Sonderforschungsbereich ,,Umweltprobleme eines industriellen Ballungsraumes``

**Abbildung 3.5:** Modellkette des SFB 419 - Teilprojekt B3. Auf der Basis von Emissionskatastern von Industrie und Verkehr wird mit Hilfe hochauflösender meteorologischer Modelle die Ausbreitung und chemische Transformation der Schadstoffe (Immission) berechnet.
$\begin{figure}\noindent \epsfig{file=verkehr/figures/schema_b3.eps,width=\linewidth} \end{figure}$

Das ZAIK arbeitet im Sonderforschungsbereich 419 (SFB) mit dem Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln seit Anfang 1999 zusammen. Gegenstand der Untersuchungen in diesem Projekt sind die Entstehung, Ausbreitung und Transformation von Luftschadstoffen. Zusätzlich sollen hierbei auch klimatologische Fragestellungen berücksichtigt werden. Gesamtziel des SFB ist eine umfassende Untersuchung der Umweltproblematik - insbesondere der Verflechtungen zwischen den verschiedenen Problemkreisen Luft, Wasser, Boden. Auf der Basis von naturwissenschaftlichen und medizinischen Analysen, Simulationen und Prognosen unter Berücksichtigung von sozialen, ökonomischen und rechtlichen Aspekten soll diese zu Lösungsansätzen führen, Lebensqualität zu sichern, zu erhalten und zu verbessern. Mit den Untersuchungen zur Luftqualität trägt unser Projekt einen Teil zu dieser Gesamtsicht bei.

Die beiden Arbeitsgruppen haben bereits erfolgreich im 1998 ausgelaufenen Forschungsverbund ,,Verkehrssimulation und Umweltwirkungen`` kooperiert. Die im Bereich der Verkehrssimulation zur Untersuchung der Fragestellung verwendeten Modelle und Softwaretools basieren auf Forschungsergebnissen, die im Rahmen des Forschungsverbundes erzielt wurden. Dabei handelt es sich um Modelle zur dynamischen Routenumlegung und der mikroskopischen Simulation von Straßenverkehr. Diese werden im Rahmen des SFB-Projektes methodisch erweitert und ausgebaut.

Grundlage der in Abbildung 3.5 dargestellten Modellkette zur Simulation von Luftschadstoffen sind neben Emissionskatastern für Haus- und Industriebrand zeitlich und räumlich hochaufgelöste Kataster der Schadstoffemissionen des Straßenverkehrs, die mit Hilfe der in unserer Arbeitsgruppe entwickelten Modelle berechnet werden. Neben der naheliegenden Feststellung, dass in der Regel eine Erhöhung der Auflösung die Qualität der Ergebnisse verbessert, ist eine hohe Auflösung der Dynamik des des Straßenverkehrs für die Berechnung der Emissionen von prinzipieller Bedeutung. Die in einem Bereich des Straßennetzes emittierten Schadstoffe hängen nicht allein von der mittleren Verkehrsbelastung, sondern vielmehr von deren zeitlichen Entwicklung bis hin zur Einzelfahrzeugdynamik ab (s.a. Abbildung 3.6). Eine hohe räumliche Auflösung der berechneten Schadstoffkataster ist darüber hinaus notwendig, um geeignete Datenbasen für weitere Arbeitsgruppen des SFB zur Verfügung stellen zu können.

