Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 240: Validering af luftkvalitetsmodellen OML-Highway

Jensen, S.S., Ketzel, M., Im, U., Løfstrøm, P., Poulsen, M.B., Monies, C., Ellermann, T. (2016): Validering af luftkvalitetsmodellen OML-Highway. Aarhus Universitet, DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi, 49 s. - Videnskabelig rapport fra DCE - Nationalt Center for Miljø og Energi nr. 240. http://dce2.au.dk/pub/SR240.pdf

Sammenfatning

Baggrund og formål

Vejdirektoratet fik i 2015 gennemført en kortlægning af luftkvaliteten langs alle statsvejene i Danmark med OML-Highway-modellen. Kortlægningen blev udført af DCE og repræsenterede luftkvaliteten i 2012 (Jensen et al., 2015). OML-Highway er en luftkvalitetsmodel, som er specielt udviklet til at beregne luftkvaliteten langs veje i åbent terræn. 

For at kunne gennemføre den nationale kortlægning af luftkvalitet langs statsvejene blev der foretaget en række forenklinger. Det drejer sig om, hvor detaljeret veje og trafik beskrives, hvordan baggrundskoncentrationer og meteorologi håndteres, og hvordan kvælstofdioxid (NO2) beregnes.
Formålet med denne rapport er at foretage en vurdering af, hvad disse forenklinger betyder for kvaliteten af den nationale kortlægning. Et delformål er at undersøge, hvorfor der tilsyneladende blev beregnet relativt høje koncentrationer længere væk fra vejene, idet de modelberegnede koncentrationer ikke aftog så hurtigt med afstanden fra vejen som umiddelbart forventet på basis af viden fra tidligere målekampagner. For at understøtte analysen, er der gennemført en ny målekampagne for NO2 (kvælstofdioxid) ved Holbæk-motorvejen ved Svogerslev i 2016, som bl.a. belyser, hvordan luftforureningen aftager i relativ stor afstand fra motorvejen med målinger i op til 400 m, hvilket er omkring dobbelt så langt fra motorvejen som i tidligere målekampagner. Endvidere er der gennemført sammenligninger af OML-Highway beregninger med den nye målekampagne ved Svogerslev i 2016, og forsøgt at estimere betydningen af de forenklinger, som blev foretaget i kortlægningen. Endvidere er nye OML-Highway beregninger gennemført og sammenlignet med tidligere gennemførte målekampagner for Køge Bugt i 2003 og Tastrup i 2008.

I det følgende vurderes kortlægningsmetoden først for Svogerslev kampagnen i 2016, hvor den mest detaljerede analyse er foretaget. Efterfølgende op-summeres resultaterne af analyserne for hhv. kampagnerne for Køge Bugt i 2003 og Tastrup i 2008.

Kortlægningsmetoden

De forenklinger, som er indeholdt i kortlægningsmetoden, er kort beskrevet nedenfor.

Vejnettet

Vejnettet er baseret på vejman.dk, som omfatter alle statsveje. Dette vejnet er enkelt digitaliseret, dvs. at fx en motorvej repræsenteres ved en centerlinje, som ligger i midterrabatten. Vejens bredde er defineret ved vejbredden omkring denne centerlinje (ekskl. nødspor). OML-Highway muliggør en mere detaljeret beskrivelse af vejens præcise placering af vognbaner mv., som ikke er anvendt i kortlægningsmetoden.

Baggrundskoncentrationer

Baggrundskoncentrationerne er beregnet med den regionale model Danish Eulerian Hemispheric Model (DEHM) og bybaggrundsmodellen Urban Background Model (UBM) for alle 1x1 km2 gitterceller i Danmark, hvor der er beregningspunkter langs statsvejnettet. 

