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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Volker Diegmann
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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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Prognose in der
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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Prognose in der
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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
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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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Monitoring und Planung mit Modellen
Standardverfahren in der Luftreinhalteplanung
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Prognose in der
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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Stadtweite Überwachung der Luftqualität
© OpenStreetMap-Mitwirkende
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Prognose in der
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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Analyse von Hotspots
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Anforderungen im
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Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Analyse von Hotspots
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Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Analyse von Hotspots
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Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
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Analyse von Hotspots
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Anforderungen im
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Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Analyse von Hotspots
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Anforderungen im
UVM
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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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Wirkungsanalyse im gesamten Netz
Maßnahme zu Nullfall
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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
Zusammenfassung
Zeitliche Variation der Luftschadstoffbelastung
Stundenmittelwerte NO2 im Februar 2010 in Frankfurt (Oder)
Tagesmittelwerte PM10 2010 in Frankfurt (Oder)
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Luftreinhalteplanung
Anforderungen im
UVM
Methode der
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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Prognose in der
Luftreinhalteplanung
Anforderungen im
UVM
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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Anforderungen im
UVM
Methode der
Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
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Immissionsbelastung und lokaler Verkehr
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Anforderungen im
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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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Prognose in der
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Anforderungen im
UVM
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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Prognose in der
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Anforderungen im
UVM
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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Anforderungen im
UVM
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
Idee: Prognose der Detektionsdaten ermöglicht zuverlässige Prognose der
gesamten Verkehrslage
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UVM
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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Anforderungen im
UVM
Methode der
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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Methode der
Vorhersage
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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Anforderungen im
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Methode der
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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Anforderungen im
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Methode der
Vorhersage
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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Methode der
Vorhersage
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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Methode der
Vorhersage
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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Methode der
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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Vorhersage
Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
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EURAD: stündliche Vorhersage für 3 Tage
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Verkehrsprognose
Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
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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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Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
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EU
RA
D-P
rog
no
sen
fü
r d
en
aktu
ell
en
Tag
NO2 R²=0.35
Windspeed R²=0.35 Temperatur R²=0.95
O3 R²=0.64
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Kurzfristprognose
Mittelfristprognose
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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