Die bisher im Rahmen des SFB 419 durchgeführten Arbeiten unserer Arbeitsgruppe konzentrierten sich stark auf die Generierung der Verkehrsnachfrage und die Kopplung der drei Komponenten der Modellkette, sowie die Erstellung des zur Simulation notwendigen Verkehrsnetzes. Durch die Bereitstellung eines umfangreichen Datensatzes der GIS-Consult GmbH (Haltern) konnte das gesamte Straßennetz von NRW für die Simulation des Verkehrsgeschehens abgebildet werden. Die Detaillierung der Netzdaten reicht hierbei bist auf Kreisstraßenniveau. Aufgrund der momentan zur Verfügung stehenden Daten über die Verkehrsnachfrage und der großen Skala, auf der die Emissionen des Verkehrs berechnet werden sollen, stellt dies zunächst auch die anvisierte Auflösung der Verkehrsabläufe dar. Aus der Zusammenarbeit mit der GIS-Consult GmbH sind zwei Diplomarbeiten im Bereich der Geowissenschaften entstanden, die die Darstellung dynamischer Verkehrsdaten, wie sie z.B. aus Simulationsläufen stammen können, in einer auf Smallworld basierenden Applikation (NWSIB - Straßeninformationsdatenbank Nordrhein-Westfalen) ermöglichen.

**Abbildung 3.6:** Vergleich der NO Emission auf einer Straßenkante für konstante und zeitabhängige (zwei rush-hour Peaks) Nachfrage. Nicht nur die zeitliche Verteilung des Schadstoffs unterscheidet sich, sondern auch die Gesamtemission ist im Falle konstanter Nachfrage ca. doppelt so hoch wie bei der zeitabhängigen (trotz gleicher Anzahl von Emittenden).
$\begin{figure}\noindent \epsfig{file=verkehr/figures/nox_sim3.eps,width=\linewidth} \end{figure}$

Grundlage jeder Verkehrssimulation ist die Kenntnis über die Verkehrsnachfrage. Flächendeckende Informationen sind in der Regel nicht verfügbar und liegen meist - wenn überhaupt - in einer stark aggregierten Form vor. Um die Modellkette innerhalb der Verkehrssimulation, d.h. dynamische Routenumlegung und Simulation der Einzelfahrzeugdynamik, weiterentwickeln zu können und möglichst schnell ein zeitlich hochaufgelöstes Emissionskataster für die Modelle der Meteorologen zur Verfügung zu stellen, wurde in einem ersten Schritt allein aufgrund der Bevölkerungszahlen der Gemeinden eine Verkehrsnachfrage um Köln abgeschätzt. In dem gewählten Ansatz fließen neben den Einwohnerzahlen die durch die Infrastruktur vorgegebenen Erreichbarkeiten zwischen den Gemeinden mit in die Verteilung der Fahrten ein. Basierend auf dieser Nachfrage wurde die in Abbildung 3.7 dargestellte NO

Immission für Köln und Umgebung berechnet.

**Abbildung 3.7:** Mittlere NO Immission für die Umgebung von Köln. Simulation des Instituts für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln aus Emissionsdaten basierend auf der im Text beschriebenen vereinfachten Nachfrageberechnung.
$\begin{figure}\noindent \epsfig{file=verkehr/figures/nox3h_imi.eps,width=\linewidth} \end{figure}$

Nachdem eine Großzahl der technischen Probleme zur Umsetzung der Modellkette, wie die Kopplung der einzelnen Komponenten, inzwischen gelöst wurden, sind die Arbeiten momentan auf die Modellierung der Verkehrsnachfrage als Grundlage einer wirklichkeitsnahen Berechnung der Emissionen ausgerichtet. Als Datenbasis dienen hierbei die Verkehrsströme zwischen Landkreisen. In den vorliegenden Daten sind diese differenziert nach sechs Fahrtzwecken, wie Arbeit, Ausbildung oder Freizeit, enthalten. Mittels eines Gravitationsansatzes werden die Fahrten über ein iteratives proportionales Fitting auf Gemeinden verteilt, wobei deren Einwohnerzahl und die Verteilung der Reisezeiten zwischen den Gemeinden mitberücksichtigt werden. Die Dynamisierung der Fahrten geschieht anhand von Verteilungen der Abfahrtszeiten, die aus Vorarbeiten eines anderen Projekts unserer Arbeitsgruppe gewonnen werden konnten. Das Verfahren wird zur Zeit für Fahrten des Berufsverkehrs getestet und soll anhand von Werten des durchschnittlichen Tagesverkehrs aus Studien des Umweltamtes der Stadt Köln validiert werden.