VDI 4280 Blatt 5-2009 Planning of ambient air quality measurements - Evaluation of the uncertainty of spatial air quality assessments.pdf

1、ICS 13.040.20 VDI-RICHTLINIEN August 2009VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Planung von Immissionsmessungen Ermittlung der Unsicherheit rumlicher Beurteilungen der Luftqualitt Planning of ambient air quality measurements Evaluation of the uncertainty of spatial air quality assessments VDI 4280 Blatt 5 / Pa

2、rt 5 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this guideline has been subject to public scrutiny after annou

3、ncement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette). The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL Fachbereich Umweltmesstechnik VDI/DIN-Handbuc

4、h Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen- und Messverfahren II Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedFrhere Ausgabe: 09.07Entwurf, deutsch Former edition: 09/07 Draft, inGerman only Zu beziehen durch / Available atBeuthVerl

5、agGmbH, 10772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2009 Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung. 2 1 Anwendungsbereich. 2 2 Begriffe 3 3 Formelzeichen. 3 4 Verfahren zur flchenhaften Darstellung der Luftqualitt 4 4.1 bersicht 4 4.2

6、Voraussetzungen 4 4.3 Rumliche Interpolation. 5 4.4 Modellrechnung . 6 4.5 Modellgesttzte Interpolation 6 4.6 Randwertprobleme. 7 5 Ermittlung der Unsicherheit. 8 6 Dokumentation 9 Anhang Beispiele . 10 A1 Allgemeines . 10 A2 Beispiel 1 Beurteilung der Qualitt der Modellierung 10 A3 Beispiel 2 . 12

7、A4 Beispiel 3 . 14 Schrifttum 17 Preliminary note .2 Introduction 2 1 Scope .2 2 Terms and definitions.3 3 Symbols .3 4 Methods for representing the air quality in an area .4 4.1 Overview4 4.2 Prerequisites .4 4.3 Spatial interpolation .5 4.4 Model calculation.6 4.5 Model-based interpolation6 4.6 Bo

8、undary value problems.7 5 Evaluation of uncertainty .8 6 Documentation 9 Annex Examples .10 A1 General .10 A2 Example 1 assessing the modelling quality.10 A3 Example 2.12 A4 Example 3.14 Bibliography.17 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 4280 Blatt 5 / Part 5

9、Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere das des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbers

10、etzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung diese

11、rVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copyi

12、ng), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to al

13、l honorary contributors to this guideline. Einleitung Die Richtlinienreihe VDI 4280 behandelt die Pla-nung und Auswertung von Immissionsmessungenund stellt ein wichtiges Element der Qualittssiche-rung bei der berwachung und Beurteilung derLuftqualitt im gesetzlich geregelten Bereich G1bis G11 dar. Z

14、ur Beurteilung der Luftqualitt werden nicht nur Messungen, sondern auch Aus-breitungsmodelle und statistische Analysen heran-gezogen. Gewhnlich wird die Luftqualitt nicht nur freinen Punkt, sondern fr ein ganzes Gebiet be-urteilt. Erfasst und gemessen wird sie jedoch in derRegel nur an einzelnen Pun

15、kten dieses Gebiets.Zur flchenhaften Darstellung der Luftqualitt knnen unterschiedliche Verfahren genutzt wer-den. Die vorliegende Richtlinie VDI 4280 Blatt 5 erlaubt eine berprfung der Qualitt solcher Mo-dellrechnungen. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Interne

16、t abrufbar unterwww.vdi.de/4280. Introduction The series of guidelines VDI 4280 describes the planning and evaluation of ambient air quality measurements and is an important element of qual-ity assurance in monitoring and assessing air qual-ity in the sector regulated by law G1 to G11. Not only meas

17、urements, but also dispersion models and statistical analyses are used for assessing air qual-ity. Usually, the air quality is not only assessed for a point, but for a whole area. However, the air qual-ity is generally only determined and measured at single points of this area. Different methods can

18、 be used for representing the air quality in an area. The present guideline VDI 4280 Part 5 allows checking the quality of such model calculations. A catalogue of all available parts of this guideline series can be accessed on the internet at www.vdi.de/4280. 1 Anwendungsbereich Die Richtlinie VDI 4

19、280 Blatt 5 beschreibt Verfah-ren zur Bestimmung der Unsicherheit (Genauig-keit) der Beurteilung der Luftqualitt mit Ausbrei-tungsmodellen und statistischen Analysen in einemzusammenhngenden Gebiet. In der Luftqualitts-rahmenrichtlinie der EU G6 und den zugehrigenTochterrichtlinien G7 bis G10, der E

