Fragen und Antworten zu LASAT

PLURIS ist für die Berechnung der Überhöhung eines einzelnen Kamins konzipiert. Davon abweichende Anwendungen sind sorgfältig in Hinblick auf Physik und technische Umsetzung in LASAT zu prüfen. Insbesondere verwendet LASAT bei der Berechnung der dynamischen Überhöhung als formale Austrittshöhe den Wert Hq (Standard 10 m), auch bei über X1/Y1 usw. definierte Linienquellen. Die für die Überhöhungsrechnung verwendeten Quellparameter können in der Protokolldatei lasat.log kontrolliert werden (Aufrufoption --log-pluris in Kombination mit -v3 oder -v4).

IBJdis geht davon aus, dass sich die Werte xmin/ymin für Flächen- und Volumenmittel (Eintrag in vldf ist gleich V) auf den linken/unteren Rand der Fläche i=1/j=1 beziehen und für Punktwerte (Eintrag in vldf ist gleich P) auf den Punkt i=0/j=0. Damit ist gewährleistet, dass bei Wahl eines Index-Ausschnittes die Werte xmin/ymin beibehalten werden können. Nimmt man zum Beispiel in einer DMNA-Datei mit Volumenmitteln und Indexbereich i=1..5 die Datenzeile i=1 weg und ändert entsprechend den Indexbereich auf i=2..5 (Parameter lowb, hghb), so stellt IBJdis die Flächen nach wie vor an den richtigen Orten dar.

• In emissions.def muss der Parameter Emisfac als zeitabhängig definiert werden (Emisfac = ?).

  Achten Sie darauf, daß der Parameter in einer Fortsetzungszeile steht oder von dem Punkt, der den Zuweisungsteil einleitet, durch mindestens ein Leerzeichen getrennt ist (das gilt generell; ohne Leerzeichen würde der Parameter ignoriert und die Rechnung wäre falsch).

• Die Dateien meteo.def und variable.def müssen mit dem Programm Lpraks aus der AKS (Ausbreitungsklassenstatistik) erzeugt werden.
• Der Parameter Interval in param.def muß auf 1.00:00:00 gesetzt und die Parameter End und Average entsprechend der AKS gesetzt werden (siehe Log-Ausgabe von Lpraks und Informationen im Referenzbuch).
• Nach der TA Luft kann bei Verwendung einer AKS keine nasse Deposition berücksichtigt werden.
• Prüfen Sie das Projekt vor dem Durchlauf mit dem LASAT-Tool DefCheck.

• Version 2.1 verwendet eine etwas andere Zuordnung von Obukhov-Längen zu Klug/Manier-Klassen als Version 2.6/5.3 (siehe Referenzbuch).
• In Version 2.1 wird im Gegensatz zu Version 2.6/5.3 keine Drehung der Windrichtung mit der Höhe berücksichtigt.
• Version 2.1 liefert insbesondere in größerer Höhe breitere und realistischere Fahnen als Version 2.6.
• Version 2.1 läßt die Turbulenzprofile in der Verdrängungsschicht linear zum Erdboden hin abfallen, Version 2.6/5.3 setzt sie konstant.
• Für kleine Rauhigkeitslängen (etwa 0.1 m oder weniger) besitzt der horizontale Austauschkoeffizient in Version 2.1 einen größeren Gradienten in Bodennähe und erfordert für bodennahe (etwa unter 10 m), räumlich wenig ausgedehnte Quellen für die Berechnung von Kurzzeitwerten eine bessere vertikale Auflösung als das Standardraster (0 m, 3 m, usw.), das in diesem Fall auf zu schmale Fahnen führt.

