A hybrid dispersion modelling approach for quantifying and assessing air quality in Germany with focus on urban background and kerbside concentrations

Abstract

Air pollution control strategies have helped to improve air quality over Europe over the last thirty years. Despite this success, the improvements have been insufficient to protect health of those who spend most of their time within urban areas and particularly near major roads. Considering that an urban street network is a structuring component of the city, a detailed analysis of its interaction with the environment and inhabitants is relevant for assessing policy measures aiming at improving urban air quality. However, given the inherent complexity of urban environments and the incomplete understanding of the physical and chemical processes involved in pollutant dispersion, it is a challenging task to estimate urban air quality. The objective of this thesis was to develop a modelling approach to resolve not only the long-range pollution dispersion but also to capture the higher pollutant concentrations commonly found within urban areas and at kerbside for assessing the localized effects associated to vehicle-related pollutants. A major challenge was to provide estimates not only for specific streets and cities but for the major road network and all streets within major cities in Germany. For this purpose, a hybrid dispersion modelling approach was developed for predicting air quality across different spatial scales: from regional to urban and kerbside scale, accounting for the intrinsic and distinctive urban morphology of urban areas. The hybrid dispersion modelling approach was used for estimating annual concentrations of PM10, PM2.5, and NO2 for all urban areas with more than 50 000 inhabitants in Germany for the reference year 2005. The results showed that there are large differences on air quality levels across urban areas in Germany, which may be relevant when planning or evaluating emission control strategies. Furthermore, an empiric regression function was also developed to estimate the number of days exceeding the daily limit value of 50 µg/m3 of PM10 by means of the annual mean PM10 concentrations. The air quality reference scenario was also applied to estimate health and climate change impacts associated to road vehicle activities in Germany in the year 2005. The modelling approach enabled a differentiation not only by vehicle types and technologies but also across urban areas within a geographically referenced framework. The results indicate that the total health damages attributed to road vehicle operation in Germany in the year 2005 account for almost 70 thousand Disability Adjusted Life Years (DALYs). Furthermore, the urban areas with the largest total DALYs attributed to vehicle use are located in the Essen-Dortmund area, Cologne-Bonn, and Berlin, followed by Hamburg, Frankfurt, Munich, and Stuttgart. The total health and climate change costs attributed to road vehicle operation in Germany in the year 2005 were estimated to be around 5.5 thousand millions EURO2000. Whereas heavy duty vehicles did only 8% of the total mileage, they are responsible for 27% of the total costs. On the other hand, both diesel and petrol passenger account for about 86% of the total mileage and they are responsible for two thirds of the total costs.

In den letzten 30 Jahren haben Luftreinhaltungsstrategien entscheidend dazu beigetragen, die Luftqualität in Europa zu verbessern. Doch trotz dieses Erfolges sind die Verbesserungen noch unzureichend um die Gesundheit derer, die den Großteil ihrer Zeit in Ballungsgebieten und dort besonders in der Nähe von Hauptstraßen verbringen, zu schützen. Wenn man bedenkt, dass das städtische Straßennetz ein strukturbildendes Element einer Stadt ist, dann ist eine detaillierte Analyse, wie dieses Straßenetz mit seiner Umwelt und den dort lebenden Bewohnern interagiert, von Bedeutung um die politischen Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität zu bewerten. Das Ziel dieser Arbeit war es, einen Modellierungsansatz zu entwickeln, mit dem man nicht nur den Ferntransport von Luftschadstoffen abbilden kann, sondern auch die häufig in städtischen Gebieten und an Straßen zu findenden höheren Luftschadstoffkonzentrationen zu erfassen. Dieser Ansatz sollte eingesetzt werden um die zur Straßenverkehrsemissionen zugeordneten Effekte zu bewerten. Eine große Herausforderung war es, Abschätzungen nicht nur für bestimmte Straßen und Städte zu errechnen, sondern für das Hauptstraßennetz und alle Straßen in großen Städten in Deutschland. Zu diesem Zweck wurde ein hybrider Ausbreitungsmodellierungsansatz zur Modellierung der Luftqualität über unterschiedliche räumlichen Skalen entwickelt: von regionalen- zu städtischen- hin bis zu Straßenebene, unter Berücksichtigung der intrinsischen und charakteristischen urbanen Morphologie der städtischen Gebiete. Der hybride Ausbreitungsmodellierungsansatz wurde zur Abschätzung der jährlichen Konzentration von PM10, PM2.5 und NO2, für alle städtischen Gebiete mit mehr als 50 000 Einwohnern in Deutschland für das Bezugsjahr 2005, verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass es große Unterschiede hinsichtlich Luftqualität in städtischen Gebieten in Deutschland gibt, welche bei der Planung oder der Bewertung von Emissionsminderungsstrategien relevant sein können. Darüber hinaus wurde eine empirische Regressionsfunktion entwickelt um die Anzahl der Tage, an denen der Grenzwert von 50 μg/m3 für PM10 überschritten wird, als Funktion des Jahresmittelwerts der PM10 Konzentration abzuschätzen. Ferner wurde das Luftqualität Referenzszenario für das Jahr 2005 angewandt, um die Gesundheits- und Klimawandelauswirkungen, welche den Straßenverkehrsaktivitäten in Deutschland zuzuordnen sind, zu errechnen. Dieser Modellierungsansatz ermöglicht eine Differenzierung nicht nur nach Fahrzeugtypen und Technologien, sondern auch nach städtischen Gebieten innerhalb eines georeferenzierten Informationssystems. Die Ergebnisse zeigen, dass die durch die Straßenverkehrsaktivitäten in Deutschland im Jahr 2005 verursachten gesundheitlichen Schäden fast 70 000 behinderungsbereinigte Lebensjahre (Disability Adjusted Life Years or DALYs) betrugen. Darüber hinaus hatten städtische Gebiete wie Essen-Dortmund, Köln-Bonn und Berlin dann gefolgt von Hamburg, Frankfurt, München und Stuttgart die höchste Anzahl an DALYs. Die durch die Straßenverkehrsaktivitäten in Deutschland im Jahr 2005 gesamten Gesundheits- und Klimawandelkosten betrugen Schätzungen zufolge rund 5.5 Milliarden €2000. Dabei entfallen auf schwere Nutzfahrzeuge 27% der Gesamtkosten bei nur 8% der gesamten Fahrleistung und zwei Drittel der Gesamtkosten auf Personenkraftwagen, die sowohl Benzin als auch Dieselfahrzeuge umfassen, bei 86% der Fahrleistung.