SPectral Aerosol Cloud Chemistry Interaction Model (SPACCIM)

Zur Untersuchung und numerischen Beschreibung der miteinander in Wechselwirkung stehenden mikrophysikalischen und chemischen Multiphasenprozesse in der Troposphäre (siehe Abb. 1) wurde das spektrale Luftpaket-Model SPACCIM in der Abteilung Modellierung des TROPOS entwickelt. SPACCIM kombiniert ein komplexes größenaufgelöstes Multiphasenchemie-Modell und ein mikrophysikalisches Wolkenmodell. Das verwendete Kopplungsschema (siehe Abb. 2) realisiert die Berücksichtigung der wechselseitigen Einflüsse zwischen mikrophysikalischen und chemischen Prozessen, erlaubt aber beiden Modellen weitgehend unabhängig voneinander zu arbeiten und eigene Zeitschrittweiten zu nutzen. Für die numerische Integration des chemischen Multiphasensystem wird ein implizites Schema höherer Ordnung angewendet, welches die spezielle Struktur des großen schwach-besetzten Modellgleichungssystems ausnutzt (Wolke and Knoth, 2002).

Das Mikrophysik-Modell basiert hauptsächlich auf den Arbeiten von Simmel und Wurzler (2006) und Simmel et al. (2005). Neben dem Wachstum und Schrumpfen von Aerosolpartikeln durch Kondensation bzw. Verdampfung von Wasserdampf, werden darin mikrophysikalische Prozesse wie die Aktivierung und Verdunstung von Wolkentropfen sowie die Kollision/Koaleszenz von Tropfen und Partikeln explizit beschrieben (siehe Abb. 1). Sowohl die Wachstumsraten durch Kondensations-/Verdunstungsprozesse als auch die Tropfenaktivierung basieren auf der Köhlertheorie. Die Bildung, Entwicklung und Verdunstung von Wolkentropfen wurden unter Nutzung einer 1-dimensionalen sektionalen Mikrophysik implementiert, welche sowohl gelöste Partikel als auch Wolkentropfen betrachtet. Für die Beschreibung der Multiphasenchemie benötigte meteorologische Größen, wie Temperatur und Feuchte, sowie wolkenmikrophysikalische Parameter, wie der Flüssigwassergehalt, werden vom Mikrophysik-Modell bereitgestellt. Andererseits beeinflussen chemische Prozesse die Partikelmassen sowie die Anteile der gelösten Stoffe und damit die Mikrophysik. Die zeitliche Interpolation der Größen sowie die Mittelung der durch mikrophysikalische Prozesse verursachten Massenflüsse wird durch das Kopplungsschema realisiert.

Chemische Mechanismen unterschiedlichster Komplexität können eingebunden werden, um die Multiphasenchemie sowohl in deliqueszenten Partikeln als auch in Wolkentropfen zu modellieren. Der zurzeit am weitesten entwickelte Multiphasenmechanismus besteht aus dem Gasphasenmechanismus MCMv3.2 (http://mcm.york.ac.uk) und dem Flüssigphasenmechanismus CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism, version 4.0, Bräuer et al. (2019)).

SPACCIM fand bereits Anwendung in verschiedenen Studien, welche sich auf chemische Prozesse im troposphärischen Multiphasensystem konzentrierten (siehe Referenzen). Neben der Beschreibung von Wolkenprozessen wurden dabei in letzter Zeit zunehmend auch chemische Umwandlungen in deliqueszenten Partikeln betrachtet, wie beispielsweise die Bildung organischer Masse aus gasförmigen Vorläufersubstanzen und die Prozessierung von Staubpartikeln mineralischen Ursprungs. In diesem Zusammenhang wurde ein Aktivitätskoeffizienten-Modell in SPACCIM implementiert, welches die Nicht-Idealität der Lösungen und die damit zusammenhängenden Auswirkungen auf die Multiphasenchemie berücksichtigt (Rusumdar et al. 2016, 2020).

