ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM)

Hoe komen de ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM) kaarten tot stand?

De RIO-IFDM-OSPM kaarten tonen het resultaat van een koppeling van drie modellen:

- de interpolatie van luchtkwaliteitsmetingen (RIO-interpolatiemodel)

- de berekening van de luchtkwaliteit op basis van meteorologische gegevens en de uitstoot van luchtverontreinigende stoffen (bi-Gaussiaans dispersiemodel IFDM).

- de berekening van de impact van street canyon effecten (OSPM model)

Op deze pagina bespreken we de drie modellen en gaan we dieper in op de voor- en nadelen van de combinatie RIO-IFDM-OSPM.

Om binnen een 4x4km² gridcel toch over meer gedetailleerde informatie van de luchtkwaliteit te beschikken, wordt de RIO interpolatietechniek gecombineerd met het IFDM model.

IFDM-model: berekening luchtverontreiniging

IFDM berekent de impact van de emissies (uitstoot van vervuilende stoffen naar de lucht) van punt- en lijnbronnen op de luchtkwaliteit in de onmiddellijke omgeving van die punt- of lijnbronnen. Een puntbron is bijvoorbeeld een fabrieksschouw. Een lijnbron is het verkeer op een weg of een deel van een weg.

De exacte locatie van de belangrijkste industriële bronnen en de hoeveelheid uitgestoten luchtvervuiling is gekend. Via verkeerstellingen en de gemiddelde samenstelling van het wagenpark kan ook een goede inschatting gemaakt worden van de uitstoot van het wegverkeer per weg(segment). Deze uitstoot per weg(segment) is gekend voor de belangrijkste stedelijke- en gewestwegen en de snel- en ringwegen.

In de huidige versie van IFDM worden wegverkeer, scheepvaart en industriële bronnen gemodelleerd. Andere bronnen van luchtvervuiling zoals landbouw en huishoudens worden niet apart gemodelleerd, maar zitten in de RIO 4x4 km² achtergrond. In tegenstelling tot punt- of lijnbronnen zijn de emissies van de landbouw en de huishoudens immers veel meer gespreid over grotere gebieden.

Om te vermijden dat de verkeers- en industriële bronnen dubbel berekend worden, wordt een dubbeltellingscorrectie toegepast. In de RIO 4x4 km² resultaten, die het resultaat zijn van geïnterpoleerde metingen, zitten immers de bijdragen van alle bronnen.

Het IFDM model maakt geen gebruik van metingen zoals de RIO interpolatiemethode, maar berekent de concentraties van luchtvervuilende stoffen op basis van emissiedata en meteorologische gegevens zoals windsnelheid, windrichting en de temperatuur. Deze meteorologische gegevens bepalen immers de mate waarin en naar waar de vervuiling wordt verspreid. Voor sommige stoffen zoals stikstofdioxide (NO2) of ozon (O3) spelen ook chemische reacties in de atmosfeer een rol. De snelheid van die chemische reacties wordt o.a. bepaald door de temperatuur.

IFDM berekeningen gebeuren voor meer dan 1 300 000 punten voor gans België met de grootste densiteit van punten langs wegen en in de buurt van industriële bronnen. Langs de belangrijkste wegen worden de concentraties op een afstand van 15, 75, 120, 250, 500, 1000, 2000, 3000 en 5000 meter berekend. Via een verdere bewerking (interpolatie) wordt dan een meer gedetailleerde concentratiekaart bekomen.

IFDM-grid voor de omgeving van Leuven.

Combinatie RIO-IFDM voor de omgeving van Leuven.

OSPM: impact van "street canyons"

Het IFDM dispersiemodel is een 'open street' model en houdt geen rekening met obstakels (bomen, geluidsschermen, gesloten huizenrijen...) langs de wegen waar de impact van het verkeer wordt berekend. Dit betekent dat RIO-IFDM in smalle straten met veel verkeer in de grote binnensteden (zogenaamde street canyons) de concentraties zal onderschatten. De natuurlijke ventilatie in deze straten is beperkt waardoor de luchtvervuiling zich tussen de bebouwing minder goed kan verspreiden. Om ook hiermee rekening te houden wordt de RIO-IFDM keten verder uitgebreid met een derde model: het OSPM model. Dit model gebruikt zeer gedetailleerde informatie over de gebouwenconfiguratie in de straat. Deze informatie is voor gans Vlaanderen in kaart gebracht. Voor alle straten die als street canyon worden beschouwd wordt dan ook een OSPM berekening uitgevoerd. Hierdoor wordt ook rekening gehouden met de slechtere verdunning van de luchtvervuiling in deze straten.