Forenklingen består i, at et beregningspunkt tilknyttes nærmeste punkt for baggrundskoncentrationer. Baggrundskoncentrationen i beregningspunktet tages således fra nettet af gitterceller. Dette skulle kun introducere en marginal forskel. Endvidere består forenklingen i, at emissioner fra kommunale veje, som ligger i samme 1x1 km2 gitterceller som statsveje, ikke medtages i beregningen af baggrundskoncentrationerne (som bivirkning ved en simpel metode til at undgå dobbelttælling af emissioner). Dette kan give en mindre underestimering af koncentrationerne. De kommunale veje indgår dog for alle gitterceller, som ikke indeholder statsveje, i forbindelse beregning af baggrundskoncentrationerne. Bidraget fra statsveje indgår ikke i beregning af baggrundskoncentrationer, men deres bidrag indgår i beregning for beregningspunkterne langs motorvejen.

NO2-estimering

I OML-Highway beregnes NO2 time for time ved at tage hensyn til at NO2 indgår i fotokemiske reaktioner i atmosfæren (involverende NO (kvælstofoxider), NO2 (kvælstofdioxid) og O3 (ozon)), og der er ikke en lineær sammenhæng mellem NOx og NO2. Det ville have været meget ressourcekrævende at gennemføre beregningerne på denne måde i forbindelse med kortlægningen langs hele statsvejnettet. I stedet for beregninger, hvor baggrundskoncentrationen varierer time for time, er kortlægningsmetoden derfor baseret på års-middelværdier for baggrundskoncentrationer af NO2 på en geografisk opløsning på 1 km x 1 km, som tidligere er blevet beregnet i et andet projekt. NO2 ved beregningspunkterne er beregnet ud fra en metode opstillet af Düring et al. (2011). Det er en simplificeret kemimodel, som er baseret på årsmiddel af NOx for beregningsstedet og baggrundskoncentrationsstedet, NO2 og O3 for baggrundskoncentrationsstedet samt oplysninger om andelen af direkte NO2-emissioner af NOx-emissioner fra trafikken. 

Årsmiddelværdier for baggrundskoncentrationer beregnet med DEHM/-UBM indgår således som en integreret del af metoden for NO2-estimering.

Meteorologi

I forbindelse med OML-Highway beregninger benyttes normalt en meteorologisk fil, som er repræsentativ for de meteorologiske forhold omkring beregningspunkterne. For at forenkle beregningerne i kortlægningsmetoden, således at der ikke skulle dannes en meteorologisk fil for hver 1 km x 1 km gitter-celle i hele landet langs statsvejnettet, blev Danmark inddelt i 5 forskellige meteorologiske klasser baseret på den gennemsnitlige vindhastighed.

I kortlægningen blev der anvendt modelleret meteorologi fra den meteorologiske model MM5, men DCE er efterfølgende overgået til at anvende en an-den meteorologisk model, WRF. WRF er anvendt i forbindelse med de nye OML-Highway beregninger i nærværende rapport. Sammenligning mellem MM5 og WRF viser ikke de store forskelle, men at WRF er lidt bedre end MM5. Dette er ikke en del af forenklingen ved kortlægningen, men kan introducere mindre forskelle i luftkvalitetsberegningerne.

Modificeret version af OML-Highway

Der er anvendt en modificeret version af OML-Highway i forhold til den udgave, som blev anvendt i kortlægningen. I den modificerede version medtages ikke bidrag fra emissionskilder fra statsvejnettet længere væk end 20 km, da det vurderes at bidragene herfra bør være minimale, mens de i den tidligere version fik for stor vægt. Endvidere har grænselagshøjden i det meteorologiske input-data en minimumshøjde på 150 m, da den meteorologiske model WRF beregnede urealistisk lave værdier i nogle tilfælde. Begge disse forhold bidrager til lavere koncentrationer især længere væk fra vejen set i forhold til beregningerne foretaget i forbindelse med den nationale kortlægning. For Svogerslev reducerede dette koncentrationerne med omkring 3-5 µg/m3. Den tidligere anvendte version af OML-Highway i kortlægningen har derfor overestimeret koncentrationerne især længere væk fra vejen ua-hængig af de forenklinger, som er foretaget for at kunne gennemføre kortlægningen. Det er den modificerede version, som er anvendt til sammenligning med målingerne i alle tre kampagner (Svogerslev 2016, Køge Bugt 2003 og Taastrup 2008).

