(Los 4 und 5 Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die urbane und lokale Skala) für die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung D Berlin

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1 Ursachenanalyse von Feinstaub(PM 10 )- Immissionen in Berlin unter Berücksichtigung von Messungen der Staubinhaltsstoffe am Stadtrand, in der Innenstadt und in einer Straßenschlucht (Los 4 und 5 Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die urbane und lokale Skala) für die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung D Berlin erarbeitet von GmbH Burgweg 10 D Sexau Dipl. Phys. Volker Diegmann, Dr.-Ing. Götz Wiegand Oktober 2003

2 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 1 I N H A L T S V E R Z E I C H N I S 1 Aufgabenstellung Gesamtprojekt Los 4: Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die urbane Skala Los 5: Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die lokale Skala Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die urbane Skala Vorgehensweise Beschreibung des Meteorologie-Datensatzes Allgemeines Windrichtung und Windgeschwindigkeit Ausbreitungsklassen Emissionsdatenbasis "Nicht-Verkehr" Bestimmung der Emissionen für das Hauptstraßennetz Bestimmung der Emissionen für das Nebenstraßennetz Ergebnisse Flächenwerte Anteil des Hauptstraßenverkehrs Abschätzung des Hintergrunds PM 90,4 Perzentil Jahresmittelwert NO Vergleich mit Messungen Ausbreitungsrechnung für die Frankfurter-Allee Das Canyon-Plume-Box-Modell Großräumige Hintergrund- und Vorbelastungs-Konzentration Verkehrsdaten Beschreibung der Straßenschlucht Ergebnisse für Oktober bis Dezember Ergebnisse für NO x Datenverfügbarkeit Übereinstimmung der Verteilung Paarweise Übereinstimmung Beiträge zur Gesamtkonzentration...32

3 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Ergebnisse für PM Datenverfügbarkeit Übereinstimmung der Verteilung Paarweise Übereinstimmung Beiträge zur Gesamtkonzentration Ergebnisse für Januar bis September Datenverfügbarkeit Ergebnisse für NO x Übereinstimmung der Verteilung Paarweise Übereinstimmung Beiträge zur Gesamtkonzentration Ergebnisse für PM Datenverfügbarkeit Übereinstimmung der Verteilung Paarweise Übereinstimmung Beiträge zur Gesamtkonzentration Bewertung...44

4 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 3 A B B I L D U N G S V E R Z E I C H N I S Abbildung 1: Einstellung für die Bestimmung der Nicht-Auspuff-Emissionen in IMMIS em Abbildung 2: Rasterdarstellung der NO x -Belastung gemittelt für den Zeitraum Oktober bis Dezember Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen Abbildung 3: Rasterdarstellung der NO x -Belastung gemittelt für den Zeitraum Januar bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen Abbildung 4: Rasterdarstellung der NO x -Belastung für den Zeitraum Oktober 2001 bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen Abbildung 5: Rasterdarstellung der PM 10 -Belastung gemittelt für den Zeitraum Oktober bis Dezember Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen Abbildung 6: Rasterdarstellung der PM 10 -Belastung gemittelt für den Zeitraum Januar bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen Abbildung 7: Rasterdarstellung der PM 10 -Belastung für den Zeitraum Oktober 2001 bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen Abbildung 8: Anteil der NO x -Immissionen durch den Hauptstrassenverkehr an den Gesamtimmissionen ohne Hintergrund in % Abbildung 9: Anteil der PM 10 -Immissionen durch den Hauptstrassenverkehr an den Gesamtimmissionen ohne Hintergrund in % Abbildung 10: Zuordnung Stationsmesswerte zur Hintergrundbestimmung in Abhängigkeit von der Windrichtung nach Angabe des Senats (Bei Mehrfach-Belegung Mittelung) Abbildung 11: Jahreskennwerte PM 10 mit Hintergrund Abbildung 12: Ableitung Jahresmittel NO 2 aus NO x mittels interpolierten Messwerten (links) und Regressionsanlayse (rechts) Abbildung 13: Mittlere Verhältniszahlen NO 2 /NO x an ausgewählten Stationen des BLUME-Messnetzes als Zahlenwert und Jahresmittelwert NO x als Farbskala Abbildung 14: Jahresmittel NOx mit Hintergrund und Jahresmittel NO2 mit Interpolationsmethode und Regressionsmethode Abbildung 15: Vergleich der mit IMMIS net bestimmten Konzentrationen an den Orten der BLUME-Messstellen mit den dort gemessenen für die Zeiträume Oktober bis Dezember 2002 und Januar bis September 2002 (weiteres siehe Text) Abbildung 16: Verteilung der CPB-NO x -Gesamtkonzentration und der gemessenen NO x -Konzentration an der Messstation 174 für Abbildung 17: Scatterplot der CPB-Rechnungen für NO x über den Messungen für

5 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 4 Abbildung 18: Abbildung 19: Abbildung 20: Verteilung der PM 10 -CPB-Gesamtkonzentration und der gemessenen PM 10 -Konzentration an der Messstation 174 für Scatterplot der CPB-Rechnungen für PM10 über den Messungen für Verteilung der CPB-NO x -Gesamtkonzentration und der gemessenen NO x -Konzentration an der Messstation 174 für Abbildung 21: Scatterplot der CPB-Rechnungen für NO x über den Messungen für Abbildung 22: Verteilung der PM 10 -CPB-Gesamtkonzentration und der gemessenen PM 10 -Konzentration an der Messstation 174 in Abbildung 23: Scatterplot der CPB-Rechnungen für PM 10 über den Messungen

6 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 5 T A B E L L E N V E R Z E I C H N I S Tabelle 1: Ausbreitungsklassen in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit in 30 m Höhe und Strahlungsbilanz am Waldmessstation MC 32 Berlin- Grunewald... 8 Tabelle 2: Emissionen der Nicht-Straßenverkehrsquellen (in t/jahr)... 9 Tabelle 3: Emissionen des Straßenverkehr und Gesamtemissionen mit Daten aus Kapitel Tabelle 4: Mittelwerte der abgeschätzten Hintergrundbelastung Tabelle 5: Verkehrsdaten als Summe der Kfz für die Monate Oktober 2001 bis September Tabelle 6: Beschreibung des Strassenschlucht-Querschnitts für CPB Tabelle 7: Verteilung der berechneten und beobachteten NO x -Konzentrationen der drei Monate Tabelle 8: Statistische Kennwerte der Übereinstimmung von NO x -Messung und NO x -Rechnung für Tabelle 9: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur NO x -Gesamtkonzentration für Tabelle 10: Verteilung der berechneten und beobachteten PM 10 -Konzentrationen der drei Monate Tabelle 11: Statistische Kennwerte der Übereinstimmung von PM 10 -Messung und PM 10 -Rechnung für Tabelle 12: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur PM 10 -Gesamtkonzentration für Tabelle 13: Verteilung der 4'425 berechneten und beobachteten NO x - Konzentrationen der neun Monate Tabelle 14: Einige statistische Kennwerte der Übereinstimmung von NO x -Messung und NO x -Rechnung.für Tabelle 15: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur NO x -Gesamtkonzentration in Tabelle 16: Verteilung der 4'081 berechneten und beobachteten PM 10 - Konzentrationen der neun Monate in Tabelle 17: Statistische Kennwerte der Übereinstimmung von PM 10 -Messung und PM 10 -Rechnung für Tabelle 18: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur PM10-Gesamtkonzentration Tabelle 19: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur Gesamtkonzentration von NO x - und PM In der letzten Zeile ist der Erklärungsanteil der Simulation angegeben

