkeit besitzen
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  • Modellbau Problemformulierung Annahmen ber das System Darstellung der [mathematischen] Verbindungen im System [Programmierung] Validierung
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  • z.B. Kohlenstoffkreislauf Quelle: Austrian Carbon Balance Model (ACBM)
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  • EXKURS Modellbau in der Verfahrenstechnik: Zur Planung und Darstellung der Zusammenstellung von Anlagenteilen Als bergang vom Labormastab zur Pilotanlage (=Technikum). Upscaling erforderlich! Strmungskanle
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  • GG1
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  • GG2
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  • Bay Model http://www.spn.usace.army.mil/bmvc/
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  • Bay area model
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  • Bay area - rivers
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  • Bay area map
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  • Wissenschaftliche Kriterien Richtigkeit Nachvollziehbarkeit Modellunsicherheit
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  • Skizze Validierung Elemente eines nicht validierten Modelles Elemente eines validierten Modelles
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  • Proprietary models Nicht zugnglich Nicht extern validierbar Weniger zuverlssig Weniger glaubwrdig ffentlicher Zugang zu Software !
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  • Reproduzierbarkeit Unsicherheit des Modelles Unsicherheit der Validierung Unsicherheit des gewhlten Modellansatzes
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  • Detaillierungsgrad Erhhung des Inputs so lang, wie Genauigkeit der Ergebnisse verbessert wird Weitere Details durch Art des Modells, Art der Inputdaten nicht sinnvoll, da zu keiner Verbesserung des Ergebnisses fhrend
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  • Wann ist ein Modell erfolgreich ? einfach mehrfache Einsatzgebiete praktische (verkaufbare) Anwendung Bestechende, schne Mathematik monokausal
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  • Erfolgreiche Modelle Gleichgewichte lineare nderungen deterministisch charakterisierbare nderungen zyklische Vorgnge ? ? ?
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  • Schne Lsungen erfolgreich, weil... die Natur einfach gebaut ist ? weil... der Mensch einfache Muster entwickeln und verwenden kann ? Ergebnisse entsprechen dem menschlichen Denkmuster ! (sthetik der Naturwissenschaften) Blickwinkel des Beobachters
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  • Erfindung schner Lsungen Differenzialgleichungen: Trennung der Variablen (=unabhngige Betrachtung von Einzelphnomenen) Mathematik: Koordinatentransformation Willkrliche Auswahl der Systemgrenzen Physik: grand unified theory
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  • Systemgrenzen: Individuum Hofstadter: Tante Ameisenkolonie Lovelock: GAIA - Hypothese Sagan: Life on Earth
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  • Das Modell und der Beobachter Der Beobachter beeinflusst die Problembehandlung Beobachtung des Beobachters erforderlich Problem der interdisziplinren quivalenz = bertragbarkeit von Erklrungen
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  • Komponenten von Modellen Input / Output Dichtennderung (Verteilung) Umwandlung Transport
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  • Kompartment - Modell
