GRAL System

Mesoskalige und mikroskalige Ausbreitungsmodellierung mit GRAL

Das GRALSystem besteht aus der Verbindung eines Euler`schen Modells (GRAMM Windfelder) und eines Lagrange-Partikel-Modells (GRAL Ausbreitung). GRAL rechnet wahlweise mit einem eigenen prognostischen oder diagnostischen Windfeldmodell. Je nachdem, welche Rolle Landnutzung und Topographie im Untersuchungsgebiet spielen, kann das GRAL-Gebiet frei angeströmt oder mit GRAMM-Windfeldern initialisiert werden. GRAMM betrachtet auf der Mesoskala die großräumige Topografie, Landnutzung und Bodeneigenschaften. GRAL kann in einem mikroskaligen Raster eingeschachtelt die Gebäudeumströmung ergänzen.

Im Gegensatz zum Paket AUSTAL2000/TALdia wurde GRAL für innerstädtische Straßen validiert und ist sehr flexibel zu handhaben.

GRAL verwendet auch einen speziellen Ansatz zur Berücksichtigung von Tunnelportalen und den mäandrierenden Bewegungen des Windes, die besonders bei Schwachwind wichtig sind. Dadurch schafft es GRAL, die Vorzüge der prognostischen stationären Windfeldberechnung mit der Flexibilität der Lagrange Partikel-Modelle zu verbinden.

SoundPLAN organisiert die Parameterübergabe und Programmaufrufe für GRAMM Windfeldberechnungen, GRAL Ausbreitungsrechnungen und mehrere Pre-Processing-Programme im Hintergrund der bewährten SoundPLAN Benutzeroberfläche. Einige Pre- und Post-Processing-exen wurden in SoundPLAN leicht verändert nachprogrammiert, um Funktionen zu erweitern und den Arbeitsablauf an die SoundPLAN-Philosophie anzupassen.

GRAL erfüllt die Anforderungen der Österreichischen Direktive RVS 04.02.12 – Ausbreitung von Luftschadstoffen an Verkehrswegen und Tunnelportalen, April 2014. Angesichts der komplexen Topographie Österreichs darf das gerne als Prädikat verstanden werden.

Arbeitsablauf

Vorbereitung

  • Die SoundPLAN-Bibliothek Meteorologische Station hat sich zu einem mächtigen Werkzeug entwickelt, um Meteodaten und Messungen der Hintergrundbelastung zu analysieren, zu bewerten und ggf. zu modifizieren. Sie unterstützt Sie bei der Berechnung von Stabilitätsklassen, u.a. mithilfe einer speziell angepassten GRAL-Variante der US-EPA-SRDT-Methode. Meteorologische Daten können visuell analysiert und an Ihre Aufgabenstellung angepasst werden.
  • Emissionsganglinien aus der SoundPLAN-Bibliothek erweitern die Funktionalität des GRAL Post-Processings, da sie ein Jahr mit 8760 individuellen Stundenwerten abbilden können, um etwa wetterabhängige Emissionen zu simulieren. Der Normalfall sieht aber meist anders aus: Sie weisen Quellen mit ähnlichen Emissionsganglinien eine Gruppennummer zu und nutzen jeweils eine exemplarische Emissionsganglinie als Verteilungsmuster für die ganze Gruppe. Das Post-Processing korrigiert mit diesem Verteilungsmuster die zuvor mit einer klassifizierten Windstatistik gerechneten Durchschnittsimmissionen dieser Gruppe anhand einer meteorologischen Zeitreihe punkt- und stundengenau. Damit können viele detaillierte Ergebnisdarstellungen, die auf den stündlich variierenden Emissionen beruhen, erstellt werden.

Dateneingabe

  • Die SoundPLAN - Geodatenbank gibt Ihnen die Möglichkeit, Modelldaten über mehrere Schnittstellen zu importieren, sie zu digitalisieren und zu bearbeiten. Modelle, die für SoundPLAN-Lärmberechnungen erstellt wurden, lassen sich problemlos weiterverwenden. Auch die Verwendung von Hintergrundbitmaps, zum Beispiel  georeferenzierten Luftbildern, ist möglich.