7 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 6 1 Aufgabenstellung 1.1 Gesamtprojekt In der 1. Tocherrichtlinie (99/30/EG) zur Rahmenrichtlinie Luftqualität (96/69/EG) sind im Juli 1999 neue, verschärfte Grenzwerte unter anderem für Feinstaub (PM 10 ) eingeführt worden. Da diese PM 10 - Grenzwerte in vielen Bereichen des Stadtgebietes, vor allem straßennah, deutlich überschritten werden, besteht für das Land Berlin nach Art. 7 und 8 der Rahmenrichtlinie die Verpflichtung, Maßnahmen zu ergreifen, damit die Feinstaubemissionen so reduziert werden, dass die Grenzwerte in 2005 überall in der Stadt eingehalten werden. Neben der nach Art. 6 verlangten Messung und Beurteilung der PM 10 -Belastung, erfordert Art. 8 und 11 eine Aussage über die Ursachen von Grenzwertüberschreitungen. Anhang VI verpflichtet einen im Rahmen der Entwicklung von Maßnahmenplänen zu einer Analyse des Ursprungs der Verschmutzung, inklusive der dafür verantwortlichen wichtigsten Emissionsquellen, sowie eine Schätzung der zu erwartenden Verbesserung der Luftqualität infolge von Emissionsminderungsmaßnahmen. Aus diesen rechtlichen Anforderungen ergibt sich die Notwendigkeit, Informationen zu beschaffen i. welche Verursacher welche Beiträge zur PM 10 Belastung liefern ii. iii. welchen Anteil lokale und überregionale Quellen an dieser Belastung haben und welche Immissionsminderung aus verschiedenen Emissionsminderungsszenarien auf überregionaler und Berliner Ebene erwartet werden kann und ob dies zur Einhaltung der Grenzwerte führt oder zusätzliche Anstrengungen erforderlich sind. Das Ziel des vorliegenden Projekts bestand darin, eine belastbare Informationsund Datenbasis zu den Ursachen der Belastung durch Feinstaub (PM 10 ) und den quantitativen Möglichkeiten zu ihrer Minderung zur Verfügung zu haben. Für die Beantwortung der Frage iii sind Ausbreitungsmodelle eingesetzt worden. Innerhalb des Gesamtprojekts sind Messungen der Belastung durch Feinstaub (PM 10 ) - an einer Verkehrsmessstelle, zur Quantifizierung des Anteils des Straßenverkehrs, - im urbanen Hintergrund, zur Quantifizierung des übrigen Anteils der Stadt und - am Stadtrand, zur Quantifizierung des Anteils von Quellen außerhalb Berlins an der PM 10-Belastung in der Stadt durchgeführt worden. Der vorliegende Bericht beschreibt die Arbeiten der Teillose 4 und 5 der Ausschreibung, die im folgenden beschrieben werden.

8 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Los 4: Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die urbane Skala In diesem Los ist auf Basis der Messdaten des BLUME eine das Gebiet Berlin umfassende, verursachergruppenspezifische Ausbreitungsrechnung für PM 10 -Staub unter Berücksichtigung der Aufwirbelung und aller anderen mit Hilfe des Auftraggebers ermittelten oder abgeschätzten Emissionen durchgeführt worden. Die Jahresmittelwerte der berechneten Immissionen sind den Verursachergruppen zugeordnet worden. Das hierbei angewandte Ausbreitungsmodell IMMIS net ist dem Auftraggeber mit Anleitung zur weiteren Nutzung zur Verfügung gestellt worden. 1.3 Los 5: Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die lokale Skala In diesem Los ist auf Basis der vorhandenen Verkehrsdaten für die Frankfurter Allee, im Bereich der vorhandenen Messstation, eine Ausbreitungsrechnung für PM 10 -Staub unter Berücksichtigung der Aufwirbelung und aller anderen ermittelten oder abgeschätzten Emissionen durchgeführt worden. Für die Emissionsmodellierung der Aufwirbelung ist der Ansatz, der im PM 10 -Projekt in Berlin und Leipzig verwendet worden. Die berechneten Werte sind mit den vom Auftraggeber bereitgestellten gemessenen Werten verglichen wurden. Das hierbei angewandte stündliche Emissionsmodell IMMIS em und das Ausbreitungsmodell IMMIS cpb ist dem Auftraggeber mit Anleitung zur weiteren Nutzung zur Verfügung gestellt worden. 2 Ausbreitungsrechnung und Ursachenanalyse für die urbane Skala 2.1 Vorgehensweise Auf der Basis von Emissionskatastern zu den "Nicht-Straßenverkehrs-Quellen" und den mit IMMIS em bestimmten Emissionen des Straßenverkehrs wurde mit IMMIS net die flächenhafte Belastung als Jahresmittelwert für NO x und für PM 10 in einem 1 km* 1 km Rezeptorraster berechnet. Da das Modell IMMIS net nicht eine Berechnung über einen Jahreswechsel hinweg durchführen kann, wurden die Berechnungen für den Zeitraum bis und für den Zeitraum bis durchgeführt. [1] Düring, I.; Lohmeyer, A.: Validierung von PM10-Immissionsberechnungen im Nahbereich von Strassen und Quantifizierung der Feinstaubbildung von Strassen; 2001