20、U-Richtlinieber Luftqualitt und saubere Luft in Europa G11und in der 22. BImSchV G2 werden neben Mes-sungen auch solche Modellrechnungen als Instru-mente zur Beurteilung der Luftqualitt betrachtet. Es wird vorausgesetzt, dass fr das betrachtete Gebiet eine flchenhafte Modellierung des Luft-qualittsm

21、erkmals entweder durch statistische1 Scope Guideline VDI 4280 Part 5 describes methods for evaluating the uncertainty (accuracy) of air quality assessments by use of dispersion models and statis-tical analyses in a connected area. The Air Quality Framework Directive of the EU G6 and the asso-ciated

22、Daughter Directives G7 to G10, the EU Directive on ambient air quality and cleaner air for Europe G11 as well as the 22ndBImSchV (Federal Immission Control Ordinance) G2 consider such model calculations, in addition to measurements, as instruments for the assessment of air quality. It is assumed tha

23、t an area-wide modelling of the air quality characteristic is provided for the area to beconsidered, either by statistical analysis in the form B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 VDI 4280 Blatt 5 /

24、Part 5 3 Analyse in Form einer rumlichen Interpolationzwischen Messorten im betrachteten Gebiet oderdurch Ausbreitungsrechnung oder durch eineKombination von Ausbreitungsrechnung und In-terpolation vorliegt. Das Verfahren ist anwendbar, wenn im betrachte-ten Gebiet ein Messnetz zur Untersuchung derL

25、uftqualitt vorhanden ist. of spatial interpolation between measurement sites within the area to be considered or by dispersion calculation, or by a combination of dispersion cal-culation and interpolation. The method can be applied if the area to be consid-ered has a measuring network to investigate

26、 the air quality. 2 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten diefolgenden Begriffe: 2.1 Luftqualittsmerkmal Statistische Kenngre, welche die Luftqualitt an einem Messort oder in einem bestimmten Gebietfr einen bestimmten Zeitraum und fr eine be-stimmte Luftverunreinigung charakterisiert. A

27、nmerkung 1: Beispielsweise ist der Stundenmittelwert der Stickstoffdioxidkonzentration an einem bestimmten Ort undzu einer bestimmten Zeit ein Luftqualittsmerkmal. Anmerkung 2: Bei der Angabe von Luftqualittsmerkmalenist der rumliche und zeitliche Bezug zu verdeutlichen, insbe-sondere beim Vergleich

28、 mit Bewertungsmastben. 2.2 Rumliche Interpolation Mathematisches Verfahren zum Schtzen von Werten eines Luftqualittsmerkmals an Orten, andenen keine Messungen vorliegen, mithilfe von vorhandenen Messergebnissen. 2.3 Modellgesttzte Interpolation Kombination aus rumlicher Interpolation undAusbreitung

29、srechnung. 2 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the following terms and definitions apply: 2.1 Air quality characteristic Statistical parameter characterizing the air quality at a measurement site or in a defined area for a defined period and for defined air pollutants. Note 1

30、: For example, the hourly mean value of the nitrogen dioxide concentration at a defined location and at a defined time is an air quality characteristic. Note 2: For the specification of air quality characteristics, the spatial and temporal relation has to be clarified, particularly for the compariso

31、n with assessment standards. 2.2 Spatial interpolation Mathematical method for estimating values of an air quality characteristic at locations where no measurements have been made, using existing results of measurement. 2.3 Model-based interpolation Combination of spatial interpolation und disper-si

32、on calculation. 3 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: tnE,gewichteter Ergebniswert an derMessstation n = 1 bis N zum Zeit-punkt t = 1 bis T nEgeschtzter Mittelwert von tnE,an der Messstation n txE,gewichteter Ergebniswert am Ort xund zum Ze

33、itpunkt t = 1 bis T txi,Interpolationswert am Ort x und zum Zeitpunkt t = 1 bis T tnm, Modellwert an der Messstation n = 1 bis N zum Zeitpunkt t = 1 bis T txm, Modellwert am Ort x und zum Zeit-punkt t = 1 bis T tm Mittelwert von tnm, ber die Mess-stationen n = 1 bis N zum Zeitpunkt t3 Symbols The fo

34、llowing symbols are used throughout this guideline: tnE,weighted output value at measuring station n = 1 to N at time t = 1 to T nEestimated mean value of tnE,at measuring station n txE,weighted output value at location xand at time t = 1 to T txi,interpolation value at location x and at time t = 1