Berechnung 

  • GRAMM und GRAL werden sowohl 32 bit fähig als auch 64 bit fähig angeboten.
  • Der SoundPLAN-Rechenkern bietet drei separate Rechenlaufarten an: Windfeldberechnung (GRAMM), Ausbreitungsberechnung (GRAL) und Postprocessing. Mehrere Ausbreitungsrechnungen können auf das gleiche Windfeld zurückgreifen. Auf der Basis einer Ausbreitungsrechnung können anschließend mehrere Postprocessings mit unterschiedlichen Einstellungen gerechnet und als Varianten gespeichert werden.
  • Eine Anpassungsfunktion ermöglicht es, Windfelder einer GRAMM-Berechnung im Rahmen einer GRAL-Berechnung auf eine lokale Messstation anzupassen. Die verbleibenden Abweichungen werden dokumentiert, um die Anpassung auf Plausibilität prüfen zu können.
  • GRAMM und GRAL können die Berechnung eines Windfeldes auf mehrere Prozessoren verteilen. SoundPLAN verwaltet die Zahl der eingesetzten Prozessoren. Mit dem Zusatzmodul "Verteiltes Rechnen" kann die Liste der abzuarbeitenden Windfelder auch auf mehrere Computer verteilt werden.

Präsentation

  • Mit dem SoundPLAN - Grafik-Modul können Sie überzeugende grafische Ergebnisdarstellungen erstellen. GRAMM und GRAL-Ergebnisse können als Karten für jede einzelne Anströmsituation und für aggregierte Auswertungen dargestellt werden. Die hohe Flexibilität der Postprocessing-Optionen spiegelt sich in der Vielzahl an möglichen statistischen Karten wider. Sie können sowohl die üblichen Mittelwerte, Maxima und Perzentile darstellen, als auch Zeitabschnitte, Quellgruppen mit unterschiedlichen Emissionsganglinien, Geruchsbewertungen nach GIRL und vieles mehr.

Modulbeschreibung

Entwicklung

GRAL wurde an der Universität Graz, Österreich, am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik entwickelt und wird auch von der Abteilung für Luftqualität des Landes Steiermark, Österreich unterstützt. GRAMM wurde ebenfalls dort entwickelt und ist im wissenschaftlichen Bereich hoch angesehen. Sowohl GRAMM als auch GRAL wurden durch viele internationale Vergleiche und Studien validiert und beide werden von den Österreichischen Behörden empfohlen.

Modelltyp und Anwendungsbereich

GRAL ist ein Lagrange Partikelmodell, das vertikale inhomogene Turbulenzen und inhomogene 3D-Windfelder verarbeiten kann. Es verfügt insbesondere über spezielle Algorithmen zur Berechnung der Ausbreitung unter windschwachen Bedingungen und an Tunnelportalen.

Der Anwendungsbereich der GRAL Ausbreitungsberechnungen reicht von kleinen Stadtvierteln, in denen Gebäude berücksichtigt werden müssen bis hin zu ganzen Städten oder noch größeren Gebieten, in denen die Anströmung von der Topographie und Landnutzungsparametern beeinflusst wird. Wenn Topographie und Landnutzung die Luftströmung inhomogen beeinflussen, müssen Windfelder mit GRAMM vorberechnet werden. 

GRAL wird v.a. dazu verwendet die Auswirkungen von Straßenverkehrsemissionen unter Berücksichtigung städtischer Hintergrundbelastung zu berechnen. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Gesamtbetrachtung der Auswirkungen planerischer Maßnahmen auf die städtische Luftqualität, z.B. der Vergleich von Festsetzungen zur Hausbrandregulierung.

GRAMM verwendet einen prognostischen Ansatz zur Berechnung von Windfeldern in großen Gebieten mit komplexem Gelände. Das Grazer Becken auf der Südseite der Alpen stellt ein sehr anspruchsvolles Evaluierungsgebiet dar.

Je komplexer die Gelände- und Landnutzungsstrukturen sind, desto wichtiger ist es, für die Windfeldberechnung eine geeignete Windmessstation zur Verfügung zu haben, die den Modellanforderungen genügt. Ein Übertragen von Messungen von einem Punkt zum anderen, wie es in einfachem Gelände für einfache Modelle Usus ist, ist in komplexem Gelände oft nicht vertretbar.

Das Rechengebiet für das Windfeld muss in komplexem Gelände viel größer sein als das Rechengebiet für die Ausbreitung, da die entscheidenden topographischen Verhältnisse weit außerhalb des zu untersuchenden Gebietes liegen können - natürlich auch in Abhängigkeit davon, wo die Windmessung aufgezeichnet wurde. Liegt ein solches Windfeld erst einmal für einen großen Bereich vor, kann es für viele weitere GRAL-Untersuchungen in diesem Gebiet verwendet werden.