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  • atmosphrische Prozesse Ausbreitung Transport Gasphasenchemie Nukleation, Ad-/Absorption Wolkenprozesse Deposition
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  • Gausssche Ausbreitungsrechnung Quelle: LUA, Nordrhein- Westfalen
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  • Ausbreitungsrechnung Barometrische Hhengleichung dp/dz = - g Adiabatische Temperaturnderung dT/dz = -g/c p,d = -9,8 K/km Atmosphrische Stabilitt 6 Stabilittsklassen (stabile/neutrale/labile Schichtung)
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  • Transport (1) Massenerhaltung Energieerhaltung Impulserhaltung Geostrophischer Wind Grenzschichtvorgnge (Gelndeform, Rauhigkeit) werden meist parametrisiert
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  • Transport (2) Lagrangesches Trajektorienmodell (1-D) Eulersches Modell (3-D)
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  • Gasphasenchemie Charakteristika: Sehr niedrige Konzentrationen oxidatives Potential Reaktionen mssen erst aktiviert werden Photochemie
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  • Chemische Kinetik Reaktionen 2. Ordnung Reaktionen Pseudo-1. Ordnung Gleichgewichte K=k hin /k ret
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  • Mehrphasenreaktionen feinverteilte Partikel in der Gasphase: Aerosol Aufkonzentrierung Oberflche Andere (insbes. wssrige) Phase
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  • Teilschritte Nukleation: schwerflchtige Reaktionsprodukte turbulente Diffusion molekulare Diffusion Grenzschichtbergang (molekulare Diffusion)
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  • Wolken Kondensationsenthalpie Energieerhaltung Bergeron-Findeisen Prozess rainout washout
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  • Deposition Nasse Deposition Okkulte Deposition / Interzeption Trockene Deposition Widerstandsmodell Sedimentation v=d( p a )g/18 (Stokes flow regime)
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  • Trockene Deposition Quelle: Universitt Genf v d =1/(r a + r b + r c )
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  • Pannonisches Ozon Projekt
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  • Komponenten / Beispiel Emission Chemie Diffusion Deposition vert. Advektion alte Konzentration neue Konzentration Produktions-, Verlustterm QSSA Box:
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  • Meteorologie
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  • Emission
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  • Chemie
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  • Validierung
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  • Szenario (1)
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  • Szenario (2)
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  • Ergebnisse
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  • AMAP Applied Modelling of Air Pollutants
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  • Statistische und Blackbox- Modelle
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  • Black-Box input output
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  • besondere statistische Modelle semi - Black-Box Verfahren genetische Algorithmen zellulre Automaten autonome Agenten Fuzzy-logic
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  • Genetische Algorithmen Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU Wien
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  • Zellulre Automaten Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU Wien