35、to T tnm, model value at measuring station n = 1 to N at time t = 1 to T txm, model value at location x and at time t = 1 to T tm mean value of tnm, over measuring stations n = 1 to N at time t B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 4280 Blatt 5 / Part 5 Alle Rech

36、te vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 N Anzahl der Messstationen ),(,2tntnmyrBestimmtheitsma oder Quadrat desKorrelationskoeffizienten zwischentny,und tnm, t Zeitpunkt T Anzahl der Zeitpunkte )(2Eu mittlerer quadratischer Fehler zwi-schen Messung und gewichtetem Ergebniswer

37、t x Ort; Rechenpunkt tny,Messwert an der Messstation n = 1 bis N zum Zeitpunkt t = 1 bis T ny Mittelwert von yn,t an der Messsta-tion n ty Mittelwert von yn,t ber die Messsta-tionen n = 1 bis N zum Zeitpunkt t N number of measuring stations ),(,2tntnmyrregression coefficient or square of the correla

38、tion coefficient between tny,and tnm, t time T number of times )(2Eu mean square error between meas-urement and weighted output valuex location; computational point tny,measured value at measuring station n = 1 to N at time t = 1 to T ny mean value of yn,t at measuring sta-tion n ty mean value of yn

39、,t over measuring stations n = 1 to N at time t 4 Verfahren zur flchenhaften Darstellung der Luftqualitt 4.1 bersicht Im Folgenden wird ein Verfahren, das die rumli-che Interpolation von Messungen der Luftqualittmit Modellrechnungen kombiniert, als modellge-sttztes Interpolationsverfahren bezeichnet

40、. Zieleines modellgesttzten Interpolationsverfahrens istes, eine rumlich kontinuierliche Reprsentation eines Luftqualittsmerkmals innerhalb des betrach-teten Gebiets auf der Basis eines vorhandenen Messnetzes zu erzeugen. Wird die Abschtzung von zeitlich hochaufgels-ten Kennwerten, beispielsweise be

41、rschreitungs-hufigkeiten von Stundenwerten, bentigt, so mussein Modell gewhlt werden, das in entsprechenden Zeitschritten betrieben werden kann. 4 Methods for representing the air quality in an area 4.1 Overview In the following, a method that combines the spa-tial interpolation of air quality measu

42、rements with model calculations is referred to as model-based interpolation method. The purpose of a model-based interpolation method is to provide a spatially continuous representation of an air quality charac-teristic within the area to be considered on the basis of an existing measuring network.

43、If an estimate of quantities with high time resolu-tion is required, such as number of exceedances of hourly values, a model has to be selected which can be operated in appropriate time steps. 4.2 Voraussetzungen In dem betrachteten Gebiet muss ein Messnetz zur Untersuchung der Luftqualitt vorhanden

44、 sein mindestens vier Messorte, die nicht auf einer Ge-raden liegen. Die Messorte sollten so gleichmigwie mglich ber das infrage kommende Gebietverteilt sein. Das Messnetz muss die Luftquali-ttsmerkmale fr die untersuchten Messorte lie-fern. Wenn im Gebiet topografische Variationen vorlie-gen, sollt

45、e die Hhenverteilung der Messorte derHhenverteilung des Gebiets entsprechen. Weiterhin sollte die Verteilung der Messorte dieNutzungsstruktur des Gebiets widerspiegeln. Quel-lennahe Messorte sind zu vermeiden. 4.2 Prerequisites In the area to be considered, a measuring network to investigate the air

46、 quality has to be present atleast four measurement sites that are not located on a line have to be available. The measurement sites should be evenly distributed over the area to be taken into account. The measuring network has to provide the air quality characteristics for the inves-tigated measure

47、ment sites. If the area shows topographical variations, the height distribution of the measurement sites should correspond to the height distribution of the area. Moreover, the distribution of the measurement sites should reflect the pattern of utilisation of the area. Measurement sites within a sho

48、rt distance from a source shall be avoided. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 VDI 4280 Blatt 5 / Part 5 5 Darber hinaus muss ein Rechenmodell gegeben sein, das eine Abschtzung des interessierendenL

49、uftqualittsmerkmals insbesondere fr die be-trachteten Messorte sowie auch fr die Orte er-laubt, an denen keine Messungen durchgefhrtwerden. Dieses Rechenmodell kann ein Interpola-tionsmodell, das auf den Messungen aufsetzt, oderein Ausbreitungsmodell oder eine Kombination von beiden sein. Das aktuelle Emissionskataster sollte Grundlage des Ausbreitungsmodells sein. Es ist von der Artdes Ausbreitung