In LASAT können für alle oder einen Teil der verwendeten Stoffe räumlich und zeitlich variable Depositionsgeschwindigkeiten vorgegeben werden. Nähere Informationen sind im Referenzbuch aufgeführt. Bei der Festlegung sind folgende Punkte zu beachten:

• Für jeden Stoff kann ein eigenes Kataster verwendet und mit dem LASAT-Tool Lprgrd in eine LASAT-Eingabedatei umgesetzt werden. Das LASAT-Tool Lprgrd fügt mit jedem Aufruf die Depositionsgeschwindigkeiten des aktuellen Stoffs als Datenfeld in die Datei vdp*.dmna ein. Siehe das Beispiel DEPO-2D im Arbeitsbuch von LASAT. Für Stoffe, die nicht in der Datei vdp*.dmna gefunden werden, verwendet LASAT die übliche, in Datei substances.def angegebene Depositionsgeschwindigkeit. Siehe Abschnitt 3.5.1 im Referenzbuch von LASAT.
• Wird für einen Stoff die Depositionsgeschwindigkeit als Datenfeld vorgegeben, sollte seine Depositionsgeschwindigkeit in Datei substances.def zur Sicherheit auf 0 gesetzt werden. Der Wert in Datei substances.def wird benutzt, wenn kein Datenfeld für den Stoff angegeben ist oder vom Programm gefunden wurde. Der Wert 0 erleichtert die Kontrolle im Ergebnis.
• In Datei param.def müssen die Parameter DepoBase und Depo vorgegeben werden. Der Parameter Depo muss auf einen Wert größer 0 gesetzt sein (entweder explizit oder, bei zeitabhängigem Wert, in der Zeitreihe). Mit Depo = 0 (das ist die Standardeinstellung) werden keine Depositionsdateien eingelesen.
• Das für das LASAT-Tool Lprgrd verwendete Kataster muss mindestens das Rechengebiet abdecken. Tut es das nicht, schreibt Lprgrd für die nicht abgedeckten Zellen den Wert -1 als Depositionsgeschwindigkeit aus. Dies führt dann bei der Rechnung mit LASAT auf eine Fehlermeldung. Die Zellengröße und Position des Katasters ist ansonsten frei wählbar und muß nicht mit den Festlegungen in Datei grid.def übereinstimmen.

Nach der DWD-Spezifikation einer AKTerm sind Kalmen (Stunden mit Windstille) durch die Windrichtung 0 zu kennzeichnen (Wind aus Nord wird durch 360 Grad festgelegt). Gleichzeitig sollte auch die Windgeschwindigkeit auf 0 gesetzt sein: Zum einen aus naheliegender Plausibilität, zum anderen, damit die Vorschrift zur Festlegung der Richtungsverteilung gemäß Anhang 2 der TA Luft konsistent umgesetzt werden kann. Eine Windrichtung 0 sollte also immer mit Windgeschwindigkeit 0 und eine Windgeschwindigkeit 0 mit Windrichtung 0 einhergehen. Das ist auch die Konvention des DWD. Das Programm Lprakt und Austal2000 identifizieren Windstille anhand einer Windgeschwindigkeit gleich 0.

Das Vorliegen einer Geruchsstunde wird programmintern durch den Vergleich des in einer Gitterzelle bestimmten Stundenmittels der Konzentration mit der Beurteilungsschwelle festgestellt. Dafür muss die Konzentration räumlich hinreichend aufgelöst sein. Für Stundenmittel ist im allgemeinen eine höhere räumliche Auflösung als für Langzeitmittel erforderlich. Dieser Punkt kann insbesondere im Nahbereich von bodennahen Punktquellen von Bedeutung sein. Als Faustregel sollten in diesem Fall zwischen Quelle und Aufpunkt mindestens 5 Gitterzellen liegen. Ist die Gittermasche zu groß, wird die Konzentration nicht ausreichend aufgelöst und die daraus abgeleitete Geruchsstundenhäufigkeit wird unter Umständen je nach Emissionsrate unter- oder überschätzt.

Auf Grundlage der räumlich hinreichend aufgelösten Ergebnisse einer Ausbreitungsrechnung können im Nachhinein größerflächige Mittel bestimmt werden. Hierfür kann beispielsweise das kleine Hilfprogramm A2KArea.jar eingesetzt werden. Diese Besonderheit der räumlichen Mittelung von Geruchsstundenhäufigkeiten liegt in der nichtlinearen Beziehung zwischen Geruchsstunde und Konzentration begründet (ja/nein-Entscheidung: Konzentration über oder unter der Beurteilungsschwelle). Für die räumliche Mittelung einer Konzentration können direkt die auf einem gröberen Netz ausgewiesenen Konzentrationswerte herangezogen werden.