Referenzen

Bräuer, P., A. Tilgner, R. Wolke, and H. Herrmann (2013), Mechanism development and modelling of tropospheric multiphase halogen chemistry: The CAPRAM Halogen Module 2.0 (HM2), J Atmos Chem, 1-34, doi: 10.1007/s10874-013-9249-6.

Bräuer, P., Mouchel-Vallon, C., Tilgner, A., Mutzel, A., Böge, O., Rodigast, M., Poulain, L., van Pinxteren, D., Wolke, R., Aumont, B., Herrmann, H. (2019), Development of a protocol for the auto-generation of explicit aqueous-phase oxidation schemes of organic compounds, Atmos. Chem. Phys., 19, 9209-9239, doi: 10.5194/acp-19-9209-2019.

Deguillaume, L., A. Tilgner, R. Schrodner, R. Wolke, N. Chaumerliac, and H. Herrmann (2009), Towards an operational aqueous phase chemistry mechanism for regional chemistry-transport models: CAPRAM-RED and its application to the COSMO-MUSCAT model, J Atmos Chem, 64(1), 1-3, doi: 10.1007/s10874-010-9168-8.

Gatzsche, K., Iinuma, Y., Tilgner, A., Mutzel, A., Berndt, T., Wolke, R. (2017), Kinetic modeling studies of SOA formation from α-pinene ozonolysis, Atmos. Chem. Phys., 17, 13187-13211, doi: 10.5194/acp-2017-275.

Herrmann, H., A. Tilgner, P. Barzaghi, Z. Majdik, S. Gligorovski, L. Poulain, and A. Monod (2005), Towards a more detailed description of tropospheric aqueous phase organic chemistry: CAPRAM 3.0, Atmos Environ, 39(23-24), 4351-4363, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.02.016.

Hoffmann, D., A. Tilgner, Y. Iinuma, and H. Herrmann (2010), Atmospheric Stability of Levoglucosan: A Detailed Laboratory and Modeling Study, ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY, 44(2), 694-699, doi: 10.1021/es902476f.

Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Schrödner, R., Bräuer, P., Wolke, R., Herrmann, H. (2016), An advanced modeling study on the impacts and atmospheric implications of multiphase dimethyl sulfide chemistry, Proc. Nat. Acad. Sci. (PNAS), 113, 11776–11781, doi:10.1073/pnas.1606320113.

Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Wolke, R., Böge, O., Walter, A., Herrmann, H. (2018), Oxidation of substituted aromatic hydrocarbons in the troposphere aqueous phase: Kinetic mechanism development and modelling, Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 10960-10977, doi: 10.1039/C7CP08576A.

Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Wolke, R., Herrmann, H. (2019), Enhanced chlorine and bromine atom activation by hydrolysis of halogen nitrates from marine aerosols at polluted coastal areas, Environ. Sci. Technol., 53, 771-778, doi: 10.1021/acs.est.8b05165.

Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Vogelsberg, U., Wolke, R., Herrmann, H. (2019), Near-explicit multiphase modeling of halogen chemistry in a mixed urban and maritime coastal area, ACS Earth Space Chem., 3, 2452-2471, doi: 10.1021/acsearthspacechem.9b00184.

Hoffmann, E. H., Schrödner, R., Tilgner, A., Wolke, R., Herrmann, H. (2020), CAPRAM reduction towards an operational multiphase halogen and dimethyl sulfide chemistry treatment in the chemistry transport model COSMO-MUSCAT(5.04e), Geosci. Model Dev., 13, 2587-2609, doi: 10.5194/gmd-13-2587-2020.

Rusumdar, A. J., Wolke, R., Tilgner, A., Herrmann, H. (2016), Treatment of non-ideality in the SPACCIM multiphase model – Part 1: Model development, Geosci. Model Dev., 9, 247-281, doi: 10.5194/gmd-9-247-2016.

Rusumdar, A. J., Tilgner, A., Wolke, R., Herrmann, H. (2020), Treatment of non-ideality in the SPACCIM multiphase model - Part 2: Impacts on the multiphase chemical processing in deliquesced aerosol particles, Atmos. Chem. Phys., 20, 10351-10377, doi: 10.5194/acp-20-10351-2020.

