Untersuchung und Modellierung der raumzeitlichen Variabilität urbaner und regionaler Feinstaubkonzentrationen

  • Investigation and modelling of the spatio-temporal variability of urban and regional particulate matter concentrations

Merbitz, Hendrik; Schneider, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Die Doktorarbeit verfolgt das Ziel, den empirischen Kenntnisstand zur raumzeitlichen Feinstaubverteilung durch kleinräumige mobile Messungen sowie verschiedene Analysen zu verbreitern und Ansätze für die Modellierung und Prognose der urbanen und regionalen Feinstaubvariabilität zu entwickeln. Hierbei steht die Frage der Verteilungsmuster urbaner Feinstaubkonzentrationen (PM10 und PM2.5) und ihrer Steuerungsfaktoren im Mittelpunkt. Darüber hinaus wird die Rolle meteorologischer Einflüsse hinsichtlich der zeitlichen Variabilität urbaner Feinstaubkonzentrationen untersucht. Neben der urbanen Feinstaubverteilung wird die regionale PM10-Konzentrationsvariabilität in Abhängigkeit von Emissionen und Landnutzung untersucht. Auf Grundlage der Ergebnisse werden verschiedene statistische und geostatistische Ansätze zur räumlichen und zeitlichen Modellierung der Feinstaubkonzentration entwickelt. Die Ergebnisse der mobilen Messungen zeigen eine hohe kleinräumige Variabilität urbaner Feinstaubkonzentrationen, wobei die Höhe der Konzentration vor allem eine Abhängigkeit von der Intensität des Verkehrsaufkommens, den kleinräumigen Ventilationsbedingungen sowie dem Vorkommen von Vegetation zeigt. Auf Basis der kleinräumigen Messungen findet die Entwicklung eines Regressionsmodells statt, welches die urbanen PM10- und PM2.5-Konzentrationsverteilungen im Aachener Stadtgebiet räumlich hochaufgelöst herleitet. Das Regressionsmodell berücksichtigt als räumliche Prädiktoren sowohl verkehrsbedingte Emissionen als auch die Beeinflussung der Ausbreitungsbedingungen durch Gebäude sowie Entfernungsprozesse von Partikeln durch Vegetation. Die Validierung des Modells zeigt ein hohes Maß an Übereinstimmung zwischen gemessenen und modellierten Feinstaubkonzentrationen. Auf Basis der Modellergebnisse wird eine Abschätzung der Bevölkerungsexposition gegenüber PM10 und PM2.5 im Aachener Stadtgebiet durchgeführt. Auf der Grundlage von Analysen meteorologischer Einflüsse auf die zeitliche Variabilität urbaner und suburbaner Feinstaubkonzentrationen werden lineare und nicht-lineare Modelle entwickelt, um die PM10-Konzentrationen an zwei unterschiedlich belasteten Standorten zu prognostizieren. Für den regionalen Untersuchungsraum Euregio Maas-Rhein wird darüber hinaus ein Interpolationsmodell entwickelt, welches sowohl lokale lufthygienische Einflüsse in Form von Emissionen und Landnutzung berücksichtigt, als auch regionale Konzentrationsgradienten abbildet. Das Interpolationsmodell erzeugt Karten der aktuellen PM10-Konzentrationsverteilung in der Euregio Maas-Rhein und zeigt eine hohe Übereinstimmung mit gemessenen Konzentrationen. Die Arbeit wird abgeschlossen mit einer Diskussion von Maßnahmen zur Verbesserung der urbanen Luftqualität. Hierbei werden neben der Senkung verkehrsbedingter Emissionen vor allem die Förderung der Ventilation und der Zufuhr unbelasteter Frischluft sowie die Anpflanzung geeigneter Vegetation als wirksame Maßnahmen hervorgehoben, um die urbane Feinstaubbelastung zu senken.

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