Abbildung 1links: Staubkonzentration in Millionstel Gramm pro Kubikmeter Luft (µg/m3)rechts: Zahl der Staubteilchen pro Kubikzentimeter Luft (1/cm3), gemessen mit zwei unterschiedlichen Messgeräten; die obere Kurve in der rechten Abbildung (blau, linke Skala) entspricht Staubteilchen mit einem Durchmesser, der typisch für Saharastaub ist. Einen auffällig anderen Verlauf zeigt die Zahl der Kondensationskerne (grün, rechte Skala), da sogar bei Saharastaubereignissen die Zahl der viel kleineren Partikel bei weitem überwiegt.

Zur Klärung der Ursache der hohen Staubbelastung wurde die Herkunft der Luftmassen mittels operationell berechneter Trajektorien und mit einem „Ausbreitungsmodell“ analysiert.

Trajektorien beschreiben den Weg, den ein Luftteilchen in einem gegebenen Zeitraum zurücklegt. Räumliche und zeitliche Änderungen der Windverhältnisse werden dabei berücksichtigt. Die Berechnungen wurden mit dem Modell FLEXTRA (Stohl, A., 1998: Computation, accuracy and applications of trajectories - a review and bibliography. Atmos. Environ. 32, 947-966), basierend auf den Windfeldern des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) durchgeführt. Im vorliegenden Fall wurde auf diese Weise die Luft am Sonnblick alle 3 Stunden 4 Tage lang zurück verfolgt.

Abbildung 2 zeigt beispielhaft für den 30. April 2013, als ein markanter Anstieg der Staubbelastung beobachtet wurde, einen Transport von Luft aus Nordafrika mit einer starken Strömung aus Süd.

Abbildung 2: Die Trajektorien zeigen die Herkunft der Luft am Sonnblick für den 30. April 2013. Ankunftszeit der Luft am Sonnblick: alle 3 Stunden. Die Einfärbung zeigt die Höhe der Trajektorien: Blaue Einfärbung bedeutet Luft aus Bodennähe, rot Luft aus über 2.000 m Höhe.

Die Wetterkarte vom 25. April 2013 zeigt schon 5 Tage vor dem neuerlichen Anstieg der Staubbelastung markanten Tiefdruckeinfluss über Nordafrika (Abbildung 3), wodurch offensichtlich Staub bis in große Höhen aufgewirbelt wurde.

Abbildung 3: Wetterkarte vom 25. April 2013, 00:00 UTC

Die Berechnungen mit dem Ausbreitungsmodell FLEXPART (Stohl, A., C. Forster, A. Frank, P. Seibert, and G. Wotawa, 2005: Technical note: The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6. 2, Atmos. Chem. Phys., 5, 2461– 2474) bestätigen den vermuteten Transport von Saharastaub. Mit diesem Modell wird jeweils nicht nur ein Luftteilchen, sondern eine Vielzahl von Luftteilchen zurückverfolgt. Zudem wird – anders als bei Trajektorien, die nur die Strömungsverhältnisse berücksichtigen – auch der vertikale Luftaustausch z.B. durch Thermik berücksichtigt. Die Verteilung der „Luftteilchen“ 5 Tage vor ihrem Eintreffen am 30. April am Sonnblick, also zeitgleich mit der in Abbildung 3 dargestellten Wetterlage, ist aus Abbildung 4 ersichtlich. Sie bestätigt, dass Luftmassen aus der Sahara, teilweise aus dem Bereich mit Tiefdrucktätigkeit, den Sonnblick erreicht haben.

Abbildung 2: Herkunft der Luft aus einer Höhe zwischen 10 und 11 km 27 Stunden (links), 24 Stunden (Mitte) und 21 Stunden (rechts) vor Eintreffen am Sonnblick. Gelbe und rote Einfärbung zeigt an, dass aus diesen Bereichen große Luftmengen zum Sonnblick herabgeführt wurden.

Der Störungseinfluss über der Sahara hielt noch bis zum 26. April an. An dessen Vorderseite wurde bis Anfang Mai staubreiche Saharaluft in Richtung Alpen geführt. Der Saharastaub machte sich nicht nur am Sonnblick, sondern auch an tiefer gelegenen Regionen bemerkbar: Erhöhte Feinstaubkonzentrationen (PM10 und PM2,5) traten am 26. April sowie zwischen 30. April und 2. Mai großflächig in Österreich auf (http://luft.umweltbundesamt.at/pub/gmap/start.html), unter anderem an den im Mittelgebirge gelegenen Hintergrundmessstellen Vorhegg (Kärnten) und Zöbelboden (Oberösterreich). Der Ferntransport von Saharastaub dürfte wesentliche Beiträge zu den an mehreren Messstellen festgestellten Überschreitungen des PM10-Grenzwerts laut Immissionsschutzgesetz - Luft am 1. und 2. Mai beigesteuert haben.