Sehili, A. M., R. Wolke, O. Knoth, M. Simmel, A. Tilgner, and H. Herrmann (2005a), Comparison of different model approaches for the simulation of multiphase processes, Atmos Environ, 39(23-24), 4403-4417, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.02.039.

Sehili, A.-M., Wolke, R., Helmert, J., Simmel, M., Schröder, W., Renner, E., (2005b), Cloud chemistry modeling: Parcel and 3D simulations. In: Borrego, C., Norman, A.L. (Eds.), Air Pollution Modeling and Its Application XVII, Kluwer Academic Publishers, New York.

Simmel, M., K. Diehl, and S. Wurzler (2005), Numerical simulation of the microphysics of an orographic cloud: Comparison with measurements and sensitivity studies, Atmos Environ, 39(23-24), 4365-4373, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.02.017.

Simmel, M., and S. Wurzler (2006), Condensation and activation in sectional cloud microphysical models, Atmos Res, 80(2-3), 218-236, doi: 10.1016/j.atmosres.2005.08.002.

Tilgner, A., P. Bräuer, R. Wolke, and H. Herrmann (2013), Modelling multiphase chemistry in deliquescent aerosols and clouds using CAPRAM3.0i, J Atmos Chem, 70(3), 221-256, doi: 10.1007/s10874-013-9267-4.

Tilgner, A., and H. Herrmann (2010), Radical-driven carbonyl-to-acid conversion and acid degradation in tropospheric aqueous systems studied by CAPRAM, Atmos Environ, 44, 5415-5422, doi: 10.1016/j.atmosenv.2010.07.050.

Tilgner, A., Z. Majdik, A. M. Sehili, M. Simmel, R. Wolke, and H. Herrmann (2005), SPACCIM: Simulations of the multiphase chemistry occurring in the FEBUKO hill cap cloud experiments, Atmos Environ, 39(23-24), 4389-4401, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.02.028.

Weller, C., Tilgner, A., Bräuer, P., Herrmann, H. (2014), Modeling the impact of iron-carboxylate photochemistry on radical budget and carboxylate degradation in cloud droplets and particles, Environ. Sci. Technol., 48, 5652-5659, doi: 10.1021/es4056643.

Whalley, L. K., Stone, D., George, I. J., Mertes, S., van Pinxteren, D., Tilgner, A., Herrmann, H., Evans, M. J., Heard, D. E. (2015), The influence of clouds on radical concentrations: Observations and modelling studies of HOx during the Hill Cap Cloud Thuringia (HCCT) campaign in 2010, Atmos. Chem. Phys., 15, 3289-3301, doi: 10.5194/acp-15-3289-2015

Wolke, R., A.M. Sehili, M. Simmel, O. Knoth, A.Tilgner, H. Herrmann (2005), SPACCIM: A parcel model with detailed microphysics and complex multiphase chemistry, Atmos. Env., 39, 4375-4388, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.02.038.

Wolke, R., and O. Knoth (2002), Time-integration of multiphase chemistry in size-resolved cloud models, Applied Numerical Mathematics, 42, 473–487, doi: 10.1016/S0168-9274(01)00169-6.

Ye, C., Chen, H., Hoffmann, E. H., Mettke, P., Tilgner, A., He, L., Mutzel, A., Brüggemann, M., Poulain, L., Schaefer, T., Heinold, B., Ma, Z., Liu, P., Xue, C., Zhao, X., Zhang, C., Zhang, F., Sun, H., Li, Q., Wang, L., Yang, X., Wang, J., Liu, C., Xing, C., Mu, Y., Chen, J., Herrmann, H. (2021), Particle-phase photoreactions of HULIS and TMIs establish a strong source of H2O2 and particulate sulfate in the Winter North China Plain, Environ. Sci. Technol., 55, 7818-7830, doi: 10.1021/acs.est.1c00561.