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  • Autonome Agenten
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  • Fuzzy Logic Quelle: Universitt Linz, FLLL
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  • Neuronale Netze Quelle: Leslie Smith / University of Stirling
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  • andere Modelle Nicht validierbare, explizite Modelle: Sinnlos ? Expertensysteme !!
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  • Expertensysteme Sehr detailliert geben nach bestem Stand des Wissens wieder, wie die Zusammenhnge innerhalb eines Systems sind Teilbereiche mgen validiert sein knnen insgesamt aber keinen Anspruch auf Prognose ber den Testbereich hinaus halten (auch wenn sie hufig so verwendet werden)
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  • Statistische Methoden zur Ursachenaufklrung
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  • Fourier - Analyse Quelle: ST Rao, LOOP workshop 2001
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  • Receptor modelling Quelle: Karman et al., IUAPPA Source 1 x i1 i=1,n Source 2 x i2 i=1,n Source 3 x i3 i=1,n Receptor y i i=1,n 1 2 3
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  • Atmosphrenmodelle und die Auenwelt
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  • Drivers (sozio-konomisch)(technisch- physikalisch) (chemisch - analytisch) (biologisch, kologisch) (politisch) State Pressure Impact Response DPSIR Konzept (EEA)
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  • Beispiele fr Atmosphrenmodelle EMEP - Modell: simuliert Schadstofftransport ber Europa Urban Airshed Modell (etwa UAM-IV, UAM-V d. U.S. EPA, CAMx, CALGRID) Global Circulation Model
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  • Mehrphasenmodelle Critical Load modelling Coupled ocean-atmosphere models Modellierung von Klimafolgen
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  • Integrierte Modelle Rckbezug auf Fuabdruck einer Aktivitt: GEMIS mit konomischer Bewertung: RAINS Integrated Assessment Modelling
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  • Problemorientierte Modellierung Wirkung Ursache Manahme Verbesserung
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  • Saurer Regen Quelle: Doerner, IFB, Uni Stuttgart
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  • Lokale Immission Quelle: Minnesota Pollution Control Agency
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  • Eutrophierung Quelle: BBGes, Berlin
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  • Ozon Quelle: U.S. EPA
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  • Staub Quelle: Vermont Agency of Natural Resources
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  • Klima Quelle: Milos Travel
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  • Stratosphrenchemie Quelle: CNN / NASA
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  • Lrm Quelle: Berufsgenossens chaften / DE
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  • Modell: CBM-IV (1) Photostationres Gleichgewicht 1 NO2 = 1 NO 1 O 2 O = 1 O3 3 O3 NO = 1 NO2
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  • Modell: CBM-IV (2) Anorganische Chemie NOx - Oxidation 4 O NO2 = 1 NO 5 O NO2 = 1 NO3 6 O NO = 1 NO2 7 NO2 O3 = 1 NO3 8 O3 = 1 O 9 O3 = 1 O1D 10 O1D = 1 O 11 O1D H2O = 2 OH 12 O3 OH = 1 HO2 13 O3 HO2 = 1 OH