9 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 8 Eine Zusammenfassung der Ergebnisse der einzelnen Jahre erfolgte auf der Basis der Mittelwerte. 2.2 Beschreibung des Meteorologie-Datensatzes Allgemeines Zur Aufbereitung der notwendigen meteorologischen Daten wurden die Messdaten der Station Grunewald für die betreffenden Zeitraum ausgewertet Windrichtung und Windgeschwindigkeit Der Mittelwert der Windgeschwindigkeit für den Zeitraum in 2001 betrug 2.72 m/s und für den Zeitraum in m/s Ausbreitungsklassen Die Bestimmung der Ausbreitungsklassen (AK) wurde durch den Senat durchgeführt. Für die Ermittlung der AK für die Zeitreihen wurden die meteorologischen Daten des MC 32 (Grunewald) verwendet. Da die Messungen des Temperaturgradienten an dieser Messstation fehlerbehaftet waren (siehe Vermerk von Dr. v. Stülpnagel vom ) und hier keine stündlichen Wolkenbedeckungsanteile ermittelt werden wie in der Vorschrift TA Luft 1986 vorgesehen, wurden die stündlich vorliegenden Daten der Strahlungsbilanz verwendet. In Anlehnung an die Zuordnung der Ausbreitungsklassen an Messungen der Windgeschwindigkeit und Strahlungsbilanz, die in Stadtklima und Luftreinhaltung von A. Helbig u.a. (siehe Tab auf Seite 358) mitgeteilt wurden, wurden für Berlin Grunewald die in Tabelle 1 aufgelisteten Zuordnungen verwendet: Tabelle 1: Ausbreitungsklassen in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit in 30 m Höhe und Strahlungsbilanz am Waldmessstation MC 32 Berlin-Grunewald Wind [m/s] labil 6/5 labil/neutral 5/4 neutral 4/3 Strahlungsbilanz in [mw/cm²] neutral/stabil 3/2 stabil ,4 14,5 4,0-2,2-3, ,4 14,6 4,0-2,4-4, ,1 18,2 4,0-2,6-5, ,0 25,2 6,3-3,2-6, ,5 32,5 6,7-4,8-8, ,6 8, ,0 10, Über 10 2/1

10 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 9 Die Statistik der ermittelten Ausbreitungsklassen ist vergleichbar mit der langjährigen ( ) AK-Statistik für Berlin Dahlem nach der TA Luft 1986 und ist daher geeignet für Ausbreitungsrechnungen mit IMMIS net für alle Quellen im Gebiet Berlin. 2.3 Emissionsdatenbasis "Nicht-Verkehr" Für die Emissionen, die nicht aus dem Straßenverkehr stammen, wurden vom Senat entsprechende Emissionskataster zur Verfügung gestellt. Die mit dem Senat abgestimmte Datenlage wird durch die folgende Tabelle beschrieben. Die Quellen Flughäfen, Wasserstraßen, Eisenbahn und Kleingewerbe wurden im Weiteren zu "Sonstigen Quellen" zusammengefasst. Tabelle 2: Emissionen der Nicht-Straßenverkehrsquellen (in t/jahr) Quellart NO x PM 10 genehmigungsbedürftige Anlagen (Punktquellen) genehmigungsbedürftige Anlagen (Flächenquellen) Hausbrand Kleingewerbe Flughäfen Wasserstraßen Eisenbahn Summen Bestimmung der Emissionen für das Hauptstraßennetz Die Emissionen des Straßenverkehrs wurden mit dem Programm IMMIS em berechnet. Dabei wurde das Bezugsjahr 2001 gewählt 2. Die zur Berechnung notwendigen streckenspezifischen Eingangsdaten wurden im Rahmen des Stadtentwicklungsplans von der IVU Traffic Technologies AG, Berlin für das Bezugsjahr 1998 bestimmt und über den Senat zur Verfügung gestellt. Durch eine entsprechende Markierung in den Daten konnten die Tunnelstrecken gesondert behandelt werden. Dabei wurden die berechneten Emissionen der Tunnelstrecken jeweils zur Hälfte auf zwei Tunnelportale an den Endpunkten aufgeteilt. Diese Tunnelportale wurden in IMMIS net als quadratische Flächenquellen mit einer Kantenlänge von 10 m abgebildet. 2 Das Bezugsjahr 2001 wurde auch für die Berechnungen für das Jahr 2002 beibehalten, um eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erhalten. Bei den PM 10 Verkehrsemissionen liegt die Reduktion bei einem Wechsel des Bezugsjahr von 2001 auf 2002 bei ca. 4 % bei NO x bei ca. 7.5 %

11 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Bestimmung der Emissionen für das Nebenstraßennetz Für den Nebennetzverkehr wurden von IVU Traffic Technologies AG jährliche Fahrleistungen für die Verkehrszellen abgebildet. Mit diesen Daten wurden für das Bezugsjahr 2001 entsprechende Emissionen als Flächenwerte für die Verkehrszellen bestimmt. Diese Nebennetzemissionen wurden zur Berechnung in IMMIS net in ein quadratisches Emissionsraster mit einer Rasterweite von 1 km umgelegt. Bei der Bestimmung der PM 10 Emissionen wurde das Verfahren zur Berechnung der Nicht-Auspuff-Emissionen gemäß Düring/Lohmeier mit den nebenstehenden Einstellung zusätzlich zu den PM 10 -Auspuffemissionen verwendet. In Änderung zur Veröffentlichung von Düring/Lohmeier wurden die Korrekturfaktoren a auf Anforderung der Senatsverwaltung von 0,8 auf 0,5 reduziert. Abbildung 1: Einstellung für die Bestimmung der Nicht-Auspuff-Emissionen in IMMIS em Die berechneten Emissionen für den Straßenverkehr gibt die folgende Tabelle wieder. Tabelle 3: Emissionen des Straßenverkehr und Gesamtemissionen mit Daten aus Kapitel 2.2 NO x (in t/jahr) PM 10 (in t/jah Flächenquellen (Nebennetz) Flächenquellen (Tunnelportale) Hauptstrassen als Linien Summe Verkehr Summe gesamt

12 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Ergebnisse Flächenwerte Die Jahresmittelwerte für NO x und PM 10 an den Rasterrezeptoren wurden mittels einer IDW-Interpolation in Flächenwerte für 1 km * 1 km Rasterflächen übertragen. Die folgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse der Rechnungen für alle Quellen und für die verschiedenen Verursachergruppen. Es sind jeweils die Ergebnisse für den Zeitraum in 2001 (Oktober bis Dezember) und für 2002 (Januar bis September) dargestellt. Zusätzlich sind in den Abbildung 4 und Abbildung 7 die Mittelwerte für den gesamten Zeitraum von Oktober 2001 bis September 2002 dargestellt. Diese Werte wurden zeitlich gewichtet aus den Daten der einzelnen Zeiträume ermittelt.

13 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 12 Abbildung 2: Rasterdarstellung der NO x -Belastung gemittelt für den Zeitraum Oktober bis Dezember Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen.

14 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 13 Abbildung 3: Rasterdarstellung der NO x -Belastung gemittelt für den Zeitraum Januar bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen.

15 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 14 Abbildung 4: Rasterdarstellung der NO x -Belastung für den Zeitraum Oktober 2001 bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen.

16 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 15 Abbildung 5: Rasterdarstellung der PM 10 -Belastung gemittelt für den Zeitraum Oktober bis Dezember Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen.

17 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 16 Abbildung 6: Rasterdarstellung der PM 10 -Belastung gemittelt für den Zeitraum Januar bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen.

18 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 17 Abbildung 7: Rasterdarstellung der PM 10 -Belastung für den Zeitraum Oktober 2001 bis September Ergebnisse für alle Quellen und für die einzelnen Verursachergruppen.

