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Prognose im umweltorientierten Verkehrsmanagement Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015 Bergisch Gladbach, 04./05.03.2015 Volker Diegmann, IVU Umwelt GmbH, Freiburg

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Prognose im

umweltorientierten Verkehrsmanagement

Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015

Bergisch Gladbach, 04./05.03.2015

Volker Diegmann, IVU Umwelt GmbH, Freiburg

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Prognose in der

Luftreinhalteplanung

Anforderungen im

UVM

Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Überblick

• Prognose in der Luftreinhalteplanung

• Anforderungen im UVM

• Methode der Vorhersage

– Verkehrsprognose

– Kurzfristprognose

– Mittelfristprognose

• Zusammenfassung

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Luftreinhalteplanung

Anforderungen im

UVM

Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

“Essentially, all models are wrong,

but some are useful”

Zitat von George Edward Pelham Box

britischer Statistiker 1919 - 2013

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Methode der

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Prognose in der Luftreinhaltung

• Beschreibung der der Luftschadstoffkonzentration in der

Umgebungsluft mittels Modellen

• Prognose im UVM dient der

– 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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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Monitoring und Planung mit Modellen

Standardverfahren in der Luftreinhalteplanung

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Methode der

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Stadtweite Überwachung der Luftqualität

© OpenStreetMap-Mitwirkende

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Zusammenfassung

Analyse von Hotspots

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Analyse von Hotspots

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Analyse von Hotspots

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Analyse von Hotspots

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Verkehrsprognose

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Zusammenfassung

Analyse von Hotspots

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Planung und Evaluierung von Maßnahmen

Änderung der Gesamtbelastung

-2.5%

-2.0%

-1.5%

-1.0%

-0.5%

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

NO2 NOX PM10

V1 V2 V3

Meteorologie

Hintergrund

Verkehr 1

Verkehr 2

Immission 1

Immission2

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IMMISmt Archiv

Simulator

IMMISmt Monitoring

Daten-

akquisition Daten-

aufbereitung

Simulation

(Zeitreihen) Analyse

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Wirkungsanalyse im gesamten Netz

Maßnahme zu Nullfall

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Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Zeitliche Variation der Luftschadstoffbelastung

Stundenmittelwerte NO2 im Februar 2010 in Frankfurt (Oder)

Tagesmittelwerte PM10 2010 in Frankfurt (Oder)

IVU Umwelt, 2015

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Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Effekte von temporären lokalen Maßnahmen

Stundenmittelwerte NO2 im Februar 2010 in Frankfurt (Oder)

Tagesmittelwerte PM10 2010 in Frankfurt (Oder)

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Immissionsbelastung und lokaler Verkehr

0

20

40

60

80

100

120

0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0

Konzentration NO2 [µg/m³]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0

Verkehrsstärke [Kfz/h]

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Verkehrsprognose

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Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Immissionsbelastung und lokaler Verkehr

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Vorhersage der Eingangsdaten

Meteorologie

Hintergrund

Verkehr

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IMMISmt

Monitoring

Vorhersage Eingangsdaten Simulation Vorhersage

der Belastung

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

IMMISmt Prognose am Beispiel UVM-BS

Änderung der Input-Daten für die Prognose-Berechnungen:

Prognosedaten statt Messdaten

Eingangsdaten Art der Eingangsdaten

Monitoring-Modus Prognose-Modus

Verkehrsdaten Messdaten &

Modelldaten

Modelldaten

Schadstoffdaten Messdaten statistische Prognose/

Modelldaten (EURAD)

Meteorologie Daten Messdaten statistische Prognose/

Modelldaten (EURAD)

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

ViBSmt – Verkehrsmonitoring

Aktuelle

Detektordaten

Verkehrsmodell je

Zeitscheibe /

Tagestyp

Ergebnis:

stündlich und

flächendeckend aktuelle

Verkehrsmengen und

Level-of-Service-Anteile

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Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

ViBSmt – Verkehrsmonitoring

Aktuelle

Detektordaten

Verkehrsmodell je

Zeitscheibe /

Tagestyp

Ergebnis:

stündlich und

flächendeckend aktuelle

Verkehrsmengen und

Level-of-Service-Anteile

Idee: Prognose der Detektionsdaten ermöglicht zuverlässige Prognose der

gesamten Verkehrslage

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

ViBSmt - Prognosemodul

• Prognose der Detektionsdaten für alle Messstellen

• Flächendeckende Berechnung der Verkehrslage basierend auf prognostizierten Detektionsdaten

Prognosemodul für

Detektionsdaten

• Zeitraum mehrere Stunden

• Grundlage: tagestyp- und messstellenspezifische relative Ganglinien und aktuelle Messwerte

Kurzzeitprognose

• Zeitraum mehrere Tage

• Grundlage: tagestyp- und messstellenspezifische historischen Ganglinien

Langzeitprognose

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Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