Die Auswertungen zeigen die große Bedeutung der Messungen am Sonnblick Observatorium für das Verständnis der Schadstoffbelastung auch in tiefer gelegenen Regionen.

Zur Klärung der Ursache der Ozonspitze wurde die Herkunft der Luftmassen mittels so genannter Trajektorien und mit einem „Ausbreitungsmodell“ analysiert.

Trajektorien beschreiben den Weg, den ein Luftteilchen in einem gegebenen Zeitraum zurücklegt. Räumliche und zeitliche Änderungen der Windverhältnisse werden dabei berücksichtigt. Die Berechnungen wurden mit dem Modell FLEXTRA (Stohl, A., 1998: Computation, accuracy and applications of trajectories - a review and bibliography. Atmos. Environ. 32, 947-966), basierend auf den Windfeldern des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) durchgeführt. Im vorliegenden Fall wurde auf diese Weise die Luft am Sonnblick und an 5 Aufpunkten, gleichverteilt um den Sonnblick herum, alle 3 Stunden 10 Tage lang zurück verfolgt.

Die Trajektorien aus Abbildung 1 zeigen, dass - abgesehen von einer kurzen Periode mit Transport von Luft aus Bodennähe aus dem Bereich Ungarn bis Polen (blaue Einfärbung der Trajektorien) - Luft aus großer Höhe, zum Teil aus mehr als 10 km Höhe zum Sonnblick abgesunken ist (rote und schwarze Einfärbung).

Abbildung 1: 240-stündige Rückwärtstrajektorien für Sonnblick für 25. April 2013. Die Trajektorien zeigen den Weg, den die Luft innerhalb eines Zeitraums von 10 Tagen vor Eintreffen am Sonnblick am 25. April 2013 zurückgelegt hat. Die Einfärbung zeigt die Höhe der Trajektorien: Blaue Einfärbung bedeutet Luft aus Bodennähe, rot Luft aus 7.000 m bis 9.000 m Höhe, violett Luft aus 10 km, schwarz: Luft aus mehr als 10 km Höhe.

Die Ergebnisse der Trajektorienberechnungen werden durch Simulationen mit dem Ausbreitungsmodell FLEXPART (Stohl, A., C. Forster, A. Frank, P. Seibert, and G. Wotawa, 2005: Technical note: The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6. 2, Atmos. Chem. Phys., 5, 2461– 2474) bestätigt. Mit diesem Modell wird jeweils nicht nur ein Luftteilchen, sondern eine Vielzahl von Luftteilchen zurückverfolgt. Zudem wird – anders als bei Trajektorien, die nur die Strömungsverhältnisse berücksichtigen – auch der vertikale Luftaustausch z.B. durch Thermik berücksichtigt. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der „Luftteilchen“ zwischen 10 km und 11 km Höhe für 21, 24 und 27 Stunden vor Eintreffen am Sonnblick. Hohe Werte (gelbe und rote Einfärbung), die Absinken von Luft aus dem genannten Höhenbereich anzeigen, finden sich zunächst über dem Atlantik nahe Grönland, dann südöstlich von Island und danach über dem Europäischen Kontinent.

Abbildung 2: Herkunft der Luft aus einer Höhe zwischen 10 und 11 km 27 Stunden (links), 24 Stunden (Mitte) und 21 Stunden (rechts) vor Eintreffen am Sonnblick. Gelbe und rote Einfärbung zeigt an, dass aus diesen Bereichen große Luftmengen zum Sonnblick herabgeführt wurden.

Die Wetterlage am 25. April war gekennzeichnet durch ein bis in große Höhen reichendes Tiefdruckgebiet über dem Mittelmeer. Im Bereich solcher Tiefdruckgebiete kommt es häufig zu Luftaustausch zwischen der Troposphäre (das ist jener Bereich der Atmosphäre, in dem sich das Wettergeschehen abspielt und der sich je nach Jahreszeit und geografischer Breite bis in eine Höhe von 8 – 18 km Höhe erstreckt) und der darüber befindlichen Stratosphäre. Der Ozongehalt ist in der Stratosphäre weit größer als in der darunter befindlichen Troposphäre. Die Analysen der ZAMG legen nahe, dass die Ozonspitze am Sonnblick am 25. April 2013 auf einen Transport ozonreicher Luftmassen aus der Stratosphäre zurückzuführen ist. Erhöhte Ozonwerte an zahlreichen anderen Messstellen in Österreich legen nahe, dass auch tiefer gelegene Regionen nördlich und östlich der Alpen von ozonreicher stratosphärischer Luft erreicht wurden, allerdings mit geringer Ozonkonzentration als am Sonnblick.