19 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Anteil des Hauptstraßenverkehrs Bezogen auf den Zeitraum Oktober 2001 bis September 2002 ist der Anteil der Immissionen die aus dem Hauptstraßenverkehr stammen an den Immissionen aller Quellen in Berlin, also ohne regionalen Hintergrund flächenhaft bestimmt worden. Die Darstellungen für NO x und PM 10 folgen in Abbildung 8 und Abbildung 9. Abbildung 8: Anteil der NO x -Immissionen durch den Hauptstrassenverkehr an den Gesamtimmissionen ohne Hintergrund in % Abbildung 9: Anteil der PM 10 -Immissionen durch den Hauptstrassenverkehr an den Gesamtimmissionen ohne Hintergrund in %

20 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Abschätzung des Hintergrunds Um Aussagen über die Gesamtbelastung in Berlin machen zu können, ist eine Abschätzung des regionalen Hintergrunds erforderlich. Damit werden alle Emissionen erfasst die in das Stadtgebiet von Berlin verfrachtet werden. Das Verfahren der Abschätzung des Hintergrunds ist Auftraggeber vorgegeben worden. Bei diesem Verfahren werden anhand der stündlichen Windrichtung Messungen der Stadtrandstationen ausgewertet. In der Abbildung 10 ist dargestellt welche Stationen bei vorliegenden Windrichtung verwendet werden. Diese Grafik ist folgendermaßen zu interpretieren: Kommt der Wind z. B. aus nord-östlicher Richtung wird der Mittelwert der Messungen der Stationen Buch (77) und Frohnau (145) als stündlicher Hintergrund gesetzt. Kommt der Wind aus Westen wird der Messwert der Station Grunewald (32) als Hintergrund verwendet. Damit liegt theoretisch eine vollständige Zeitreihe für die Hintergrundbelastung vor, die sowohl für die flächenhafte Auswertung von zeitlichen Mittelwerten, wie auch für die zeitaufgelöste Berechnung mit IMMIS cpb verwendet werden kann. Abbildung 10: Zuordnung Stationsmesswerte zur Hintergrundbestimmung in Abhängigkeit von der Windrichtung nach Angabe des Senats (Bei Mehrfach-Belegung Mittelung) Die Auswertungen der Messungen aus dem BLUME-Messnetz ergeben für die Zeiträume folgende Mittelwerte: Tabelle 4: Mittelwerte der abgeschätzten Hintergrundbelastung 10-12/ /02 10/01-09/02 PM µg/m³ 23.1 µg/m³ 22.3 µg/m³ NO x 20.2 µg/m³ 13.3 µg/m³ 15.0 µg/m³

21 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite PM 90,4 Perzentil Auf der Basis der Abschätzung der Hintergrundbelastung (Kapitel 2.6.3) kann für PM 10 ein flächendeckender Mittelwert für den Zeitraum 10/01 bis 09/02 angegeben werden. Da dieser Zeitraum volle 12 Monate überdeckt wird er im Folgenden als Jahresmittelwert behandelt. Durch die 22. BImSchV ist neben dem Jahresmittel vom PM 10 auch ein Häufigkeit des Überschreitens eines Tagesmittels limitiert. So darf ab 2005 der Tagesmittelwert von 50 µg/m³ maximal 35 mal überschritten werden. Bezogen auf ein Jahr mit 365 Tagen entspricht der 35 höchste Wert einem 90,4 Perzentil. Im Handbuch von IMMIS luft Version 3.0 wird aufbauend auf Untersuchungen für das Umweltbundesamt ein statistischer Zusammenhang zwischen dem Jahresmittelwert und dem 90,4 Perzentil auf Tagesbasis für PM 10 angegeben. Die folgende Regression ist für Mess-Stationen vom Typ "Stadt" abgeleitet worden: 90.4% Wert PM 10 eines Jahres = 1,25 + 1, 79 Jahresmittelwert PM 10 Die Standardabweichung der Regression beträgt dabei 5.29 µg/m³. Diese Regression ist auf die flächenhaften Jahresmittelwerte angewendet worden. Die Jahresmittelwerte und 90,4 Perzentile von PM 10 sind in Abbildung 11 dargestellt. Abbildung 11: Jahreskennwerte PM 10 mit Hintergrund

22 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Jahresmittelwert NO 2 Bei NO 2 handelt es sich um eine chemisch aktive Substanz, deren Entstehungsprozess nur mit aufwendigen Photo-Chemie-Modellen abbildbar ist. Die vorliegenden Rechnungen wurden deshalb mit IMMIS net nur für NO x durchgeführt. Um trotzdem Aussagen über die NO 2 -Konzentration machen zu können wurden zwei verschiedene Verfahren angewendet, die im Folgenden beschrieben werden. Das eine Verfahren (IVU-Verfahren) entspricht der Methode, wie sie in IMMIS luft Version 3.0 für den Straßenraum angewendet wird. Für dieses Verfahren ist auf der Basis von 45'000 jährliche Immissionszeitreihen aus den Jahren 1956 bis 1998 eine modifizierte gebrochen rationale Funktion geschätzt worden, die aus Jahresmittelwerten von NO x [NO x ] den Jahresmittelwert von NO 2 [NO 2 ] ableitet. Bei dieser Schätzung wurden die Koeffizienten verwendet, wie sie für Mess-Stationen vom Typ "Stadt" abgeleitet wurden. Die Schätzfunktion lautet: [ NOx ] [ NO2 ] = [ NOx ] [ NO ] Die Standardabweichung der Schätzung beträgt Wendet man diese Funktion auf die Rasterwerte der Gesamtbelastung von NO x gemäß Abbildung 14 (oben) an, erhält man die Rasterwerte für das Jahresmittel von NO 2 (Abbildung 14 unten). Bildet man das Verhältnis von NO 2 und NO x für die einzelnen Rasterzellen erhält man Verhältniszahlen, wie sie in Abbildung 12 (rechts) dargestellt sind. x Abbildung 12: Ableitung Jahresmittel NO 2 aus NO x mittels interpolierten Messwerten (links) und Regressionsanlayse (rechts) Ein zweites Verfahren basiert auf der Auswertung von NO 2 und NO x -Messungen in Berlin (Lutz/IVU-Verfahren). An Hand der Messungen von 1999 bis 2002 wurden von Herrn Lutz von der Senatsverwaltung mittlere Verhältniszahlen für die einzelnen Stationen bestimmt. Diese Verhältnisse sind in Abbildung 13 dargestellt. Mittels einer Interpolation mit inverser Distanzgewichtung werden diese Verhältniszahlen in die Fläche übertragen. Das Ergebnis dieser Interpolation ist in Abbildung 12 (links) dargestellt. Wendet man dieses interpolierte Feld auf die Rasterwerte der NO x -Jahresmittel an erhält man die Jahresmittelwerte von NO 2.