Keine, da die hierin enthaltenen Konzentrationswerte das statistische Gewicht enthalten und nicht unmittelbar interpretiert werden können (siehe auch FAQ 11). Für AKS-Rechnungen sollte daher der Flag MNT nicht verwendet werden.

Um systematische Effekte bei der Berechnung der Geruchsstundenhäufigkeit auszuschließen (siehe Erläuterungen im Anhang des AUSTAL- und LASAT-Handbuches), muss mit einer genügend großen Zahl von Simulationspartikeln gerechnet werden. In der Regel (eine oder mehrere, dicht beieinander liegende, bodennahe Quellen, Standard-Vertikalraster) ist dafür bei Zeitreihenrechnungen eine Rate=8 (AUSTAL-Qualitätsstufe 2) ausreichend. Wenn die Quellen jedoch sehr weit voneinander entfernt sind oder eine emissionsseitig dominierende Quelle aufgrund ihrer Bauhöhe und/oder Überhöhung kaum zur Gesamtimmission beiträgt (aber trotzdem die meisten Partikel, die entsprechend der Quellstärke aufgeteilt werden, auf sich zieht), kann eine deutlich höhere Rate erforderlich sein. Das ist auch der Fall, wenn das Auszählvolumen (Mittelungsvolumen) durch Wahl einer sehr feinen horizontalen oder vertikalen Maschenweite stark reduziert wird. Wenn der systematische Effekt unterbunden wird, ist die ausgewiesene (absolute) statistische Unsicherheit auch bei Geruchsstunden eine vertrauenswürdige Schätzung.

Achten Sie darauf, dass die Stoffnamen keinen Bindestrich ("-") enthalten. Er dient den LTools als Erkennungszeichen für eine anschließende Korngrößenklasse nach TA Luft. Verwenden Sie stattdessen einen Unterstrich ("_").

Die Gesamtemission hat keine unmittelbare Bedeutung, da es sich bei einer AKS-Rechnung um die gewichtete Überlagerung von stationären Situationen ohne direkten Zeitbezug handelt (der Zeitbezug von einer Stunde für die Einzelsituation bzw. von einem Jahr für die gesamte AKS ist eine Interpretation).
In der rechnerischen Abarbeitung der AKS wird eine Einzelsituation formal über die Dauer eines Tages gerechnet (in einer Weise, die im Ergebnis dem einer stationären Situation entspricht). Zu Anfang des Tages erfolgt die Freisetzung über eine Dauer, die proportional zum statistischen Gewicht der Einzelsituation ist. Die Summe der Emissionszeiten über alle Situationen ist ein Tag. Zusätzlich wird die vom Benutzer vorgegebene, konstante Emissionsstärke q mit der Anzahl N der Einzelsituationen multipliziert, damit das Mittel über die N Tage dem Mittel über alle Einzelsituationen entspricht.
Die formale Gesamtemission ist daher q*24h*N. Zum Vergleich: In einer echten Zeitreihenrechnung über 365 Tage ist die Gesamtemission bei konstanter Quellstärke q*24h*365. Die Gesamtemission der AKS-Rechnung ist also um den Faktor N/365 höher als bei einer entsprechenden Zeitreihenrechnung, wobei N die Anzahl der Situationen ist, die in der Datei param.def als Parameter Average vorgegeben wird.
Beachten Sie, dass in einer AKS-Rechnung der Parameter Emisfac in Datei emissions.def als zeitabhängig deklariert werden muss. Seine Zeitreihe wird von Lpraks in Datei variable.def festgelegt und steuert das An- und Abschalten der Emission und die Multiplikation mit dem Faktor N.

Dieses Verfahren ist mit Vorsicht durchzuführen, da diese DEF-Dateien nicht notwendigerweise den aktuellen LASAT-Konventionen genügen.