Hovedkonklusioner

Ny målekampagne ved Svogerslev i 2016

Der er gennemført en ny målekampagne med passive NO2-opsamlere ved Holbækmotorvejen ved Svogerslev vest for Roskilde. Måleperioden var 6 uger fra 10.05.2016 kl. 14 til 21.06.2016 kl. 11, dvs. uge 20 til uge 25. Til målekampagnen blev der anvendt det japansk producerede Advantec filter badge til passiv opsamling af NO2.

For at teste nøjagtigheden af de passive NO2-opsamlere er der gennemført samtidige målinger med de passive opsamlere ved de permanente målestationer på Jagtvej i København (gadestation) og ved Risø (landstation) under det nationale overvågningsprogram for luftkvalitet. Disse sammenligninger viser høj korrelation mellem de to målinger, men de passive målinger ligger lidt lavere end de aktive. Forholdet mellem målingerne er anvendt til at kalibrere værdierne fra de passive NO2-opsamlere.

Målingerne viser som forventet højst koncentrationer tæt på motorvejen og hurtig aftagen med afstanden til motorvejen. I en afstand af omkring 400 m har koncentrationerne næsten nået baggrundsniveauet, hvor der ikke længere sker væsentlig yderligere aftagen med afstanden til motorvejen.
Sammenligning af OML-Highway med Svogerslev-målekampagne Beregningerne med OML-Highway viser generelt noget højere koncentrationer end målingerne, dog undtaget målepunktet tættest på vejen syd for motorvejen. Overestimeringen er relativ større længere væk fra motorvejen.

Vurdering af forenklingerne i kortlægningsmetoden

I det følgende opsummeres betydningen af forenklingerne i kortlægningsmetoden baseret på beregninger og målinger fra Svogerslev kampagnen.

Forenkling af vejnettet

Digitaliseringen af centerlinjen er generelt af meget høj kvalitet, hvilket udvalgte stikprøver i forhold til digitale luftkort viser. En forskydning af center-linjen med fx 1 m i forhold til virkeligheden vil have en betydning for de beregnede koncentrationer meget tæt på vejen, men vil være ubetydelige længere væk for vejen. Denne forenkling er derfor ikke forsøgt kvantificeret, da den vurderes at være ubetydelig for kortlægningsresultaterne, lige så snart man er lidt længere væk fra motorvejen, dvs. i afstande af omkring 20-30 m fra vejmidten.

Forenklet NO2-estimering

Den forenklede NO2-estimering i kortlægningsmetoden giver generelt lavere beregnede koncentrationerne end de timebaserede OML-Highway-beregninger, og den har meget mindre forskel mellem minimumsværdier (langt fra motorvejen) og maksimumværdier (tæt på motorvejen). Dette er en væsentlig årsag til, at der i kortlægningen af luftkvaliteten langs hele statsvejnettet ses uventet lille forskel på de beregnede koncentrationer tæt på motorvejen og længere væk, og at de beregnede koncentrationer i kortlægningen dermed ikke aftog så hurtigt, som det kunne forventes. 

I forhold til målingerne undervurderer kortlægningsmetoden de højeste koncentrationer tæt på motorvejen, og kortlægningsmetoden overvurderer længere væk fra vejen. Dette illustrerer, at de beregnede koncentrationer længere væk fra motorvejen ikke aftager så hurtigt som forventet.

Den forenklede NO2-estimering har bevirket en tendens til generelt at beregne for lave koncentrationer, og har betydet mindre forskel mellem minimums- og maksimumsværdier, mens den anvendte version af OML-Highway i kortlægningen har bidraget til at overvurdere koncentrationerne især længere væk fra vejen. Disse to forhold har dermed til dels udlignet hinanden, dog således at koncentrationer især længere fra vejen har været overvurderet i kortlægningen.