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  • Modell: CBM-IV (3) Anorganische NOx-Chemie 14 NO3 = 0.89 NO2 0.89 O 0.11 NO 15 NO3 NO = 2 NO2 16 NO3 NO2 = 1 NO 1 NO2 17 NO3 NO2 = 1 N2O5 18 N2O5 H2O = 2 HNO3 19 N2O5 = 1 NO3 1 NO2 20 NO NO = 2 NO2 21 NO NO2 H2O = 2 HNO2 22 NO OH = 1 HNO2 23 HNO2 = 1 NO 1 OH 24 OH HNO2 = 1 NO2 25 HNO2 HNO2 = 1 NO 1 NO2 26 NO2 OH = 1 HNO3 27 OH HNO3 = 1 NO3 28 HO2 NO = 1 OH 1 NO2 29 HO2 NO2 = 1 PNA 30 PNA = 1 HO2 1 NO2
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  • Modell: CBM-IV (4) Anorganische Radikale-Chemie 31 OH PNA = 1 NO2 32 HO2 HO2 = 1 H2O2 33 HO2 HO2 H2O = 1 H2O2 34 H2O2 = 2 OH 35 OH H2O2 = 1 HO2 36 OH CO = 1 HO2
  • Folie 87
  • Modell: CBM-IV (5) Organische Chemie: Aldehyde, Ketone 37 FORM OH = 1 HO2 1 CO 38 FORM = 2 HO2 1 CO 39 FORM = 1 CO 40 FORM O = 1 OH 1 HO2 1 CO 41 FORM NO3 = 1 HNO3 1 HO2 1 CO 42 ALD2 O = 1 C2O3 1 OH 43 ALD2 OH = 1 C2O3 44 ALD2 NO3 = 1 C2O3 1 HNO3 45 ALD2 = 1 FORM 2 HO2 1 CO 1 XO2 46 C2O3 NO = 1 FORM 1 NO2 1 HO2 1 XO2 47 C2O3 NO2 = 1 PAN 48 PAN = 1 C2O3 1 NO2 49 C2O3 C2O3 = 2 FORM 2 XO2 2 HO2 50 C2O3 HO2 =0.79 FORM 0.79 XO2 0.79 HO2 0.79 OH 51 OH = 1 FORM 1 XO2 1 HO2
  • Folie 88
  • Modell: CBM-IV (6) Organische Chemie: Alkane, Ether 52 PAR OH = 0.87 XO2 0.13 XO2N 0.11 HO2 0.11 ALD2 -0.11 PAR 0.76 ROR 8 COC 53 ROR = 0.96 XO2 1.1 ALD2 0.94 HO2 -2.1 PAR 0.04 XO2N 54 ROR = 1 HO2 55 ROR NO2 = 1 NTR
  • Folie 89
  • Modell: CBM-IV (7) Organische Chemie: Olefine 56 O OLE = 0.63 ALD2 0.38 HO2 0.28 XO2 0.3 CO 0.2 FORM 0.02 XO2N 0.22 PAR 0.2 OH 20 COC 57 OH OLE = 1 FORM 1 ALD2 -1 PAR 1 XO2 1 HO2 20 COC 58 O3 OLE = 0.5 ALD2 0.74 FORM 0.22 XO2 0.1 OH 0.33 CO 0.44 HO2 -1 PAR 20 COC 59 NO3 OLE = 0.91 XO2 1 FORM 0.09 XO2N 1 ALD2 1 NO2 -1 PAR 20 COC 60 O ETH = 1 FORM 1.7 HO2 1 CO 0.7 XO2 0.3 OH 61 OH ETH = 1 XO2 1.56 FORM 0.22 ALD2 1 HO2 62 O3 ETH = 1 FORM 0.42 CO 0.12 HO2
  • Folie 90
  • Modell: CBM-IV (8) Organische Chemie: Aromaten 63 TOL OH = 0.44 HO2 0.08 XO2 0.36 CRES 0.56 TO2 402 COC 64 TO2 NO = 0.9 NO2 0.9 HO2 0.9 OPEN 0.1 NTR 65 TO2 = 1 CRES 1 HO2 66 OH CRES = 0.4 CRO 0.6 XO2 0.6 HO2 0.3 OPEN 221 COC 67 CRES NO3 = 1 CRO 1 HNO3 221 COC 68 CRO NO2 = 1 NTR 69 OPEN = 1 C2O3 1 HO2 1 CO 70 OPEN OH = 1 XO2 2 CO 2 HO2 1 C2O3 1 FORM 71 OPEN O3 = 0.03 ALD2 0.62 C2O3 0.7 FORM 0.03 XO2 0.69 CO 0.08 OH 0.76 HO2 0.2 MGLY 72 OH XYL = 0.7 HO2 0.5 XO2 0.2 CRES 0.8 MGLY 1.1 PAR 0.3 TO2 416 COC
  • Folie 91
  • Modell: CBM-IV (9) Sonst. Organische Chemie 73 OH MGLY = 1 XO2 1 C2O3 74 MGLY = 1 C2O3 1 HO2 1 CO 75 O ISOP = 0.6 HO2 0.8 ALD2 0.55 OLE 0.5 XO2 0.5 CO 0.45 ETH 0.9 PAR 76 OH ISOP = 1 XO2 1 FORM 0.67 HO2 0.13 XO2N 1 ETH 0.4 MGLY 0.2 C2O3 0.2 ALD2 77 O3 ISOP = 1 FORM 0.4 ALD2 0.55 ETH 0.2 MGLY 0.1 PAR 0.06 CO 0.44 HO2 0.1 OH 78 NO3 ISOP = 1 XO2N 1 NTR 79 XO2 NO = 1 NO2 80 XO2 XO2 = 81 XO2N NO = 1 NTR
  • Folie 92
  • Modell: CBM-IV (10) Sonst. Chemie 82 SO2 OH = 1 SULF 1 HO2 83 SO2 = 1 SULF 84 MEOH OH = 1 FORM 1 HO2 85 ETOH OH = 1 HO2 1 ALD2 86 XO2 HO2 = 87 XO2N HO2 = 88 XO2N XO2N = 89 XO2 XO2N = 90 OH HO2 = 91 CRO =
  • Folie 93
  • Modell: CBM-IV (11) Biogene Olefine 92 O OLE2 = 0.63 ALD2 0.38 HO2 0.28 XO2 0.3 CO 0.2 FORM 0.02 XO2N 0.22 PAR 0.2 OH 1236 COC 93 OH OLE2 = 1 FORM 1 ALD2 -1 PAR 1 XO2 1 HO2 1236 COC 94 O3 OLE2 = 0.5 ALD2 0.74 FORM 0.22 XO2 0.1 OH 0.33 CO 0.44 HO2 -1 PAR 1236 COC 95 NO3 OLE2 = 0.91 XO2 1 FORM 0.09 XO2N 1 ALD2 1 NO2 -1 PAR 1236 COC
  • Folie 94
  • Kompartiment - Modell ModelMaker (kommerzielle Software)
  • Folie 95
  • Modellintegration (1) Standardisierte Schnittstellen fr Umweltmodelle aller Art Konvertierungen zwischen Datenformaten nicht mehr erforderlich
  • Folie 96
  • Modellintegration (2) +Erhhte Vergleichbarkeit +Einfachere Kopplung erlaubt Verknpfungen, die sonst unmglich bleiben Unterschiedliche Input-Datenqualitten berinterpretation von Ergebnissen