Bei Angabe mehrerer Anemometerhöhen darf nicht die Grenzschichtmodell-Version 5.x oder 2.6 benutzt werden. Mit diesen Versionen werden streng die Profile nach TA Luft verwendet.

• Die Windfelder müssen auf dem Arakawa-C-Netz definiert sein.
• Vor der Ausbreitungsrechnung wird intern die Restdivergenz in jeder Gitterzelle durch einfache Anpassung der z-Komponente beseitigt. Die bereitgestellten Windfelder sollten daher möglichst divergenzfrei sein, damit sich diese Anpassung auf ein Minimum beschränkt.

• In den Windfeldern wird als Vertikalkomponente die s-Komponente erwartet, nicht die z-Komponente. Diese ist gegebenenfalls sorgfältig festzulegen. Bei einem geländefolgenden Koordinatensystem (das ist der Standard) und einem horizontalen Strömungsfeld ist die s-Komponente über jedem nicht-horizontalen Geländesegment ungleich 0, da sie den Fluss durch den Boden der geländefolgenden Gitterzelle beschreibt. In einem einfachen Ansatz kann die s-Komponente am Erdboden auf 0 gesetzt (das ist ohnehin eine notwendige Randbedingung) und die s-Komponente in den darüberliegenden Gitterzellen Schritt für Schritt so festgelegt werden, dass die Divergenz in jeder Zelle verschwindet (so wird auch intern vor der Ausbreitungsrechnung die Restdivergenz beseitigt). Eine Ausnahme ist das Initialisierungsfeld (Gruppenkennung f): Hier kann alternativ zur s-Komponente die z-Komponente vorgegeben werden (zur Festlegung siehe Referenzbuch). Je weniger das diagnostische Verfahren die Vertikalkomponente des Initialisierungsfeldes ändern muss, desto mehr bleiben die vorgegebenen Horizontalkomponenten des Initialisierungsfeldes erhalten.
• Sollen die Windfelder ohne Skalierung verwendet werden, muss in der Datei meteo.def trotzdem Ua und die Stabilitätsklasse (Klasse Km oder Obukhov-Länge Lm) angegeben sein, damit LASAT hieraus die Schubspannungsgeschwindigkeit für die (ebenen) Turbulenzprofile bestimmen kann.
  Die Stabilitätsklasse (Klasse oder Obukhov-Länge) wird auch benötigt, wenn LASAT eine Abgasfahnenüberhöhung entsprechend VDI 3782-3 festlegen soll. Wird die Abgasfahnenüberhöhung mit PLURIS berechnet, benötigt PLURIS die Schubspannungsgeschwindigkeit; sie kann explizit vorgegeben werden, sonst wird sie intern aus dem theoretischen Windprofil berechnet; in letzterem Fall sind also Vorgaben von Km/Lm, Ua, Ha, Z0, D0 erforderlich, auch wenn ansonsten sämtliche Felder extern vorgegeben werden.
  Ohne Abgasfahnenüberhöhung und bei Vorgabe aller Wind- und Turbulenzfelder muss zumindest formal eine Klasse angegeben sein, damit nicht alle meteorologischen Zeitintervalle als ungültig gekennzeichnet werden.
• Die tatsächlich von LASAT verwendeten meteorologischen Felder können mit Hilfe des Programms Lprprf inspiziert werden. Es erzeugt für einen vorgegebenen Zeitpunkt die Datei prfa0li.dmna mit den Modellfeldern, wie sie von Lasat in der Ausbreitungsrechnung verwendet werden. Dies ist ein wichtiges Hilfsmittel für die Prüfung, ob extern erzeugte Felder den Anforderungen von LASAT genügen. Vor der tatsächlichen Ausbreitungsrechnung sollten die Dateien prfa0li.dmna wieder gelöscht werden, da Lasat die Felder sonst direkt aus diesen Dateien ausliest und so nachträgliche Änderungen in meteo.def oder den vorgegebenen Feldern unberücksichtigt blieben.
• Gebäude: Gebäude werden auf dem Gitter aufgelöst. Eine Zelle wird als Gebäudezelle angesehen, wenn die Vertikalkomponente Vs des Windvektors auf dem Zellenboden einen Wert gleich -99 m/s hat. Bei nachträglichen Änderungen des Windfeldes (z.B. Aufprägung topographischer Effekte) darf dieser Wert nicht verändert werden. Unterhalb einer Gebäudezelle darf sich keine freie Zelle befinden (dies führt entweder zu einer Fehlermeldung oder zu fehlerhaften Konzentrationswerten).
• Geländeprofil in Kombination mit Netzschachtelung: LASAT passt die in den Dateien srfa0li.dmna definierten z-Werte für die äußersten zwei Randstreifen der inneren Netze anhand der Daten des nächst gröberen Netzes so an, dass ein möglichst glatter Übergang zwischen den Netzen gewährleistet ist. Die so "getunten" z-Werte werden in die von LASAT erzeugten Windfelddateien ausgeschrieben. Diese Werte müssen auch für die externen Windfelder verwendet werden. Im Standardmodus (Index Wind nicht gesetzt) prüft LASAT die Übereinstimmung von z-Werten in der Windfelddatei mit den intern erzeugten Werten und bricht bei Abweichungen mit einer entsprechenden Fehlermeldung ab.
• Einbindung in eine Windfeldbibliothek: Wenn extern erzeugte Windfelder in eine Standardbibliothek eingefügt werden, um sie über Auswahl eines Wertes größer 0 für den Index "Wind" in Datei meteo.def direkt anzusprechen (z.B. bei der Modellierung eines zeitabhängigen Kaltluftabflusses), dann sollte darauf geachtet werden, dass diese Felder nicht bei Situationen mit Index "Wind" gleich 0 als Basisfelder für die übliche Überlagerung herangezogen werden. Das kann vermieden werden, indem der Ausbreitungsklassenindex "akl" im Dateikopf auf z.B. 7 gesetzt wird. Das Feld wird dann zwar in die Liste der Basisfelder übernommen, aber nicht als solches verwendet, da bei der Überlagerung nur Indizes 1 bis 6 angesprochen werden. Die Liste der eingelesenen Basisfelder und ihrer Klassenzuordnung kann mit der Lasat-Aufrufoption -p auf den Bildschirm und in die Datei lasat.log ausgegeben werden. Ob diese Felder dann während der Rechnung so überlagert oder eben nicht überlagert werden wie erwünscht, sollte anhand der intervallweisen Ausgaben in Datei lasat.log sorgfältig überprüft werden.