Die Auswertungen zeigen die große Bedeutung der Messungen am Sonnblick Observatorium für das Verständnis der Schadstoffbelastung auch in tiefer gelegenen Regionen.

Bei der Modellierung und Vorhersage von Luftschadstoffen ist zu berücksichtigen, dass die vorherrschenden meteorologischen Bedingungen die chemische Zusammensatzung der Atmosphäre stark beeinflussen, aber auch umgekehrt hat z.B. die Verteilung von Aerosolen einen Einfluss auf das Wettergeschehen (Niederschlag und Strahlung):

© AQMEII (http://aqmeii-eu.wikidot.com/)

Die Modellentwicklung auf dem Gebiet der Luftqualitätsvorhersage ist in den letzten Jahren aufgrund der steigendenden Computerressourcen rasant vorangegangen. Mittlerweile gibt es zahlreiche Modelle, welche die Wechselwirkungen zwischen Meteorologie und Luftchemie berücksichtigen. Im Rahmen der EU COST Aktion ES 1004 “European framework for online integrated air quality and meteorology modelling (EuMetChem, http://eumetchem.info/)” befassen sich Experten aus ganz Europa mit einer neuen Generation von Modellen zur Vorhersage der Luftqualität. An der ZAMG wird das Modell WRF/Chem verwendet, in welchem die Simulation der Luftqualität direkt in einem Wettervorhersagemodell integriert ist.

Die ZAMG als offizieller Vertreter Österreichs koordiniert bei dieser COST-Aktion im Rahmen einer großangelegten Evaluierungsstudie die Modellgruppen aus Europa. Schwerpunkt der Studie sind Nachrechnungen von Aerosolepisoden, wie z.B. die großflächigen Waldbrände in Russland, Saharastaubtransporte nach Europa oder der Ausbruch des Eyjafjallajökull, die die Öffentlichkeit im Jahr 2010 in Atem gehalten haben. Ziel ist dabei, die Vorhersage von Luftschadstoffen zu verbessern. Da die Berechnungen derartiger Vorhersagemodelle sehr rechenintensiv sind, wird das Modellsystem auf dem neuen Hochleistungsrechner der ZAMG betrieben.

Innenministerium und Lebensministerium haben den gesetzlichen Auftrag, in angemessenen Zeitabständen Notfallübungen im Strahlenschutz abzuhalten. Bei der bundesweiten Strahlenschutzübung INTREX 12 (integrated radiation exercise) von 22. bis 29. Oktober stand das Zusammenwirken der zuständigen Stellen auf Bundes- und Landesebene im Vordergrund.

Übungsannahme war ein Zwischenfall in einem grenznahen Kernkraftwerk nördlich von Österreich. Wie auch im Realfall vorgesehen, simulierte die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) die infolge des angenommenen Übungswetters zu erwartende Verlagerung radioaktiv kontaminierter Luftmassen. Darüber hinaus versorgten die Meteorologinnen und Meteorologen das staatliche Krisenmanagement mit weiteren Angaben über die voraussichtliche Wetterentwicklung.

Neben den Messungen des Strahlenfrühwarnnetzes bilden diese Informationen wesentliche Grundlagen für die Lagebewertungen und die Maßnahmenplanung gemäß Strahlenalarmplan. Durch diese Mess- und Prognosesysteme wird wertvolle Zeit für die Vorbereitung und Umsetzung von Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung gewonnen.

Auswirkungen noch vor Eintreffen der radioaktiven Wolke abschätzen

Bei Ereignissen, bei denen größere Mengen an radioaktiven Substanzen in die Atmosphäre freigesetzt werden können, wie zum Beispiel bei schweren Kernkraftwerksunfällen, spielen die Verfrachtung der radioaktiv kontaminierten Luftmassen und die weitere Wetterentwicklung eine entscheidende Rolle. Beispielsweise führen Regen oder Schneefall in den betroffenen Regionen zu einer deutlich höheren radiologischen Belastung.

Durch den Einsatz von Entscheidungshilfesystemen können im Lebensministerium auf Basis der Modellrechnungen und Wettervorhersagen in der Frühphase eines radiologischen Notfalls erste Abschätzungen über die Auswirkungen auf die Bevölkerung und die Umwelt vorgenommen werden, noch vor dem tatsächlichen Eintreffen der radioaktiv kontaminierten Luftmassen und dem Vorliegen von Messergebnissen aus der automatischen Umweltüberwachung.