Combinatie RIO-IFDM-OSPM voor de omgeving van Leuven.

Betrouwbaarheid combinatie RIO-IFDM-OSPM?

De RIO-IFDM-OSPM, of zogenoemde ATMO-Streetmodelketen is momenteel de best beschikbare (reken)tool voor het inschatten van de luchtkwaliteit tot op straatniveau. Om een idee te krijgen van de betrouwbaarheid van een model worden modelresultaten vergeleken met metingen.

Het detailniveau van de invoergegevens zijn in de drie gewesten verschillend. Het resultaat van een validatieoefening met de metingen in één gewest geeft dan ook weinig informatie over de betrouwbaarheid van de modelresultaten in een andere regio.

De modelresultaten voor Vlaanderen werden op grote ruimtelijke schaal gevalideerd dankzij het citizen science project CurieuzeNeuzen. Tijdens het Curieuzeneuzenproject  in mei 2018 werd op bijna  20.000 plaatsen in Vlaanderen de stikstofdioxide (NO2) concentratie gemeten met speciale meetbuisjes (passieve meetmethode). De meetresultaten van Curiezeneuzen werden vergeleken met de gemodelleerde ATMO-Street concentraties. Uit deze validatieoefening werd een determinatiecoëfficiënt (R²) van 0,58 bepaald. Dit betekent dat het ATMO-Streetmodel 58% van de variatie aan NO2 concentraties gemeten tijdens CurieuzeNeuzen kan verklaren. De gemiddelde afwijking tussen de meet- en modelresultaten was -1,93 µg/m³, of gemiddeld een lichte onderschatting van de gemeten concentraties. Het model voldoet ook aan de Model Quality Objectives zoals door de Europese Commissie (via FAIRMODE) wordt opgelegd. Meer informatie over de validatie van ATMO-Street met de CurieuzeNeuzen meetresultaten is te vinden in het volgende validatierapport: https://pub.vito.be/openaccess/2022 Hooyberghs et al Validation ATMO-Street.pdf 

In Wallonië werden de resultaten van drie meetcampagnes op 50 meetplaatsen in Luik, Namen en Eupen in september 2019 gebruikt voor een eerste validatie van het model. Deze meetcampagne gebeurde met hetzelfde type meetbuisjes (passieve metingen) als tijdens het Curieuzeneuzen project in Vlaanderen. De metingen werden vergeleken met de modelresultaten. De determinatiecoëfficient (R²) was 0,61. Het model onderschatte globaal de concentraties met 2,54 µg/m³. Het is belangrijk te vermelden dat de concentraties die werden berekend op de boulevards en aan de oevers van de Maas in Luik gevoelig overschat werden omwille van artefacten in het gebruikte wegennetwerk.

Voor het Brussels Hoofdstedelijk Gewest kon tot op heden geen onafhankelijke meetcampagne worden gebruikt om het model te valideren.

Uit verschillende validatie-oefeningen blijkt dat de met het ATMO-Streetmodel verkregen validatieparameters beter zijn dan die van het open-street RIO-IFDM-model.

Validatieoefeningen worden regelmatig uitgevoerd en kunnen hier worden geraadpleegd.

Het ATMO-Streetmodel wordt ook voortdurend verbeterd en verfijnd op basis van nieuwe wetenschappelijke inzichten.

Voordelen ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM)

Het grote voordeel van de RIO-IFDM-OSPM combinatie is dat de luchtkwaliteit met een hoge ruimtelijke resolutie, tot op straatniveau, kan ingeschat worden. Hierdoor kan de bevolking beter geïnformeerd worden over de luchtkwaliteit en kan de blootstelling van de bevolking en de impact op de gezondheid op een gedetailleerder en correcter niveau gebeuren. Dit soort berekeningen zijn niet onbelangrijk aangezien één van de doelstellingen van het Europese luchtkwaliteitsbeleid een vermindering is van ongeveer 50% gezondheidsimpact tegen 2030 (New Air Quality Package, A Clean Air Programme for Europe, zie: https://ec.europa.eu/environment/air/clean_air_policy.htm).