Die bereits erwähnte Funktion zur Anpassung der Auswahl von GRAMM Windfeldern an eine lokale Messung ist hilfreich, wenn ganze Jahre abgearbeitet werden. Sollen nur wenige Fälle analysiert werden, stehen in der Regel nicht genug Windfelder zur Verfügung.

Hier hilft eine Reinit-Funktion, die es ermöglicht, jedes einzelne Windfeld mit bis zu 8 Initialisierungsvarianten zu rechnen, um an einem im Gebiet befindlichen Anemometer die bestmögliche Übereinstimmung zwischen Messung und Rechenergebnis zu erhalten. Die verbleibenden Abweichungen werden zur Kontrolle dokumentiert.

Um das Verhältnis zwischen Rechenzeit und Detaillierungsgrad zu optimieren, arbeitet GRAL mit einer klassifizierten Meteorologie und mittleren Jahresemissionen je Quelle. Die GRAL Ergebnisse der einzelnen Anströmsituationen werden anschließend mithilfe eines umfangreichen Postprocessings aggregiert und ausgewertet. Quellen mit ähnlichen Emissionsganglinien sollten daher durch Quellgruppennummern gekennzeichnet werden. Die Gruppenergebnisse werden im Postprocessing mit einer stündlichen meteorologischen Zeitreihe verknüpft. Dieses Verfahren ist viel schneller als 8760 einzelne GRAL-Berechnungen, die zur Abbildung eines kompletten Jahres bei stündlicher Betrachtung notwendig wären.

Post-Processing

Das Postprocessing berechnet Karten mit Jahresmittelwerten, stündlichen oder täglichen Perzentilen, stündlichen und täglichen Maxima, benutzerdefinierten saisonalen Zeitabschnitten und benutzerdefinierten Tageszeitabschnitten. Sie können auch berechnen lassen, wie häufig benutzerdefinierte Schwellenwerte in Stunden, Tagen oder % unter- oder überschritten werden.

Das SoundPLAN Postprocessing hat auch die Geruchsbewertung nach GIRL aufgenommen, allerdings in einer flexibleren Form als in der Vorschrift, um auch Anwendungen außerhalb von Deutschland zu unterstützen.

Kurz zusammengefasst zählt die Methode zunächst aus, wie häufig die Geruchsschwelle tatsächlich überschritten wird. Erst dann wird eine Gewichtung vorgenommen, um der Belästigung durch  unterschiedliche Geruchsqualitäten gerecht zu werden. Für Stunden, an denen sich unterschiedliche Gerüche überlagern, dominiert der stärkste am Immissionsort detektierte Geruch die Gewichtung. Das Ergebnis wird als % der betrachteten Gesamtstunden ausgegeben.

Sie können in SoundPLAN sowohl die Gewichtung als auch die Geruchsschwelle selbst definieren.

Die NOx-Konversion wurde in Soundplan nicht in das GRAL-Post-Processing übernommen, da alle konzentrationsabhängigen Umwandlungsformeln nur auf die Gesamtbelastung sinnvoll anwendbar sind. Die Gesamtbelastung ergibt sich erst bei Zuschlag der Hintergrundbelastung, die als Einzelwert oder aber auch als weiteres Berechnungsergebnis vorliegen kann. Die Umwandlung wird daher erst im Grafikmodul vorgenommen, wo alle Teilergebnisse in den Rasteroperationen zusammengefügt werden.

Zeitliche Auflösung und Meteorologie

GRAMM - und GRAL- Berechnungen verwenden klassifizierte Windstatistiken. Bei Projekten im urbanen Umfeld werden üblicherweise 10° Windsektoren, 7 Pasquill/Gifford-Klassen oder als grobe Abschätzung 6 Klug/Manier-Klassen verwendet. Windgeschwindigkeitsklassen sollten auf die Stabilitätsklassifikationen abgestimmt werden.

Für das Postprocessing werden meteorologische Zeitreihen und stündliche Emissionszyklen (z.B. tägliche, wöchentliche und monatliche Zyklen) empfohlen, die in der Ganglinienbibliotheken leicht erzeugt werden können.

Räumliche Auflösung

Horizontale Auflösung: üblicherweise 2 x 2 bis 5 x 5 m für GRAL, wenn Gebäude aufgelöst werden müssen, 10 x 10 bis 20 x 20 m ohne Gebäude. Die mesoskaligen GRAMM-Windfelder sollten relativ grob aufgelöst werden, üblicherweise von 50 x 50 m in extremem Gelände bis zu 300 x 300 m, wenn die Topographie und die Landnutzung in diesem Raster sinnvoll aufgelöst werden können oder wenn das Rechengebiet größer als 5 x 5 km ist. Wenn in GRAL Gebäude mit aufgenommen werden, kann es manchmal sinnvoll sein auch für GRAMM eine höhere Auflösung zu verwenden.