Prüfen Sie, ob die Restdivergenz des Windfeldes hinreichend klein ist. Bei starken Geländeunebenheiten (Steigungen von mehr als 1/4) konvergiert das Iterationsverfahren bei der Beseitigung der Divergenz nur langsam, 100 Iterationsschritte (Standard) sind hier eventuell nicht ausreichend (Parameter Im in grid.def). Als Faustregel sollte die Restdivergenz (Dimension Geschwindigkeit/Länge, siehe Lprwnd.log) deutlich kleiner sein als die typische Anströmgeschwindigkeit geteilt durch die typische Hindernisabmessung.

• Gebäude werden auf dem Rechengitter aufgerastert und in dieser Form berücksichtigt. Die Aufrasterung wird standardmäßig in der Datei volout00.dmna ausgegeben und kann hier überprüft werden.
• Die Unterkante eines Gebäudes liegt immer auf dem Erdboden.
• Die Dachneigung verläuft immer parallel zum Erdboden.

Vor einer Rechnung schauen Programme wie Lprwnd oder Lprgrd nach, ob schon binäre Parameterdateien vorhanden sind (zum Beispiel grdaxxx.dmna sldaxxx.dmna srfa100.dmna Sind diese vorhanden, werden sie nicht neu erzeugt. Löschen Sie vor dem Programmstart diese Dateien, damit Ihre Parameteränderungen auch wirklich berücksichtigt werden.