23 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 22 Abbildung 13: Mittlere Verhältniszahlen NO 2 /NO x an ausgewählten Stationen des BLUME- Messnetzes als Zahlenwert und Jahresmittelwert NO x als Farbskala Die Ergebnisse der Umrechnung von NO x nach NO 2 nach den beiden beschriebenen Verfahren ist in der Abbildung 14 dargestellt. Das Verfahren nach Lutz/IVU führt zu einem maximalen NO 2 -Wert in Höhe von 48.8 µg/m³. Nach dem IVU-Verfahren beträgt das Maximum 37.9 µg/m³.

24 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 23 Abbildung 14: Jahresmittel NOx mit Hintergrund und Jahresmittel NO2 mit Interpolationsmethode und Regressionsmethode

25 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Vergleich mit Messungen Die Rechnungen mit IMMIS net sind zusätzlich zu den Rasterrezeptoren auch für die Positionen der BLUME-Hintergrundmessstellen durchgeführt worden. Dabei sind die Stationen: - Frohnau im Norden, - Buch im Nord-Osten, - Mareinfelde im Süden und - Friedrichshagen im Süd-Osten von Berlin berücksichtigt worden. Ein Vergleich der gemessenen und mit IMMIS net bestimmte Konzentrationen von PM 10 und NO x befindet sich der Abbildung 15. Dabei ist jeweils der Anteil der mit dem Modell bestimmten Konzentrationen an den gemessenen Werten augegegeben worden. Neben dem Anteil der mit dem Modell bestimmten Konzentrationen unter Berücksichtigung aller Quellen (pall) sind die Anteile unter Berücksichtigung der jeweiligen Quellgruppe angegeben worden. Dabei steht das Kürzel - phaus für den Anteil des Hausbrands, - pindu für den Anteil der Industrie, - pmain für den Anteil des Hauptstraßenverkehrs, - pneben für den Anteil des Nebenstraßenverkehrs und - psonst für den Anteil der sonstigen Quellen. Wie zu erwarten sind die Anteile der Modellergebnisse an den Messungen bei NO x deutlich höher als bei PM 10. Bei NO x sind in der Periode in 2002 die Modellanteile immer höher als in der Periode in Bei der Station Friedrichshagen werden durch das Modell in 2002 sogar höhere Konzentrationen bestimmt als gemessen wurden 3. Bei PM 10 bewegen sich die Anteile der Modellergebnisse an den gemessenen Werten im Bereich von 5 % bis 13,5 %. Innerhalb der einzelnen Verursachergruppen hat der Hauptstraßenverkehr immer den größten Anteil. 3 Nach Auskunft des Senats (Hr. Reichenbächer) ist die Station Friedrichshagen bei NO x auf Grund der Nähe zu einer Straße nicht als Hintergrundstation geeignet.

26 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 25 Abbildung 15: Vergleich der mit IMMIS net bestimmten Konzentrationen an den Orten der BLUME-Messstellen mit den dort gemessenen für die Zeiträume Oktober bis Dezember 2002 und Januar bis September 2002 (weiteres siehe Text).

27 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 26 3 Ausbreitungsrechnung für die Frankfurter-Allee 3.1 Das Canyon-Plume-Box-Modell Das Canyon-Plume-Box-Modell 4 (CPB) wird für die Frankfurter Allee im Zeitraum Oktober 2001 bis September 2002 angewandt. Da CPB die Zusatzbelastung in der Straßenschlucht ermittelt, wird zur Berechnung der stündlichen Vorbelastung das Model IMMIS net verwendet. In beiden Fällen wird die Rechnung jeweils getrennt für die Monate Oktober bis Dezember 2001 und Januar bis September 2002 durchgeführt. 3.2 Großräumige Hintergrund- und Vorbelastungs-Konzentration Zur Berechnung der Vorbelastung wird IMMIS net für die Frankfurter Allee im CPB- Modus für die Monate Oktober 2001 bis September 2002 mit allen verfügbaren Quellen gestartet. Von IMMIS net wird eine Datei erzeugt, die als Meteorologie- und Vorbelastungsinput für CPB dient. Die Datei enthält als Windgeschwindigkeit die in IMMIS net eingelesene Windgeschwindigkeit aus der Meteorologiedatei (siehe Kap. 2.2) skaliert auf 5 m über Dachniveau. Die Datei enthält weiter als Vorbelastung die von IMMIS net ermittelte Konzentration über Dach und ohne die Emission der Frankfurter Allee. Näheres hierzu siehe Handbuch zu IMMIS net 5. Die großräumige Hintergrundkonzentration zur Berücksichtigung der Quellen außerhalb von Berlin wurde gemäß dem Verfahren aus Kapitel abgeleitet. 4 Yamartino, R. J., Wiegand, G.: Development and Evaluation of Simple Models for the Flow, Turbulence and Pollutant Concentration Fields within an Urban Street Canyon; Atmospheric Environment Vol.20, No.11, pp ; Handbuch zu IMMIS net

28 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Verkehrsdaten Die stündlichen Verkehrsdaten wurden richtungsgenau von der Senatsverwaltung zur Verfügung gestellt. Tabelle 5: Verkehrsdaten als Summe der Kfz für die Monate Oktober 2001 bis September Monat West-Richtung Ost-Richtung Summe 10/ '423 1'035'378 2'026'801 11/ '099 1'023'731 1'962'830 12/ ' '277 1'854'276 01/2002 1'059' '844 2'025'185 02/ ' '829 1'749'652 03/ ' '709 1'675'061 04/ ' '959 1'755'508 05/ '487 1'018'198 2'003'685 06/ ' '830 1'776'837 07/ ' '382 1'622'770 08/ ' '218 1'680'051 09/ ' '812 1'920'235 DTV: 29'597 30'822 60'419 Es mussten Annahmen bezüglich der Aufteilung auf die Spuren, des LKW-Anteils und der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit getroffen werden. Diese Annahmen wurden mit der Senatsverwaltung abgestimmt, sie sind im Folgenden wiedergegeben. Der LKW-Anteil wurde durch den Auftraggeber vorgegeben mit: schwere Lkw: 3,4 % leichte Lkw: 7,1 % Die Aufteilung auf die Spuren wird der Veröffentlichung von Rauterberg/Wulff entnommen: rechte Spur in jede Richtung: 3.0 % des Richtungsverkehrs mittlere Spur in jede Richtung: 48.5 % des Richtungsverkehrs linke Spur in jede Richtung: 48.5 % des Richtungsverkehrs Die mittlere Geschwindigkeit auf den mittleren und linken Spuren pro Richtung wird modelliert 6. Diese Berechnungsvorschrift gilt nicht für die jeweils rechte Spur pro Richtung, hierfür wird generell 10 km/h angenommen. Innerhalb des CPB-Systems wird die stündliche Emissionen für die Spuren der jeweiligen Strasse mit IMMIS em,h ermittelt, siehe hierzu die Straßenparameter in Kapitel 3.4. Hierbei wird der jeweils gültige Emissionsparametersatz für 2001 und 6 Das Modell lautet: V = 50/(1+AktuellerVerkehr/Kapazität). Grenzfälle: Aktueller Verkehr = Kapazität, dann Halbierung der Geschwindigkeit auf 25km/h, Aktueller Verkehr = 0, dann 50km/h.