Eine mikroskalige Auflösung von Gelände- und Nutzungsstrukturen mit GRAMM ist weder nötig noch sinnvoll. Markante Geländedetails wie Dämme etc. können meist besser in der GRAL-Berechnung durch Gebäude nachgebildet werden.

Vertikale Auflösung: Die untere Grenze für GRAMM liegt üblicherweise bei 10 m für die Bodenschicht, die folgenden Schichten werden abhängig von der Topographie mit einem Faktor von 1,2 bis 1,35 aufgespreizt. Die GRAL-Auflösung liegt üblicherweise bei 0,5 bis 1 m für die Bodenschicht mit Gebäuden, mit einem Ausdehnungsfaktor von 1,05 oder 2 m für die Bodenschicht ohne Gebäude und einem Ausdehnungsfaktor von 1,1 für die folgenden Schichten. Die Dicke der Auszählschicht kann in einer unterschiedlichen Auflösung gewählt werden.

Da GRAMM und GRAL als 64-Bit-Programme laufen, ist nicht der Arbeitsspeicher sondern die Rechenzeit und die Anzahl an verfügbaren Prozessoren und Computern der wesentliche Begrenzungsfaktor für die Gebietsgröße und - auflösung.

Emittenten

SoundPLAN-Quellen werden automatisch in GRAL-Quellen überführt. Verfügbar sind Punkt-, Linien-, Flächen- und Straßenquellen. Zusätzlich gibt es Tunnelportale, mit denen die Tunnelabluft definiert werden kann, inclusive einer mittleren Temperaturdifferenz und eines mittleren Ausströmimpulses. Alle Quellen können eine vertikale Ausdehnung haben, z.B. um aus Straßen Volumenquellen zu erzeugen, die die Anfangsverdünnung durch Fahrzeugturbulenz simulieren. Ausnahme ist das Tunnelportal mit einer abweichenden Geometriedefinition.

Für Abgasfahnenüberhöhung von Punktquellen kann eine effektive Quellhöhe nach Hurly (Details s. GRAL-Dokumentation) definiert werden.

Straßenemissionen können über die Straßenoberfläche angehoben werden, um in einem groben Ansatz den Effekt von Lärmschutzbauwerken zu simulieren.

Ausblick: Der originale GRAL-Programmkern kann Ergebnisse aus dem Straßenemissionsmodell NEMO (TU Graz) verwerten. NEMO verwendet die gleiche Datenbasis wie HBEFA, ist aber aktueller, da die meisten Emissionsmessungen für HBEFA an der TU Graz gemacht werden. Wir diskutieren gerade, wie wir NEMO am effizientesten unter SoundPLAN anbinden können.

Schadstoffe

In SoundPLAN können Schadstoffe frei als Neutralgase definiert werden. PM-Stäube werden für die Ausbreitung wie ein Neutralgas behandelt, d.h. die Absinkgeschwindigkeiten werden nicht berücksichtigt. Depositionskarten werden aus der bodennahen Konzentration abgeleitet.  Dieses Verfahren bedingt für Stäube mit Korngrößen > 10 µg eine leichte Überschätzung, die mit zunehmendem Abstand von der Quelle zunimmt. Für Straßen und diffuse Emissionen aus dem urbanen Bereich stellt diese Vorgehensweise kein Problem dar, im Umfeld hoher Quellen oder grober Stäube allerdings schon.

Ausblick: Eine Berücksichtigung der Sedimentations- und Depositionsgeschwindigkeiten wäre für die weitere GRAL-Entwicklung wünschenswert.

Topographie

GRAL kann ohne Topographie rechnen, muss aber mit GRAMM-Windfeldern verknüpft werden, wenn Topographie und/oder Landnutzung berücksichtigt werden sollen.

Gebäude, Hindernisse, Landnutzung

Gebäude können in GRAL mit der Auflösung des GRAL Rechenrasters modelliert werden.

Wenn die Landnutzung berücksichtigt werden soll, müssen GRAMM-Windfelder verwendet werden. Auch wenn die Landnutzung in SoundPLAN als frei geformtes Polygon eingegeben werden kann, ist die Auflösung der Landnutzung dann strikt an das GRAMM-Rechenraster gebunden.