Der an der Anemometerposition vorgegebene Windvektor wird zur Erzeugung des freien Anströmfeldes verwendet, welches dann an das Gelände angeglichen und divergenzfrei gemacht wird. Bei diesem Vorgang kann sich auch der Windvektor an der Anemometerposition ändern. Damit das endgültige Windfeld am Anemometerort exakt die vorgegebenen Werte besitzt, müssen zuerst zwei Basisfelder erzeugt werden (zum Beispiel Anströmung aus Süden und aus Westen), aus denen durch Linearkombination das endgültige Windfeld gebildet wird (Windfeldbibliothek). Dieses Verfahren ist vor allem dann vorzuziehen, wenn das Anemometer nicht in freiem Gelände, sondern zum Beispiel in der Nähe eines Berghangs liegt. Die Verwendung von (eventuell intern erzeugten) Basisfeldern ist daher die Standardeinstellung.

Beachten Sie, dass für sehr ungünstige Anemometerpositionen die Basisfelder am Anemometerort aufgrund von zum Beispiel Kanalisierungseffekten bei stabiler Schichtung fast parallel verlaufen können. In diesem Fall ergeben sich meist sehr hohe Werte für die Faktoren, die zur Linearkombination verwendet werden (siehe lprwnd.log) und es treten im endgültigen Windfeld unerwünschte Effekte auf. Es ist daher wichtig, die Anemometerposition in komplexem Gelände sorgfältig zu wählen.

Wird in grid.def der Netztyp (Ntype) mit 2 bzw. FLAT3D vorgegeben, dann müssen keine Oberflächendateien srfa*.dmna vorgegeben werden. Es sollten auch keine vorgegeben werden, da sie sonst eingelesen und verwendet, aber verschiedene interne Tests übergangen werden. Mit Oberflächendateien sollte grundsätzlich der Netztyp 3 bzw. COMPLEX verwendet werden.

Das diagnostische Windfeldmodell Lprwnd verwendet zur Berechnung des Windfeldes in komplexem Gelände die Gewichtungsfaktoren av und ah. Ist av>1, so wird ein Hindernis eher umströmt als überströmt. Die resultierende Strömung entspricht einer Potentialströmung (av=1), die sich ergeben würde, wenn das Hindernis um den Faktor av erhöht wäre. Der Faktor av wird aus einer charakteristischen Geschwindigkeit, vc, und einer charakteristischen Längenskala der Geländeunebenheiten berechnet. Bei Gelände mit starken Höhenunterschieden kann es vorkommen, dass das so berechnete av zu groß ist. Für diesen Fall ist bekannt, daß Konvergenzprobleme auftreten können. Erfahrungsgemäß sollte av den Wert 5 nicht überschreiten. Über die Aufrufoption -m<AvMax> von Lprwnd kann ein reduzierter Maximalwert für av vorgegeben werden (Standard ist 10).

Beachten Sie, daß in LASAT die Mischungsschichthöhe für negative Obukhov-Längen (labile bis neutrale Schichtungen, Klassen III/2, IV, V) über NN gerechnet wird. Hat das Gelände einen globalen Höhen-Offset (beispielsweise ein Hügel auf einem Plateau), so muss dieser Offset zu der Mischungsschichthöhe dazuaddiert werden. Siehe Referenzbuch.

Im ersten Moment würde man erwarten, dass sich in diesem Fall exakt um einen Faktor 1000 erhöhte Konzentrationen ergeben, da die Trajektorien der Simulationsteilchen unverändert bleiben und sich nur die Masse, die von jedem Simulationsteilchen repräsentiert wird, erhöht. Bei der Berechnung der Gesamtteilchenzahl, die von der Quellstärke abhängt, können jedoch Rundungsfehler auftreten (die Teilchenzahl muss ganzzahlig sein!), so daß bei Vorgabe einer anderen Quellstärke auf einmal mit einem Teilchen mehr oder weniger gerechnet wird. Damit teilt sich auch die Folge von Zufallszahlen, die zur Berechnung der Teilchentrajektorien benötigt werden, anders auf die Teilchen auf und es entstehen entsprechend andere statistische Fluktuationen in der Konzentrationsverteilung.