FGSV-Nr. FGSV 002/109
Ort Bergisch Gladbach
Datum 04.03.2015
Titel Prognose im Umweltorientierten Verkehrsmanagement
Autoren Dipl.-Phys. Volker Diegmann
Kategorien Luftqualität
Einleitung

Unter einer Prognose im Rahmen der allgemeinen Luftreinhalteplanung wird ein Verfahren zur modellhaften Beschreibung der Luftschadstoffkonzentration in der Umgebungsluft verstanden. In der Regel kommen dazu Ausbreitungsrechnungen zur Anwendung [KRdL 2013]. Im Umweltorientierten Verkehrsmanagement (UVM) sollen kurzfristig aktivierbare und temporär wirkende verkehrliche Maßnahme zur Reduktion der Luftschadstoffbelastung eingesetzt werden [Straßenverkehr 2014]. Die Anwendungsbereiche von Prognosen im UVM sind

- Überwachung und Analyse der aktuellen Situation,

- Planung und Wirkungsanalyse von Maßnahmen

-  Vorhersage zukünftiger Situationen als Folge von sich zeitlich ändernden Einflussgrößen wie Verkehr, Meteorologie und Vorbelastung

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Einführung

Unter einer Prognose im Rahmen der allgemeinen Luftreinhalteplanung wird ein Verfahren zur modellhaften Beschreibung der Luftschadstoffkonzentration in der Umgebungsluft verstanden. In der Regel kommen dazu Ausbreitungsrechnungen zur Anwendung [KRdL 2013]. Im Umweltorientierten Verkehrsmanagement (UVM) sollen kurzfristig aktivierbare und temporär wirkende verkehrliche Maßnahme zur Reduktion der Luftschadstoffbelastung eingesetzt werden [Straßenverkehr 2014]. Die Anwendungsbereiche von Prognosen im UVM sind

- Überwachung und Analyse der aktuellen Situation,

- Planung und Wirkungsanalyse von Maßnahmen

-  Vorhersage zukünftiger Situationen als Folge von sich zeitlich ändernden Einflussgrößen wie Verkehr, Meteorologie und Vorbelastung.

Eine Prognose als Vorhersage zukünftiger Situationen basiert dabei auf Methoden und Werkzeugen zur Beschreibung der aktuellen Situation, die für vorhergesagte zukünftige Randbedingungen angewendet werden, um Einschätzungen über die zu erwartende Luftschadstoffsituation zu erhalten. Auf dieser Basis werden dann gegebenenfalls Maßnahmen und Eingriffstiefen ausgewählt, die eine verbesserte Luftschadstoffsituation erwarten lassen und idealerweise die Einhaltung von Luftschadstoffgrenzwerten ermöglichen bzw. dazu beitragen.

Für eine brauchbare Vorhersage zukünftiger Belastungssituationen ist also ein validiertes und operationales Prognosesystem (Modellinstrumentarium) zur Beschreibung der aktuellen Situation unerlässlich.

Methoden

Im Rahmen der Grenzwertbeurteilung kommen zur Ermittlung der Schadstoffimmissionen Messungen zum Einsatz. Mit einer Messung kann aber nur die aktuelle Gesamtbelastung für ausgewählte Orte bestimmt werden. Damit erfüllen Messungen zwar die im UVM erforderliche Anforderung der lokalen Überwachung, für die weiteren oben genannten Anwendungsbereiche sind aber Prognosen unerlässlich. Im Rahmen von UVM kommen dazu verschiedene Verfahren und Modelle zum Einsatz. Die Prognose der Schadstoffkonzentration an verschiedenen Punkten wird für den Kfz-Verkehr mit sogenannten Ausbreitungsmodellen durchgeführt. Verschiedene Verfahren und Modelle zur Bestimmung verkehrsbedingter Immissionen werden zum Beispiel in [LUBW 2010] beschrieben.

Das Untersuchungsgebiet einer Modellierung im UVM umfasst den erweiterten Hotspot, der durch die Maßnahmen positiv beeinflusst werden soll und den Wirkungsbereich der Maßnahme. Da sowohl die Maßnahmen einen größeren Bereich betreffen und oftmals auch die Betrachtung mehrerer Hotspots in einer Stadt notwendig ist, ist als Untersuchungsgebiet in vielen Fällen die ganze Stadt bzw. ein größerer Teil davon zu betrachten.

Zeitbezug

Die größten Probleme in der Luftreinhaltung bezogen auf die geltenden Grenzwerte liegen aktuell bei den Schadstoffen NO2 und PM10. Auf Grund der unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Quellstrukturen und Bildungs- und Abbauprozessen von NOX/NO2 und PM10 sind die Zeitbezüge in der Prognose verschieden. Bei NO2 ist vor allem der Einfluss des zeitlich stark variierenden lokalen Kfz-Verkehrs von entscheidender Bedeutung für die Gesamtbelastung im Hotspot. Bei PM10 spielt der zeitlich sich eher langsam verändernde großräumige Hintergrund eine entscheidende Rolle.