Der er også usikkerhed på niveauet for årsmiddelkoncentrationerne beregnet med DEHM/UBM, men de absolutte forskelle er små i forhold til målingerne, og kan ikke forklare, hvorfor kortlægningen viste relativt høje koncentrationer længere væk fra vejen. 

Anvendelse af vindhastighedsklasser

For at vurdere betydningen for koncentrationerne af at anvende vindhastighedsklasser i kortlægningsmetoden, er der for målekampagnen ved Svogerslev gennemført en følsomhedsanalyse med forskellige forudsætninger for meteorologiske data. Forskellen på at anvende den nedre og øvre grænse for vindhastigheden i vindhastighedsklassen er maksimalt op til 10%, og bidraget fra motorvejen påvirkes stort set lige meget i forskellige afstande af motorvejen, da fortyndingen afhænger af vindhastigheden. Anvendelse af vind-hastighedsklasser forklarer derfor ikke, hvorfor kortlægningen har relativt høje koncentrationer længere væk fra vejen, men bidrager alene til den usikkerhed, som følger af at anvende vindhastighedsklasser.

OML-Highway og Køge Bugt 2003 målekampagne

For NO2 undervurderer OML-Highway koncentrationerne tæt på motorvejen, mens koncentrationerne for alle øvrige punkter længere væk er overestimeret.


Sammenligning mellem OML-Highway-beregninger gennemført med meteorologisk data beregnet med henholdsvis WRF (Weather Research and Forcasting) og data målt med Sonic viste god overensstemmelse mellem resultaterne. Dette er en indikation af, at de modellerede meteorologiske data fra WRF ikke er meget forskellige fra målte meteorologiske data for længere midlingsperioder. 


Det blev også undersøgt, hvor hurtigt luftforureningen aftager med afstanden ved at generere en række beregningspunkter vinkelret på motorvejen i forskellige afstande op til 10 km fra motorvejen. I henhold til modelberegningerne falder koncentrationer hurtigt de første 1.000 m, men baggrundsniveauet nås først efter omkring 8 km. I forhold til målingerne ved Svogerslev 2016 ser det ud til at baggrundsniveauet i modellen først nås i for stor afstand, idet målingerne dér viser at baggrundsniveauet næsten var nået i en afstand af omkring 400 m. Dette indikerer, at OML-Highway beregner for høje koncentrationer længere væk fra vejen. 

OML-Highway og Taastrup 2008 målekampagne

Der har ikke tidligere været foretaget valideringsstudier for denne målekampagne ved Taastrup, da målekampagnen ikke var designet til dette, men til at vurdere emissionen fra trafikken, især partikler fra trafik ved høj hastighed. Forholdene er ikke særligt velegnede til et valideringsstudie, da de geometriske forhold er meget komplekse. Forholdene kan ikke til fulde beskrives med den nuværende version af OML-Highway, bl.a. fordi motorvejen er nedgravet det pågældende sted, og der er træer langs motorvejen.
I kampagnen blev der gennemført meteorologiske målinger med Sonic. Disse er anvendt til at sammenligne meteorologiske modelberegninger med WRF og Sonic målinger for timeværdier for de to vigtige parametre vindhastighed (som Ustar, u*) og vindretning. Ustar er en spredningsmodelparameter, som bruges til at beskrive den vindskabte turbulens, og den er bl.a. tilnærmelsesvis proportional med vindhastigheden, dvs. jo højere vindhastighed jo højere Ustar. Analysen viste god overensstemmelse mellem WRF og målinger for disse to vigtige parametre.

Det videre arbejde

Der er fortsat behov for at videreudvikle OML-Highway, da modellen stadigvæk overestimerer koncentrationer især længere væk fra motorvejen. DCE har i april 2017 bevilget midler til et projekt, som skal adressere dette problem. Projektet forventes afsluttes ultimo 2017.