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Analysis of near surface CO2 variability within the urban area of Essen, Germany

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Abstract:

Carbon dioxide is one greenhouse gas, which is responsible for the anthropogenic induced climate change. Above all, urban agglomerations like the German "Ruhrgebiet" are a potential CO-source due to the usage of fossil energy sources. For example, in the city of Essen, Germany (North Rhine-Westphalia; 51°28'N, 7°0'E; 580,000 inhabitants; area = 210 km) the urban carbon dioxide was determined by taking 50 survey tests with the aid of the mobile laboratory from the Dept. of Applied Climatology, University of Duisburg-Essen, Campus Essen, Germany. These measurements were taken along a route of 63 kilometers. The purpose of this study was to analyze the relationship between urban CO concentration levels and temporal variables (e.g., air temperature, atmospheric stability) and invariable influencing factors (e.g., surface configuration) within the urban canopy layer. The results are based on a one-year period of data collection (December 2002–November 2003) with additional data collection in 2004 and 2005. This study proves how the urban CO concentration is influenced by spatial variations as well as diurnal and seasonal meteorological conditions. Thus, approximately more than 70 % of the near surface urban CO is mostly affected by traffic density and atmospheric stability. In addition, it is proven that CO and NO can help to verify the dependence on CO of the traffic density. Thus, the appearance of CO shows a close interdependence between CO (R= 0.57) and NO (R= 0.69). Other factors that were identified and analyzed include air temperature (9 %), relative humidity (6 %), the urban vegetation (5 %), or the surface configuration (4 %). However, these factors contributed only slightly in terms of explaining the impact of diurnal or seasonal urban COpattern. Hence, it is clear that there should be mobile survey tests for at least one year while considering the urban types of land use. Otherwise, it is not possible to represent the seasonal and spatial variations of the near surface urban CO.

German
Das atmosphärische Kohlendioxid gilt als eines der Spurengase, die für den anthropogenen Klimawandel verantwortlich gemacht werden. Vor allem Ballungsräume wie das Ruhrgebiet zählen wegen des verstärkten Einsatzes fossiler Energieträger zu den potentiellen CO2-Quellen. Am Beispiel der Stadt Essen (NordrheinWestfalen; 51°28'N, 7°0'E; 580.000 Einw.; A = 210 km2) wurden mithilfe des mobilen Messlabors der Abt. Angewandte Klimatologie der Universität Duisburg-Essen, Campus Essen, die bodennahen urbanen CO2-Konzentrationen in Abhängigkeit von zeitlich variablen (z.B. Lufttemperatur, Austauschverhältnisse) und invariablen (z.B. Relief) Einflussfaktoren analysiert. Die hier dargelegten Ergebnisse resultieren aus einer einjährigen Messkampagne (Dezember 2002–November 2003), sowie ergänzenden Messfahrten in den Jahren 2004 und 2005. Dies sollte die Möglichkeit eröffnen, aufgrund einer statistisch abgesicherten Reproduzierbarkeit der Daten, die Abhängigkeit der CO2-Konzentrationen innerhalb der Stadthindernisschicht sowohl von räumlich variierenden Veränderungen als auch durch tages- und jahreszeitliche meteorologische Verhältnisse darzustellen. Dabei konnte herausgestellt werden, dass im Jahresdurchschnitt mehr als 70 % des bodennahen urbanen CO2 durch die Verkehrsdichte und die atmosphärischen Schichtungsverhältnisse der Stadthindernisschicht geprägt werden. Vor allem mithilfe von CO und NO kann die Abhängigkeit des CO2 vom Kfz-Verkehr verifiziert werden. So zeigt das Auftreten von CO2 einen engen Zusammenhang zu CO (R2 Tag = 0,57) und NO (R2 Tag = 0,69). Weitere erfasste und analysierte Einflussfaktoren wie Lufttemperatur (9 %), relative Luftfeuchtigkeit (6 %), städtische Grünflächen (5 %) oder das Relief (4 %) weisen lediglich marginale Wirkungen auf den Tages- bzw. Jahresgang des urbanen CO2 aus. Es wurde ersichtlich, dass es empfehlenswert ist, die mobilen Messungen über einen Zeitraum von einem Jahr unter genauer Berücksich-tigung der urbanen Flächennutzungen vorzunehmen, da anderenfalls nicht die saisonalen und räumlichen Variationen des CO2wiedergegeben werden können.

Document Type: Research Article

DOI: https://doi.org/10.1127/0941-2948/2008/0261

Publication date: 2008-02-01

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