29 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite verwendet. Bei der Emissionsberechnung von PM 10 wird für die Nicht- Auspuff-Emissionen das modifizierte Verfahren von Düring/Lohmeyer verwendet (siehe Kapitel 2.5). 3.4 Beschreibung der Straßenschlucht Es wird die Beschreibung des Straßenschlucht-Querschnitts in Tabelle 6 verwendet (siehe auch Titelbild des Berichts). Tabelle 6: Beschreibung des Strassenschlucht-Querschnitts für CPB CPB-konstanter Strasseninput 42.5 Schluchtbreite 22.0 Hoehe der linken Wand 22.0 Hoehe der rechten Wand 99.1 Ausrichtung der +Y-Richtung der Strasse (rechtsdrehend,nord=0 ) 1 Anzahl der Segmente 6 Anzahl der Spuren = +X-Lage der Spuren = Hoehe der Fahrzeuge = Breite der Spuren 1 Zahl der Mess-Rezeptoren Lage der Mess-Rezeptoren: Abstand von linker Beb., Hoehe 0 Zahl der virtuellen Rezeptoren 1000 Kapazität pro Spur in Kfz/h Steigung pro Spur in % 6 Typ vorfahrtberechtigte HVS (IO_HVS2; Typ = 6, IMMIS luft 3 HB S. 1-5) 2 Lage Geschäftsstraße (Lage = 2, IMMIS luft 3 HB S. 1-7) 0 Einbahnstrassenflag (0=keine, 1=Einbahnstrasse) Die Frankfurter Allee wird als 42.5 m breite und 22 m hohe Straßenschlucht modelliert. Die Mitten der Spuren liegen 10.8 m, 13.4 m, 16.0 m, 27.0 m, 29.6 m und 32.2 m von der Nordwand entfernt. Die zu modellierende Messstelle liegt m von der Nordwand entfernt und 3.50 m hoch. CPB berechnet die Konzentrationen in geschlossenen Straßenschluchten. Die Tatsache, dass es sich bei der Frankfurter Allee in dem betrachteten Abschnitt nicht um eine geschlossene Straßenschlucht handelt (Porosität 34 %), macht eine Absenkung der Zusatzkonzentration notwendig. Diese Korrektur wird in einem nachgeschalteten S-Programm 7 vorgenommen, das auch die Visualisierungen in diesem Kapitel liefert. Die Verkehrsdaten liefern bei der Aufteilung nach Kapitel 3.3 stündliche Verkehrsspitzen um 2'000 Kfz/Stunde/Spur. Eine solche Verkehrsbelastung führt bei der Verwendung von Standardwerten für die Kapazität in den Spitzenstunden zu permanentem Stau. Da das aber erfahrungsgemäß nicht der Fall ist, wurde die Kapazität pro Spur mit 1'000 Kfz/Stunde angesetzt. 7 S ist eine objektorientierte Statistiksprache, verwendet wurde hier die S-Implementation "R". "R" ist ein open-source-produkt (download von

30 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 29 Die modellierten Konzentrationen ergeben sich stundenweise als Summe aus: der großräumigen Hintergrundkonzentration der lokalen Vorbelastung aus den Quellen Berlins mit IMMIS net und der Zusatzbelastung aus dem Verkehr der Frankfurter Allee mit CPB. CPB rechnet für alle Stunden, in denen die Verkehrsdaten und die Meteorologiedaten vorliegen. Eine weitere Bedingung für den in CPB integrierten Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Ergebnissen in der Straßenschlucht ist, dass der Messwert größer sein muss als die berechnete Konzentration über der Straßenschlucht 8. Das ist nicht immer der Fall, besonders in den Nachtstunden. 8 Die Konzentration über der Straßenschlucht ist die Summe aus der großräumigen Hintergrundbelastung und dem von IMMIS net berechneten Vorbelastungswert.

31 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 30 4 Ergebnisse für Oktober bis Dezember Ergebnisse für NO x Datenverfügbarkeit Die drei Monate Oktober bis Dezember 2001 haben 92 Tage, das sind 2'208 Stunden. Der Mittelwert der großräumigen Vorbelastung für diese 2'208 Beobachtungen ist 20.2 µg/m³ (siehe Kapitel Tabelle 4). Wegen der Fehlwerte in den meteorologischen und Verkehrsdaten können nicht alle Beobachtungen in CPB ausgewertet werden, es bleiben 1'782 Beobachtungen, die fehlwertfrei sind und in CPB berechnet werden können. Alle folgenden Auswertungen beziehen sich auf diese fehlwertfreien Beobachtungen Übereinstimmung der Verteilung Ein erstes Maß für die Übereinstimmung ist die Verteilung von Messung und Rechnung. Die Tabelle 7 und die Abbildung 16 geben einen Eindruck von den Verteilungen. Dabei wurden die Messwerte der Station in der Frankfurter Allee (ID 174) verwendet. Die Verteilungen stimmen gut überein. Tabelle 7: Verteilung der berechneten und beobachteten NO x -Konzentrationen der drei Monate 2001.

32 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 31 Abbildung 16: Verteilung der CPB-NO x -Gesamtkonzentration und der gemessenen NO x -Konzentration an der Messstation 174 für Paarweise Übereinstimmung Ein wesentlich schärferes Übereinstimmungsmaß ist die Beurteilung der paarweisen Übereinstimmung. Einige statistische Kennwerte sind in Tabelle 8 gegeben. Einen visuellen Eindruck gibt der Scatterplot in Abbildung Der vertikale schwarze Strich kennzeichnet den Mittelwert.

33 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 32 Tabelle 8: Statistische Kennwerte der Übereinstimmung von NO x -Messung und NO x -Rechnung für '782 Beobachtungen Korrelation (Messung gegen Rechnung): r 2 : 48.9% Beobachtung: Mittelwert = µg/m³ Vorhersage: Mittelwert = µg/m³ Aufteilung des mittleren quadratischen Fehlers Anteil Bias 4.4% Anteil unterschiedliche Variation 7.9% Anteil stochastisch 87.7% Abbildung 17: Scatterplot der CPB-Rechnungen für NO x über den Messungen für Beiträge zur Gesamtkonzentration Die Beiträge zur Gesamtkonzentration, die für die Frankfurter Allee modelliert wird, sind der Tabelle 9 zu entnehmen. 10 Das Bestimmtheitsmaß r² gibt an wie viel Prozent der Variation in den NOx-Konzentrationen durch die Rechnung erklärt werden. 11 Durch blaue Punkte sind die Unterschätzungen, durch rote die Überschätzungen gekennzeichnet.

