Lärmausbreitung und Stadtklima- Meteorologische Unsicherheiten bei der Lärmprognose

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1 Fakultät Umweltwissenschaften, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Professur Meteorologie Lärmausbreitung und Stadtklima- Meteorologische Unsicherheiten bei der Lärmprognose Astrid Ziemann Projekte und Forschung zum Klimawandel, TLUG Jena,

2 Verkehrslärm= Umweltproblem 83% der befragten Personen sind durch Straßenverkehrslärm belästigt Einleitung UBA: Auswertung der Online-Lärmumfrage des Umweltbundesamtes, Folie 2

3 Straßenverkehrslärmspektrum Schallpegel [db] Pegel unbewertet Pegel A-bewertet Frequenz [Hz] Typisches Verkehrslärmspektrum im Abstand von 30 m von der Schallquelle Einleitung Folie 3

4 Schallpegel=20*log(p1/p0) Aurale Wirkung Extraaurale Wirkung Belästigung Folie 4

5 Schallausbreitung Atmosphäre Schema: Heimann, DLR-IPA Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 5

6 Effekte bei der Schallausbreitung Luftabsorption Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 6

7 Differenz Schallpegel [db] Messung - Berechnung -10 Meteorologischer Einfluss auf die Schallausbreitung 6 T/ z= 0 T/ z= + 4 T/ z= Ziemann und Schimmel, Schallfrequenz [Hz] Die Berechnung unterschätzt die Messung (Mittelwert über 60 min) um bis zu 5 db. Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 7

8 Schallbrechung im Mit- und Gegenwindbereich Zunahme von Windgeschwindigkeit und/oder Temperatur Abwärts gerichtete Schallbrechung Abnahme von Windgeschwindigkeit und/oder Temperatur Salomons, 2001 Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Aufwärts gerichtete Schallbrechung Folie 8

9 Brechungseffekt: Simulation von Schallstrahlen Schatten Mehrfachreflexionen Balogh und Ziemann, 2005 Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 9

10 Einfluss der Oberfläche auf das Windprofil Wind profile in an urban area Oke, 1988 Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 10

11 Einfluss der Oberfläche auf das Temperaturprofil Temperature profile in an urban area Helbig, 1999, Nach Oke, 1995 Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 11

12 Analytisches Modell: urbane Atmosphärenschichtung Analytische Vertikalprofile der Schallgeschwindigkeit 2-Schichtenmodell für Windvektor Linearisierte Temperaturprofile Einfluss Bebauung Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 12

13 Typische Schallgeschwindigkeitsprofile im urbanen Raum Effektive Schallgeschwindigkeit Temperatureinfluss (Betrag) = + Windeinfluss (Betrag+Richtung) Ziemann und Fischer, Höhe [m] Höhe [m] Effektive Schallgeschwindigkeit [ms -1 ] Höhe [m] Höhe [m] Effektive Schallgeschwindigkeit [ms -1 ] 0.2 T/ z = 0 T/ z = -1K/100m Effektive Schallgeschwindigkeit [ms -1 ] 0.2 T/ z = +1K/100m T/ z = 0 T/ z = -1K/100m Effektive Schallgeschwindigkeit [ms -1 ] Profile in Gegenwindrichtung: tagsüber nachts Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 13

14 Höhe [m] Simulation von Schallstrahlen mit SMART Ziemann und Fischer, Entfernung zur Schallquelle [m] Schallstrahlenberechnungin verschiedene horizontale Richtungen Horizontale Verteilung der Schallimmissionin einer bestimmten Höhe Schallausbreitung in Gegenwindrichtung, nachts, Temperaturzunahme Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 14

15 Temperaturabnahme Meteorologische Zusatzdämpfung im urbanen Raum typisches nächtliches Windprofil Temperaturzunahme Entfernung zur Schallquelle [m] Wind Ziemann und Fischer, 2009 Entfernung zur Schallquelle [m] Dämpfung db Entfernung zur Schallquelle [m] Wind Entfernung zur Schallquelle [m] Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 15

16 Meteorologische Zusatzdämpfung für nächtliche Profile Relative Häufigkeit [%] der Zusatzdämpfung Ziemann und Fischer, Erhöhter Schalleintrag T/ z = 0 T/ z = Km -1 T/ z = -0.01Km -1 T/ z = Km -1 T/ z = +0.01Km Meteorologische Zusatzdämpfung [db] Schallschatten >20 Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 16

17 Bezug zum Klimawandel Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 17

18 Schallklima Mittlere Schalllpegeldämpfung[dB] für Radiosondendaten der Station Lindenberg Wilsdorf et al., 2013 Qualitative Aussagen zum Schallklima haben sich im betrachteten Zeitraum nicht verändert. Langfristige Aussagen sind (noch) nicht möglich. Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung Folie 18

19 Messungen an einer Lärmschutzwand Messungen an der A4, Nähe Chemnitz Entfernungen der Messmikrofone zur Lärmschutzwand: 25 m and 150 m Berechnung der Schallpegeldifferenz (in 150 m) zwischen Messungen und Berechnungen Meteorologische Einflüsse auf den Lärmschutz Folie 19

20 Meteorologischer Einfluss auf den Lärmschutz Differenz Schallpegel [db] Messung - Berechnung Ziemann und Schimmel, Gegenwind Mitwind Schallfrequenz [Hz] Die Berechnung unterschätzt die Messung (Mittelwert über 60 min) an einer Lärmschutzwand um bis zu 4 db für Mitwindbedingungen. Meteorologische Einflüsse auf den Lärmschutz Folie 20