Unter Berücksichtigung der aktuellen Grenzwertproblematik muss bei NO2 der Jahresmittelwert gesenkt werden, bei PM10 besteht der Handlungsdruck bei der Einhaltung des Tagesgrenzwerts. Mit einem UVM sollen in meteorologisch ungünstigen Situationen Maßnahmen im Verkehrsgeschehen aktiviert werden, die durch eine Verbesserung des Verkehrsflusses oder Verminderung der Verkehrsmenge die Kfz-Emissionen im Hotspot mindern. Zur Abbildung des Verkehrsgeschehens eignen sich Intervalle von ca. 15 Minuten, da damit die Effekte einzelner Phasen periodischer LSA-Umläufe im Routinebetrieb vernachlässigt werden können. Messdaten der Luftschadstoffbelastung und der Meteorologie liegen oftmals als stündliche oder halbstündliche Zeitreihen vor. Als Betrachtungsintervall in der Prognose ist damit also ein Bereich von 15 Minuten bis eine Stunde sinnvoll. Auswertungen zur Ermittlung des PM10-Tagesmittelwerts und des NO2-Jahresmittelwerts sind bei ausreichender Datenverfügbarkeit auf dieser Grundlage möglich.

Beim Auftreten kritischer Luftschadstoffbelastungen benötigt man zum Gegensteuern im UVM lokal wirkende Maßnahmen, die auf einer kurzfristigen Schadstoffvorhersage basieren, die die Situation der kommenden Stunden abbildet. Um großräumig wirkende Maßnahmen und auch Verhaltensänderungen der Verkehrsteilnehmer zu aktivieren, benötigt man eine mittelfristige Vorhersage für den aktuellen und die kommenden Tage.

Einflussgrößen

Die Gesamtbelastung durch Luftschadstoffe an Hotspots in einer Stadt setzt sich aus der Vor- und der Zusatzbelastung zusammen, die beide in hohem Maße von der meteorologischen Situation beeinflusst werden. Die zeitliche Variabilität der Zusatzbelastung wird neben der Meteorologie durch das lokale Verkehrsgeschehen bestimmt. In vereinfachter Form ist für die Bestimmung der Luftschadstoffbelastungen an Hotspots in einer Stadt also die Kenntnis der Größen

- Meteorologie,

- Vorbelastung und

- Zusatzbelastung

erforderlich. Je nach Anwendungsbereich werden diese Einflussgrößen modelliert, mittels statistischer Verfahren berechnet oder aus Messungen gewonnen. Eine Übersicht der Methoden für die Ermittlung in den jeweiligen Anwendungsbereichen gibt die folgende Tabelle:

Für die Modellierung der Zusatzbelastung in einem verkehrlichen Hotspot müssen Daten zum lokalen Verkehrsgeschehen vorliegen. Für die Analyse und das Monitoring kann dabei auf Messdaten zurückgegriffen werden. In der Vorhersage sind Ergebnisse aus entsprechenden Modellen zur Vorhersage dieser Einflussgrößen erforderlich.

Die Qualität von Vorhersagen zukünftiger Situationen hängt bei einem validierten Prognosesystem (Modellinstrumentarium) ganz entscheidend von der Qualität der Vorhersagen der relevanten Einflussgrößen ab

Beispiele von Prognosen im UVM

Im Konferenzbeitrag werden neben einer kurzen Einführung in die Anwendungsbereiche und Methoden der Prognose anhand verschiedener Beispiele die Möglichkeiten und Grenzen der Prognose im Rahmen des Umweltorientierten Verkehrsmanagements dargestellt und diskutiert.

Für den Einsatzbereich von Prognosen in der Analyse und für das Monitoring werden dazu Anwendungen und Ergebnisse für Berlin, Braunschweig und Potsdam gezeigt.

Für den Einsatzbereich der Vorhersage werden die Methoden und Herausforderungen sowie erste Ergebnisse am Beispiel aktueller Entwicklungen für Braunschweig diskutiert. Dabei werden Vorhersagen meteorologischer Eingangsgrößen aus dem EURAD-Modell [Jakobs et al. 2002], statistische Verfahren und die Verbindung mit Ergebnissen aus kurz- und mittelfristigen Verkehrsvorhersagen beleuchtet.

Literatur

KRdL 2013: Umweltmeteorologie - Qualitätssicherung in der Immissionsberechnung - Kraftfahrzeugbedingte Immissionen. VDI-Richtlinie 3783 Blatt 14. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN - Normenausschuss KRdL. 2013.

Diegmann, V. 2014: Umweltwirkungen von dynamischen Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen - eine Übersicht mit Fallbeispielen. Straßenverkehrstechnik Nr. 4, S. 237-245. 2014.

LUBW 2010: Modellierung verkehrsbedingter Immissionen - Anforderungen an die Eingangsdaten. Grundlage HBEFA 3.1. Leitfaden. Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW). Erarbeitet von IVU Umwelt GmbH, Freiburg. 2010.

Jakobs, H. J.; Friese, E.; Memmesheimer, M.; Ebel, A. 2002: A Real-time Forecast System for Air Pollution Concentrations. A contribution to subproject GLOREAM. Proceedings from the EUROTRAC-2 Symposium 2002. 2002.