34 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 33 Tabelle 9: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur NO x -Gesamtkonzentration für Beitrag Jahresmittelwert NO x Großräumiger Hintergrund 20.0 µg/m³ 12 % Städtische Quellen (IMMIS net ) 42.3 µg/m³ 26 % Frankfurter Allee (CPB) µg/m³ 62 % Modellierte Gesamtkonzentration µg/m³ 100 % Über die Hälfte (62 %) der Stickoxid-Konzentration an der Frankfurter Allee wird von den Fahrzeugen auf der Frankfurter Allee erzeugt. Gut ein Zehntel (12%) wird von außerhalb Berlins herantransportiert, der Rest stammt aus Quellen, die auf dem Stadtgebiet von Berlin liegen. 4.2 Ergebnisse für PM Datenverfügbarkeit Die drei Monate Oktober bis Dezember 2001 haben 92 Tage, das sind 2'208 Stunden. Der Mittelwert der großräumigen Vorbelastung für diese 2'208 Beobachtungen ist 20.5 µg/m³ (siehe Kapitel Tabelle 4). Wegen der Fehlwerte in den meteorologischen und Verkehrsdaten können nicht alle Beobachtungen in CPB ausgewertet werden, es bleiben 1'758 Beobachtungen, die fehlwertfrei sind und in CPB berechnet werden können. Alle folgenden Auswertungen beziehen sich auf diese fehlwertfreien Beobachtungen Übereinstimmung der Verteilung Ein erstes Maß für die Übereinstimmung ist die Verteilung von Messung und Rechnung. Die Tabelle 10 und Abbildung 18 geben einen Eindruck von den Verteilungen. Die Verteilungen stimmen sehr gut überein. Die berechneten Werte liegen unter den gemessenen.

35 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 34 Tabelle 10: Verteilung der berechneten und beobachteten PM 10 -Konzentrationen der drei Monate Abbildung 18: Verteilung der PM 10 -CPB-Gesamtkonzentration und der gemessenen PM 10 -Konzentration an der Messstation 174 für Der vertikale schwarze Strich kennzeichnet den Mittelwert.

36 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Paarweise Übereinstimmung Ein wesentlich schärferes Übereinstimmungsmaß ist die Beurteilung der paarweisen Übereinstimmung. Einige statistische Kennwerte sind in Tabelle 11 gegeben. Einen visuellen Eindruck gibt der Scatterplot in Abbildung 17. Tabelle 11: Statistische Kennwerte der Übereinstimmung von PM 10 -Messung und PM 10 -Rechnung für '758 Beobachtungen Korrelation (Messung gegen Rechnung ): r 2 : 59.8% Beobachtung: Mittelwert = 39.8 µg/m³ Vorhersage: Mittelwert = 36.8 µg/m³ Aufteilung des mittleren quadratischen Fehlers Anteil Bias 4.2% Anteil unterschiedliche Variation 6.4% Anteil stochastisch 89.4% 13 Das Bestimmtheitsmaß r² gibt an wie viel Prozent der Variation in den PM10-Konzentrationen durch die Rechnung erklärt werden.

37 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 36 Abbildung 19: Scatterplot der CPB-Rechnungen für PM10 über den Messungen für Beiträge zur Gesamtkonzentration Die Beiträge zur Gesamtkonzentration, die für die Frankfurter Allee modelliert wird, sind der Tabelle 9 zu entnehmen. Tabelle 12: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur PM 10 -Gesamtkonzentration für Beitrag Mittelwert PM10 Großräumiger Hintergrund 21.2 µg/m³ 58 % Städtische Quellen (IMMIS net ) 4.6 µg/m³ 12 % CPB Auspuff 5.2 µg/m³ 14 % CPB Wiederaufwirbelung 5.8 µg/m³ 16 % Modellierte Gesamtkonzentration 36.8 µg/m³ 100 % 14 Durch blaue Punkte sind die Unterschätzungen, durch rote Punkte die Überschätzungen gekennzeichnet.

38 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 37 Ein Drittel (30 %) der Partikel-Konzentration an der Frankfurter Allee wird von den Fahrzeugen auf der Frankfurter Allee erzeugt. 58 % liefert der Transport von außerhalb Berlins, der Rest (12%) stammt aus Quellen, die auf dem Stadtgebiet von Berlin liegen. 5 Ergebnisse für Januar bis September Datenverfügbarkeit Die neun Monate Januar bis September 2002 haben 273 Tage, das sind 6'552 Stunden. Der Mittelwert der großräumigen Vorbelastung für diese6 552 Beobachtungen ist µg/m³ (siehe Kapitel Tabelle 4). Wegen der Fehlwerte in den meteorologischen und Verkehrsdaten können nicht alle Beobachtungen in CPB ausgewertet werden, es bleiben Beobachtungen, die fehlwertfrei sind und in CPB berechnet werden können. Alle folgenden Auswertungen beziehen sich auf diese fehlwertfreien Beobachtungen. 5.2 Ergebnisse für NO x Übereinstimmung der Verteilung Ein erstes Maß für die Übereinstimmung ist die Verteilung von Messung und Rechnung. Die Tabelle 13 und die Abbildung 20 geben einen Eindruck von den Verteilungen. Die Verteilungen stimmen gut überein. Die berechneten Werte liegen etwas über den gemessenen. Tabelle 13: Verteilung der 4'425 berechneten und beobachteten NO x -Konzentrationen der neun Monate 2002.

39 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 38 Abbildung 20: Verteilung der CPB-NO x -Gesamtkonzentration und der gemessenen NO x -Konzentration an der Messstation 174 für Paarweise Übereinstimmung Ein wesentlich schärferes Übereinstimmungsmaß ist die Beurteilung der paarweisen Übereinstimmung. Einige statistische Kennwerte sind in Tabelle 14 gegeben. Einen visuellen Eindruck gibt der Scatterplot in Abbildung 21. Tabelle 14: Einige statistische Kennwerte der Übereinstimmung von NO x -Messung und NO x - Rechnung 16.für '425 Beobachtungen Korrelation (Messung gegen Rechnung): r 2 : 34.8% Beobachtung: Mittelwert = µg/m³ Vorhersage: Mittelwert = µg/m³ Aufteilung des mittleren quadratischen Fehlers Anteil Bias 1.1% Anteil unterschiedliche Variation 11.2% Anteil stochastisch 87.7% 15 Der vertikale schwarze Strich kennzeichnet den Mittelwert. 16 Das Bestimmtheitsmaß r² gibt an wie viel Prozent der Variation in den NOx-Konzentrationen durch die Rechnung erklärt werden.