Abläufe an ZAMG werden regelmäßig geprobt

Für die Meteorologinnen und Meteorologen der ZAMG gehört diese Art von Notfallübungen zur Routine. Kathrin Baumann-Stanzer von der ZAMG: „Simulationen mit dem Krisenmodellsystem TAMOS sowie die störfallbezogene Wetterberatung in Kooperation mit dem Lebensministerium werden bei uns wöchentlich geprobt, damit im Ernstfall jeder Handgriff sitzt“.

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Web-Links

Allgemeine Informationen der ZAMG:
www.zamg.at und www.facebook.com/zamg.at

Modellsystem TAMOS für Krisenfallvorsorge:
www.zamg.ac.at/cms/de/umwelt/krisenfallvorsorge/nukleare-stoerfaelle/krisenfallvorsorge-und-krisenfallberatung

Lebensministerium - Strahlenfrühwarnsystem und Überwachung:
www.lebensministerium.at/umwelt/strahlen-atom/strahlenschutz/strahlen-warn-system.html

Innenministerium - Zivilschutz in Österreich:
www.bmi.gv.at/cms/bmi_zivilschutz/

Die Vorhersagen werden im Auftrag  der Ämter der Landesregierungen für Wien, Niederösterreich und Burgenland durchgeführt. Bei Überschreitungen der Grenzwerte von Ozon (Informations- und Alarmschwelle) wird die Bevölkerung umgehend informiert. Die täglichen Vorhersagen für den aktuellen und den folgenden Tag finden sie im Internet auf den folgenden Seiten:

Niederösterreich

Burgenland

Informationen zum Luftqualitätsvorhersagemodell der ZAMG finden Sie auf hier.

Im Fall einer solchen gefährlichen Gasfreisetzung ist in dicht verbauten Gebieten in kürzester Zeit eine große Anzahl von Personen betroffen. Das Krisenmanagement benötigt sehr rasche, realistische Vorhersagen über jene Bereiche, die beispielsweise durch Warnungen (Sirenen, Lautsprecher) aufgefordert werden müssen, in geschlossenen Gebäuden Schutz zu suchen oder über Gebiete, in welchen Evakuierungsmaßnahmen erforderlich sind.  Komplexe Gebäudestrukturen beeinflussen die Strömungsverhältnisse in der Stadt und verändern wesentlich die Verlagerung einer toxischen oder radioaktiven Wolke. Dies stellt hohe Anforderungen an die Verfahren zur Simulation der Giftgaswolke und zur Vorhersage der Gefahrenbereiche.

Fachleute aus Wissenschaft und Praxis (Einsatzkräfte, Krisenmanagement) berichteten über Methoden zur Vorhersage der Ausbreitung einer Giftgaswolke und Erfahrungen aus kleineren und größeren Störfallereignissen.  Über 40 Teilnehmer aus Europa, Japan und der USA diskutieren über Verbesserungsmöglichkeiten in der Störfallausbreitungsmodellierung, Aufgaben für die wissenschaftliche Forschung und über Anforderungen an die Praxistauglichkeit der Modelle.

Beispiele aus der Praxis zeigten Unsicherheiten in der Interpretation von Modellvorhersagen und Probleme in der Zusammenarbeit von Einsatzkräften unterschiedlicher Organisationen oder Länder aufgrund nicht kompatibler Methoden und Materialien.

Ein weiterer internationaler Erfahrungsaustausch, verbesserte Kommunikation und Kooperation über die Landesgrenzen hinweg wurden von allen Beteiligten des Workshops als sehr wichtig hervorgehoben.

Teilnehmer und Teilnehmerinnen des Workshops (3. und 4. von li.: K. Baumann-Stanzer und S. Stenzel, ZAMG) © zmaw

(Quelle Air Quality 2012)

Die interessierten Fragen und lebhafte Diskussion führten zu der gemeinsamen Hoffnung, auch zukünftig einen engen Erfahrungsaustausch im Rahmen von Besuchen, aber auch gemeinsamen Übungen zu Fragen des Katastrophenschutzes aufrecht zu erhalten.

v.l.n.r.: (vorne) OStWm Hutecek, VB/Hptm Dr. Reisinger, Obst Schuster (Kdt ABCAbwS), Doz. Dr. Lenhardt (ZAMG) OStWm Trimmel;(hinten) VB Krenn, Vzlt Rabl, FI Nutz, VB Schneider, VB Urech, Dr. Baumann-Stanzer (ZAMG), ADir Obstlt Richter, Mag. Skomorowski (ZAMG) © ZAMG