21 Waldbestand und Lärmschutz Kotzen and English, 1999: Environmental noise barriers: A guide to their acoustic and visual design Meteorologische Einflüsse auf den Lärmschutz Folie 21

22 Messungen im Tharandter Wald (Altfichtenbestand) August 2012 Schallquelle Signal: 40, 50, 63, 80, 100, 125 Hz Messungen auf Waldlichtung August/September 2011

23 Lärmschutzwirkung von Waldgebieten Normalisierte Schalldämpfung [db/m] Hz 50 Hz 63 Hz 80 Hz 100 Hz 125 Hz :00 02:00 08:00 14: 00 20:00 02:00 08: Uhrzeit [MEZ] Normalisierte Schalldämpfung [db/m] Hz 50 Hz 63 Hz 80 Hz 100 Hz 125 Hz :00 17:00 21:00 01:00 05:00 09:00 13: Uhrzeit [MEZ] Lichtung Altfichtenbestand Mittlerer Schallpegel zwischen Mik2 und Mik1 (ca. 26 m zur Schallquelle)/ Entfernung zwischen Mikrofonen (ca. 48 m) Meteorologische Einflüsse auf den Lärmschutz Folie 23

24 Meteorologischer Einfluss auf den Schallpegel in Waldgebieten Gradient effektive Schallgeschwindigkeit [1/s] m - 2m 20 m - 10 m :00 02:00 08:00 14:00 20:00 02:00 08: Uhrzeit (MEZ) Schallpegel [db] Hz 80 Hz 50 Hz 40 Hz Ziemann et al., Hz 125 Hz 62 20:00 02:00 08:00 14:00 20:00 02:00 08: Uhrzeit (MEZ) Gradient Schallgeschwindigkeit Schallpegel in 74 m Entfernung 2-3 db Änderung des Schallpegels durch meteorologische Einflüsse bereits in kurzer Entfernung von der Schallquelle Meteorologische Einflüsse auf den Lärmschutz Folie 24

25 Zusammenfassung Meteorologische Einflüsse auf die Schallausbreitung: Vertikalprofile von Temperatur und Wind Beeinflussung der Schallausbreitung, Schallimmission,Wirkung von Lärmschutzanlagen und deren Variabilität Im urbanen Raum: erhöhte Schallimmission in der Nacht Technische Modelle unvollständige Beschreibung des meteorologischen Einflusses und der gemessenen Schalldämpfung (bis zu 5 db Unterschätzung der Lärmimmission auf kurzen Entfernungen) Zusammenfassung Folie 25

26 Ausblick Berechnungsvorschriften Schallausbreitung: Einbeziehung des meteorologischen Einflusses in Richtlinien zur Lärmimmissionsberechnung VDI 4101 Schallausbreitung im Freien unter Berücksichtigung meteorologischer und topographischer Bedingungen Klimawandel und Lärmimmission: Weitere Forschung notwendig: Schallklimatologische Auswertung von Wind-und Temperaturprofilen (Radiosondendaten) Modellentwicklung Zusammenfassung Folie 26

27 Vielen Dank Markus Hehn, Uwe Eichelmann, Heiko Prasse, Valeri Goldberg, Maria Koch (TU Dresden, Professur Meteorologie) Gabi Fischer, Manuela Barth, Michael Wilsdorf, Armin Raabe (Universität Leipzig, Institut für Meteorologie) für Ihre Aufmerksamkeit

28 Ergebnisse Messungen und SMART Lärmabschwächung Lärm-verstärkung Messung: Mitwindsituation Melpitz/Torgau Dämpfung [db] Messung Modell dceff/dz :00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 Zeit [MESZ] Balogh et al., ,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 dceff/dz [ms -1 /m]

29 Typische Wind- und Temperaturprofile im urbanen Raum Höhe [m] Tag Nacht Windgeschwindigkeit [ms -1 ] Höhe [m] Tag Nacht Windrichtung [Grad] Typische Vertikalgradienten der Lufttemperatur: Tagsüber: Km -1, Km -1, 0 Km -1 Nachts: ±0.01 Km -1, ±0.006 Km -1, 0 Km -1

30 Calculation of the disturbed wind profile near a noise screen after Salomons and Rasmussen (2000) Modifications of the wind profile are limited within {-3H x 20H, z 10H} Salomons, 2001

31 Dämpfung durch Luftabsorption Dämpfung [db/m] 0,1 0,01 1E-3 RH [10%] RH [20%] RH [30%] RH [40%] RH [50%] RH [60%] RH [70%] RH [80%] RH [90%] RH [100%] 1E Frequenz [Hz] Temperatur: 10 C

32 Ziffer TA Lärm Ausweisung Immissionsrichtwert tags (6:00 bis 22:00 Uhr) Immissionsrichtwert nachts (22:00 bis 6:00 Uhr) 6.1 a Industriegebiete 70 db(a) 70 db(a) 6.1 b Gewerbegebiete 65 db(a) 50 db(a) 6.1 c 6.1 d 6.1 e 6.1 f Kern-, Dorf- und Mischgebiete Allgemeine Wohngebiete Reine Wohngebiete Kurgebiete, Krankenhäuser und Pflegeanstalten 60 db(a) 45 db(a) 55 db(a) 40 db(a) 50 db(a) 35 db(a) 45 db(a) 35 db(a)

33 D. Heimann, DLR