Veränderungen des NO / NO2-Verhältnisses in Nordrhein-Westfalen (1984–2004) und mögliche Ursachen

Fischer G, Frohne T, Gerharz L, Hildebrandt H, Klemm O, Mildenberger K, Nording C, Rehberger I, Schiffer M, Voulkoudis CS

Zusammenfassung

Ziel und Hintergrund. In der atmosphärischen Grenzschicht spielenNO und NO2 und insbesondere deren Verhältnis (NO / NO2)wichtige Rollen im Radikalhaushalt. Es gab unterschiedlicheHinweise darauf, dass das NO / NO2-Verhältnis in Städten inden vergangenen Jahren abgefallen sei. Gerade in dicht besiedeltenGebieten wie dem Bundesland Nordrhein-Westfalen(NRW) kann diese Veränderung somit erhebliche Auswirkungenauf verschiedenste Reaktionen in der Atmosphäre haben.Ziel dieser Untersuchung ist es, eine systematische Veränderungdes NO / NO2-Verhältnisses gegebenenfalls nachzuweisen, dieEntwicklung des NOx in den letzten 1 bis 2 Jahrzehnten an unterschiedlichenStationen zu beschreiben und die Ursachen fürdie beobachtete Entwicklung zu ergründen.Methoden. Um Veränderungen im NO / NO2-Verhältnis zu bestimmen,wurden die Daten von 11 kontinuierlich arbeitendenMessstationen des Landesumweltamtes NRW mit Zeitreihen,die bis zu 20 Jahre zurückreichen, bearbeitet. Es wurden ländlicheStationen, Stationen im urbanen Hintergrund und starkverkehrsbelastete Stationen untersucht. Unter Berücksichtigungder schnellen Reaktion des Ozons mit NO ließ sich das NO /NO2-Verhältnis berechnen und bewerten. Es gab klare Hinweiseauf das Vorhandensein von Trends, die mit dem nicht-parametrischenMann-Kendall-Test als statistisch signifikant bestimmtwurden. Die Analyse möglicher Ursachen für Veränderungendes NO / NO2-Verhältnisses konzentrierte sich auf Veränderungender Globalstrahlung, auf Veränderungen der Formender atmosphärischen Zirkulation und der Häufigkeitenunterschiedlicher Wetterlagen über Mitteleuropa, auf die Einführungder Katalysatortechnik im Straßenverkehr sowie aufdie Entwicklung des atmosphärischen Oxidationspotentials.Ergebnisse und Schlussfolgerungen. Die Testergebnisse zeigendurchgehend eine mit mehr als 95% statistisch signifikante Abnahmedes NO / NO2-Verhältnisses bei den verkehrsbelastetenStationen. Der negative Trend ist auch bei den meisten Tests derstädtischen Hintergrundstationen zu erkennen. Die Trendanalyseder ländlichen Hintergrundstation im Eggegebirge erwies sichals problematisch, da die Datengrundlage sehr lückenhaft ist.Regionale Unterschiede in der Entwicklung des NO / NO2-Verhältnissesweisen auf verschiedene Ursachen hin. Für die Verhältnissein den ländlichen Gebieten sind der Einfluss durch dieveränderten Häufigkeiten von Hochdruckwetterlagen sowie dieAbnahme der Globalstrahlung entscheidend, während für diestädtischen Stationen der Verkehr eine weitere wichtige Rollespielt. Der negative Trend der Verkehrsstationen wurde durchdie Einführung der Katalysatortechnik verstärkt, die insgesamtzu einer Abnahme der NOx-Emissionen geführt hat.Empfehlungen und Ausblick. Die Bedeutung des NO / NO2-Verhältnissesfür das Oxidationspotential der Atmosphäre zeigt dieNotwendigkeit der Beobachtung dieser Entwicklung. BisherigeUntersuchungen haben eine Abnahme des Gesamt-NOx festgestellt,ohne Betrachtung der relativen Entwicklung der beidenStickoxide zueinander. Durch die Erkenntnisse der lokalen Unterschiededieses Verhältnisses lässt sich die Quellzuordnungund das Verständnis der in der Atmosphäre ablaufenden Prozesseverbessern. Change of the atmospheric NO / NO2-ratio in North Rhine-Westphalia (1984-2004) and possible causesObjective and Background. The nitrogen oxides NO and NO2and, in particular, their ratio (NO / NO2), play important rolesin the radical-system of the atmospheric boundary layer. Therewere various indications upon a dropping NO / NO2-ratio incities over the last years, however, no proof has been given yet.Especially in densely populated areas such as the federal state ofNorth Rhine-Westphalia (NRW), such a change can have significantinfluences upon various atmospheric reactions. Theobjective of this investigation was to prove the existence of asystematic change of the NO / NO2-ratio, to describe the developmentof NOx over the past 2 decades at different locationsand to determine the causes for this development.Methods. To detect changes of the NO / NO2-ratio we processedthe data of 11 continuously operating air quality stationsof the State Environment Agency (LUA NRW) with time seriesreaching back up to 20 years. We investigated rural stations,stations in the urban background and heavily traffic influencedlocations. It was possible to calculate and assess the NO / NO2-ratio under consideration of the fast reaction of ozone with NO.There were clear indications towards existing trends and theycould be determined as statistically significant using the nonparametric Mann-Kendall Test. The analysis of possible causesfor the change of the NO / NO2-ratio focused upon the changeof the global radiation, the change of the patterns of the atmosphericcirculation, and the frequency of cyclones and anticyclonesmeteorological conditions in Central Europe, the introductionof automotive catalytic converters, and the developmentof the atmospheric oxidation-capacity.Results and conclusions. The results are indicating a decline ofthe ratio at traffic-influenced stations with a statistical significanceover 95%. The negative trend can also be detected atmost urban background stations. It was problematic to performthe trend-analysis of the rural background station in the Egge-Mountains because of the fragmentary character of the dataset.Regional differences in the development of the NO / NO2-ratioindicate towards various causes. Crucial for the situation at therural areas are the changed trajectories of cyclones and anticyclonesas well as the decline of the atmospheric oxidation-capacity,while the traffic plays another important role at urbanstations. The negative trend at the traffic-stations was intensifiedby the introduction of catalytic converters, which lead to areduction in emissions of NOx.Recommendations and prospects. The significance of the NO /NO2-ratio for the oxidation capacity of the atmosphere showsthe necessity to further monitor this development. Previous investigationsdetected a decline in total NOx without examiningthe relative development of the two nitrogen oxides towardseach other. Gaining insight into the local differences of this ratiohelps to allocate sources and to develop understanding ofthe atmospheric processes.