40 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 39 Abbildung 21: Scatterplot der CPB-Rechnungen für NO x über den Messungen für Beiträge zur Gesamtkonzentration Die Beiträge zur Gesamtkonzentration, die für die Frankfurter Allee modelliert wird, sind der Tabelle 9 zu entnehmen. Tabelle 15: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur NO x -Gesamtkonzentration in Beitrag Mittelwert NO x Großräumiger Hintergrund 14.3 µg/m³ 12 % Städtische Quellen (IMMIS net ) 34.7 µg/m³ 28 % Frankfurter Allee (CPB) 74.5 µg/m³ 60 % Modellierte Gesamtkonzentration µg/m³ 100 % Über die Hälfte (60%) der Stickoxid-Konzentration an der Frankfurter Allee wird von den Fahrzeugen auf der Frankfurter Allee erzeugt. 12 % wird von außerhalb Berlins herantransportiert, der Rest stammt aus Quellen, die auf dem Stadtgebiet von Berlin liegen. 17 Durch blaue Punkte sind die Unterschätzungen, durch rote die Überschätzungen gekennzeichnet.

41 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite Ergebnisse für PM Datenverfügbarkeit Die neun Monate Januar bis September 2002 haben 273 Tage, das sind 6'552 Stunden. Der Mittelwert der großräumigen Vorbelastung für diese6 552 Beobachtungen ist µg/m³ (siehe Kapitel Tabelle 4). Wegen der Fehlwerte in den meteorologischen und Verkehrsdaten können nicht alle Beobachtungen in CPB ausgewertet werden, es bleiben Beobachtungen, die fehlwertfrei sind und in CPB berechnet werden können. Alle folgenden Auswertungen beziehen sich auf diese fehlwertfreien Beobachtungen Übereinstimmung der Verteilung Ein erstes Maß für die Übereinstimmung ist die Verteilung von Messung und Rechnung. Die Tabelle 16 und Abbildung 22 geben einen Eindruck von den Verteilungen. Die Verteilungen stimmen gut überein. Die berechneten Werte liegen im Mittel 20% unter den gemessenen. Tabelle 16: Verteilung der 4'081 berechneten und beobachteten PM 10 -Konzentrationen der neun Monate in 2002.

42 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 41 Abbildung 22: Verteilung der PM 10 -CPB-Gesamtkonzentration und der gemessenen PM 10 -Konzentration an der Messstation 174 in Paarweise Übereinstimmung Ein wesentlich schärferes Übereinstimmungsmaß ist die Beurteilung der paarweisen Übereinstimmung. Einige statistische Kennwerte sind in Tabelle 17 gegeben. Einen visuellen Eindruck gibt der Scatterplot in Abbildung 23. Tabelle 17: Statistische Kennwerte der Übereinstimmung von PM 10 -Messung und PM 10 -Rechnung für '081 Beobachtungen Korrelation (Messung gegen Rechnung ): r 2 : 71.4% Beobachtung: Mittelwert = 39.8 µg/m³ Vorhersage: Mittelwert = 34.9 µg/m³ Aufteilung des mittleren quadratischen Fehlers Anteil Bias 14.3% Anteil unterschiedliche Variation 5.6% Anteil stochastisch 80.1% 18 Der vertikale schwarze Strich kennzeichnet den Mittelwert. 19 Das Bestimmtheitsmaß r² gibt an wie viel Prozent der Variation in den PM10-Konzentrationen durch die Rechnung erklärt werden.

43 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 42 Abbildung 23: Scatterplot der CPB-Rechnungen für PM 10 über den Messungen Beiträge zur Gesamtkonzentration Die Beiträge zur Gesamtkonzentration, die für die Frankfurter Allee modelliert wird, sind der Tabelle 18 zu entnehmen. Tabelle 18: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur PM10-Gesamtkonzentration Beitrag Mittelwert PM10 Großräumiger Hintergrund 23.1 µg/m³ 66 % Städtische Quellen (IMMIS net ) 3.9 µg/m³ 11 % CPB Auspuff 3.5 µg/m³ 10 % CPB Wiederaufwirbelung 4.4 µg/m³ 13 % Modellierte Gesamtkonzentration 34.9 µg/m³ 100 % 20 Durch blaue Punkte sind die Unterschätzungen, durch rote Punkte die Überschätzungen gekennzeichnet.

44 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 43 Knapp ein Viertel (23 %) der Partikel-Konzentration an der Frankfurter Allee wird von den Fahrzeugen auf der Frankfurter Allee erzeugt. Zwei Drittel (66%) liefert der Transport von außerhalb Berlins, der Rest (11%) stammt aus Quellen, die auf dem Stadtgebiet von Berlin liegen.

45 URSACHENANALYSE VON FEINSTAUB (PM10) Seite 44 6 Bewertung Die Qualität der Simulation der Konzentration an der Messstelle 174 (Frankfurter Allee) über ein Jahr ist für die Komponenten NO x und PM 10 zufriedenstellend. Die Konzentration von NO x wird in den beiden Zeiträumen 2001 um 12 % bzw um 9 % überschätzt. Eine Ursache hierfür könnte in der modellierten Stauhäufigkeit auf der Frankfurter Allee liegen, die durch die Verteilung des Verkehrs auf die Spuren verursacht wird. Die Konzentration von PM 10 wird in den beiden Zeiträumen 2001 um 8 % bzw um 12 % unterschätzt. Eine Ursache hierfür könnte im PM 10 -Emissionsmodell für den Kraftfahrzeugverkehr liegen. Berechnet man die PM 10 Aufwirbelung im Straßenraum mit den Parametern aus der Veröffentlichung von Düring/Lohmeyer erhält man eine modellierte Gesamtbelastung für den Zeitraum 2001 in Höhe von 42 µg/m³ (Messung 40 µg/m³) und für den Zeitraum in 2002 in Höhe von 40 µg/m³ (Messung 40 µg/m³). Es fällt auf, dass der Erklärungsanteil für NO x in der Simulation 2001 höher ist. Der Grund dafür liegt vermutlich darin, dass in 2001 nur Wintermonate simuliert wurden. In Wintermonaten ist die Konzentration von NO x höher. Der Erklärungsanteil bei PM 10 ist in beiden Zeiträumen zwei Drittel, wobei der großräumige Hintergrund wesentlich zur Gesamtkonzentration beiträgt. Tabelle 19: Beiträge des großräumigen Hintergrundes, der städtischen Quellen und der Frankfurter Allee zur Gesamtkonzentration von NO x - und PM In der letzten Zeile ist der Erklärungsanteil der Simulation angegeben bis bis NO x PM10 NO x PM10 Großräumiger Hintergrund 12 % 58 % 12 % 66 % Städtische Quellen (IMMIS net ) 26 % 12 % 28 % 11 % Frankfurter Allee (CPB) 62 % 30 % 60 % 23 % Mittelwert der Simulationen 165 µg/m³ 37 µg/m³ 124 µg/m³ 35 µg/m³ Mittelwert der Messungen 147 µg/m³ 40 µg/m³ 114 µg/m³ 40 µg/m³ Erklärungsanteil (r²) 49 % 60 % 35 % 71 %