ViBSmt – Kurzzeitprognose

• Kurzzeitprognose für die aktuelle und die beiden nächsten Tagesstunden

• Pilotbetrieb seit Ende 2014, Evaluation läuft

• Erste Ergebnisse zeigen hohe Übereinstimmung zwischen Prognose- und Ist-Daten

Pilotbetrieb und Evaluation in

Braunschweig

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Meteorologie und Vorbelastung:

Kurzfrist- & Mittelfristprognose

gestern heute morgen übermorgen

EURAD

Regression

Meteorologie, Ozon

6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0

EURAD

EURAD

EURAD

Archiv

Mittelfristprognose

Kurzfristfristprognose (stündliche Aktualisierung)

UTC

• Kurzfristprognose: die nächsten 3 Stunden

• Mittelfristprognose: aktueller Tag + 2 Tage

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Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Kurzfristprognose der Vorbelastung und

Meteorologie mittels Regression

• Anforderung:

Praxisorientiertes einfaches Modell ohne komplexe

Eingangsdaten

• These:

Auf Grund der Erhaltungsneigung der zeitlichen

Entwicklung ist für die Kurzfristprognose von wenigen

Stunden in der Regel eine Regression auf Basis der

Vergangenheit der Zeitreihe (univariates Modell)

ausreichend.

• Lösungsansatz:

Im Beispiel wurde ein autoregressives Modell mit einem

Kalibrierungszeitraum von 720 Stunden gewählt.

• Prüfung:

Test der Qualität durch Vergleich von Prognosedaten mit

Messdaten (Braunschweig, Hintergrundstation 1.1.2013

bis 31.07.2014 und Flughafen Hannover, Braunschweig)

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Prognose für die 1. Stunde

NO2 R²=0.82 O3 R²=0.94

Windspeed R²=0.88 Temperatur R²=0.99

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Prognose für die 2. Stunde

NO2 R²=0.66

Windspeed R²=0.77 Temperatur R²=0.98

O3 R²=0.85

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Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Prognose für die 3. Stunde

NO2 R²=0.54

Windspeed R²=0.69 Temperatur R²=0.96

O3 R²=0.78

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Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Verg

leic

h d

er

Pro

gn

ose f

ür

die

1. S

tun

de

mit

Messw

ert

en

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Mittelfristprognose mit EURAD-Modell

• EURAD-Prognosesystem der

Uni Köln / RIU e.V

• Flächendeckende Prognose für

Niedersachsen in horizontaler

Auflösung von ca. 5 * 5km

• Bereitstellung von Drei-Tage-

Vorhersagen der

Konzentrationen von PM10,

Ozon, und NO2 für die Region

Braunschweig

• Meteorologische Größen aus

dem Wettervorhersage

Modell MM5:

Windgeschwindigkeit,

Windrichtung, Temperatur,

relative Feuchte,

Mischungsschichthöhe.

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

EURAD: stündliche Vorhersage für 3 Tage

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Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Ergebnisse der Mittelfristprognose

• EURAD-Prognosedaten gelten für den Zeitpunkt und sind

keine Mittelwert über eine Stunde, deshalb Vergleich mit

Messwerten über Mittelwertbildung aus 2. Zeitpunkten

Mittelwert aus (h-1) und h

• Vergleich Prognosedaten (EURAD 2h-Mittelwerte) mit

Messdaten für den Zeitraum 24.06.2013 bis 10.08.2014

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AIR QUALITY ASSESSMENT RUHR AREA - LOW EMISSION ZONE

Folie

33

Prognose im umweltorientierten Verkehrsmanagement

Volker Diegmann

Luftqualität an Straßen,

04./05.03.2015

www.ivu-umwelt.de

Prognose in der

Luftreinhalteplanung

Anforderungen im

UVM

Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

EU

RA

D-P

rog

no

sen

r d

en

aktu

ell

en

Tag

NO2 R²=0.35

Windspeed R²=0.35 Temperatur R²=0.95

O3 R²=0.64

IVU Umwelt, 2015 IVU Umwelt, 2015

IVU Umwelt, 2015 IVU Umwelt, 2015

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Prognose im umweltorientierten Verkehrsmanagement

Volker Diegmann

Luftqualität an Straßen,

04./05.03.2015

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Prognose in der

Luftreinhalteplanung

Anforderungen im

UVM

Methode der

Vorhersage

Verkehrsprognose

Kurzfristprognose

Mittelfristprognose

Zusammenfassung

Zusammenfassung

• Aufgabenstellung bei PM10 und NO2 unterschiedlich

• Für Aktivierung kurzfristiger Maßnahmen NO2 relevant

• Möglichkeiten der Auslösung von kurzfristigen UVM-

Maßnahmen

– Auf Basis Monitoring möglich („proaktiv“)

– Mittels Kurzfristprognose

• Verfahren: Prognose der Eingangsdaten und

anschließend Modellierung analog Monitoring

• Zufriedenstellende Ergebnisse bei Kurzfristprognose

mittels Regression

• Entwicklungsbedarf bei Verwendung von EURAD-Daten

für die Mittelfristprognose

• Ausblick:

Sammeln von Erfahrungen im operationellem Betrieb