Ook knelpuntgebieden (=gebieden waar bijvoorbeeld de EU grenswaarden worden overschreden) kunnen beter in kaart gebracht worden. Dit laat beleidsmakers toe om meer gerichte maatregelen te nemen om de luchtkwaliteit verder te verbeteren.

Beperkingen ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM)

De met ATMO-Street berekende luchtkwaliteit op een bepaalde plaats is een zo goed mogelijke benadering van de werkelijkheid maar is, zoals alle modelberekeningen, onderhevig aan onzekerheden. De berekende concentratie kan op elke locatie dus hoger of lager zijn dan de (weliswaar niet gekende) werkelijke concentratie. Dit is eigen aan luchtkwaliteitsmodellen. De onzekerheid van modelberekeningen is doorgaans groter dan de onzekerheid van metingen.

De RIO-IFDM-OSPM modelcombinatie heeft ook een aantal beperkingen:

- In het ATMO-Streetmodel worden de emissies van het meest recent beschikbare jaar gebruikt. Zowel voor industriële puntbronnen als verkeersbronnen zijn dit over het algemeen gegevens voor het jaar X-1, wanneer gemodelleerd wordt voor jaar X. De emissies lopen met andere woorden een jaar achter.

- De verkeersemissies worden berekend op basis van de verkeersvolumes en de gereden snelheden per wegsegment en de gemiddelde samenstelling van het wagenpark (per gewest en voor de Antwerpse LEZ zone). Verkeersdata voor het hoofdwegennet (snelwegen en belangrijke gewestwegen) zijn gedetailleerd beschikbaar via systematische verkeerstellingen. Informatie over verkeersvolumes op het onderliggende wegennet (in de binnensteden, op kleinere wegen en/of wegen met zeer weinig verkeer) is echter zeer beperkt of nog niet bruikbaar. Op dit moment worden de verkeersvolumes voor het onderliggende wegennet in Vlaanderen en Brussel berekend met een propagatiemodel. Voor Wallonië wordt gebruik gemaakt van GPS-data.

- De impact van straten met heel weinig verkeer worden niet doorgerekend.

- Met tijdelijke verkeerssituaties (omleidingen, files,...) wordt geen rekening gehouden. Met nieuwe verkeerssituaties (circulatieplannen, nieuwe wegen, ...) kan slechts rekening gehouden worden van zodra ze in het verkeersnetwerk opgenomen zijn. Het effect van een nieuwe verkeerssituatie (die leidt tot meer of minder verkeer) op de berekende concentraties zal dus niet onmiddellijk zichtbaar zijn op de ATMO-Street kaarten.

- Voor Wallonië wordt een meer gedetailleerde wegenkaart gebruikt. Dit zorgt voor artefacten in boulevards en op de wegen aan de oevers van de Maas. Uit validatieoefeningen (vergelijkingen tussen metingen en modelresultaten) blijkt dat de concentraties op die plaatsen worden overschat.

- De fijnstofconcentraties in street canyons worden nog onderschat door de modelketen omdat het herhaaldelijk opwaaien van stof door het verkeer niet in rekening wordt gebracht.

- In Vlaanderen worden industriële diffuse bronnen van fijn stof gemodelleerd. Dit zijn voornamelijk emissies van op-en overslagbedrijven in de Antwerpse en Gentse haven. De onzekerheid op deze emissies is groot.

- De impact van hele lokale (zoals een houtkachel) of accidentele bronnen (zoals een woningbrand) op de lokale luchtkwaliteit kan met het ATMO-Streetmodel niet ingeschat worden.

Meer gespecialiseerde informatie vind je terug in volgende rapporten en wetenschappelijke artikels :

• - Janssen et al., 2008, “Spatial interpolation of air pollution measurements using CORINE land cover data”, Atmospheric Environment 42 (20) 4884–4903

• - Lefebvre et al.,2013 ”Presentation and evaluation of an integrated model chain to respond to traffic- and health-related policy questions”, Environmental Modelling & Software 40 160- 170

• - Lefebvre W., Vranckx S.,2013 “Validation of the IFDM model for use in urban applications”