Verfügbare Ergebnisse

GRAMM-Ergebnisse können für jede ausgewählte Höhe über Grund als geländefolgende Karten ausgegeben werden.

  • Einzelne Windfelder: Karten verschiedener Windfeldparameter wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, vertikale Neigung der Windrichtung.
  • Windfeldstatistiken für die berechnete Zeitspanne: Mittelwert, Minimum oder Maximum der Windgeschwindigkeit, Fälle über oder unter einer bestimmten Windgeschwindigkeit, in Stunden oder Prozent.

Alle GRAMM-Ergebnisse können auch als Vertikalschnitt ausgegeben werden.

GRAL verlangt die Definition von bis zu 9 Auszählschichten, die dann als Ergebnis zur Verfügung stehen. Dieses Auszählgitter ist von den Rechenschichten unabhängig.

  • Einzelne Anströmsituationen: die gewünschte Höhe über Grund und Schichtdicke muss bereits vor dem GRAL-Start definiert werden.
  • Aggregierte Konzentrationskarten: Karteninhalte werden im Postprocessing festgelegt und berechnet. Neben der üblichen Darstellung von Mittelwerten, Maxima und Perzentilen stehen Zeitabschnitte, Quellgruppen mit unterschiedlichen Emissionsganglinien, Geruchsbewertung und anderes mehr zur Verfügung.

Falls in GRAL mehr als eine Auszählschicht definiert wurde, können alle GRAL-Ergebnisse auch als Vertikalschnitt angezeigt werden.

Rasteroperationen können für alle Konzentrationskarten verwendet werden, z.B. um tägliche und stündliche Statistiken aus Jahresmitteln mittels vordefinierter Funktionen oder benutzerdefinierter Formeln (beide unter Verwendung empirischer Ableitungen) abzuleiten.

Tabellarische Einzelpunktergebnisse werden z.Zt. nicht unterstützt, aber alle Karten können mit Rasterwerten ausgegeben werden, um repräsentative Einzelpunktergebnisse abzugreifen und gleichzeitig zu prüfen, für welchen Bereich diese Punkte repräsentativ sind.

 

Dokument

Aktuellste Dokumentation des Lagrange Partikelmodells GRAL (Graz Lagrange-Modell)

 

GRAL System

Das GRAL - System, das in alpinem Gelände entwickelt wurde, ist dazu geeignet komplexe topographische Verhältnisse zu bewältigen, Landnutzung zu berücksichtigen und niedrige Windgeschwindigkeiten zu verarbeiten.
GRAMM berechnet ein Windfeld in einem groben Raster. Mit diesem initialisiert GRAL ein feineres Raster, um z.B. Schadstoffausbreitungen für ganze Städte mesoskalig oder Stadtviertel mikroskalig zu berechnen.
In Österreich wurden in der Vergangenheit bereits große Städte wie Wien, Graz und Klagenfurt berechnet. (Entwicklerversion)
Bei komplexem Gelände ist eine feinere Maschenweite notwendig als bei Ebenen und Becken.
Für eine nachfolgende GRAL-Initialisierung ist ein feineres Windfeld-Raster bis zu 10 x 10 m möglich. GRAMM kann jedoch die feineren mikroskaligen GRAL Windfelder nicht ersetzen.
GRAMM Windfeldberechnungen können mithilfe von Windrosen kontrolliert werden, die an benutzerdefinierten Standorten schrittweise während der Berechnung aufgebaut werden.
Ausbreitungsberechnungen können im diagnostischen Verfahren, initialisiert durch ein prognostisches mesoskaliges Windfeld, ohne Gebäude durchgeführt werden.
Ausbreitungsberechnungen können auch prognostisch durchgeführt werden, um Straßenschluchten in hoher Genauigkeit aufzulösen.
Da GRAL auf niedrige Windgeschwindigkeiten spezalisiert ist, wurde viel Forschungsabeit in die Simulation der Tunnelabluft gesteckt. Die Berechnung verwendet stationäre Windfelder. Der Tunnelimpuls und die natürlich mäandrierende Strömung werden erst bei der Partikelausbreitung simuliert.
GRAL berechnet die Ausbreitung mit durchschnittlichen Emissionen. Das GRAL Post Processing leitet anschließend mithilfe von Verteilungsmustern für Quellgruppen stündliche Ergebnisse ab.
Aus den stündlichen Werten kann eine große Vielfalt statistischer Ergebniskarten erzeugt werden. Das GRAL Postprocessing ist das flexibelste Postprocessing innerhalb von SoundPLAN air.