Karten von Jahreswerten der Luftbelastung in der Schweiz - Datengrundlagen, Berechnungsverfahren und Resultate bis zum Jahr 2020
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Karten von Jahreswerten der Luftbelastung in der Schweiz Datengrundlagen, Berechnungsverfahren und Resultate bis zum Jahr 2020
Impressum Auftraggeber Bundesamt für Umwelt BAFU Kontaktperson Abteilung Luftreinhaltung und Chemikalien Adresse 3003 Bern Datum 23.06.2021 Aktuelle Version Schlussbericht Ältere Versionen - Projektnummer 18_0186 Datei luftbelastung_karten_jahreswerte19_schweiz.docx Erstellt durch Thomas Künzle Kontrolliert durch 22.06.2021 | Simon Albrecht-Widler Genehmigt durch 23.06.2021 | Thomas Künzle Gewährleistung Meteotest gewährleistet ihren Kunden eine sorgfältige und fach- gerechte Auftragsbearbeitung. Jegliche Haftung, insbesondere auch für Folgeschäden, wird im Rahmen des gesetzlich Zulässi- gen wegbedungen. 2
Inhalt 1 Ausgangslage .............................................................................................6 2 Datengrundlagen ........................................................................................6 3 Entwicklung der Luftbelastung ..................................................................7 3.1 Feinstaub (PM10) ................................................................................7 3.2 Stickstoffdioxid (NO2) ...........................................................................8 3.3 Schwefeldioxid (SO2) ...........................................................................9 3.4 Ozon (Maximales monatliches 98er Perzentil) ...................................10 4 Methodik zur Kartierung der Schadstoffwerte ........................................11 4.1 Feinstaub (PM10) und Stickstoffdioxid (NO2) .....................................11 4.2 Schwefeldioxid (SO2) .........................................................................12 4.3 Ozon (Maximales monatliches 98er Perzentil) ...................................12 4.4 Ozon-Exposition für Wald (AOT40f) ...................................................13 4.5 Zusammenfassung der verwendeten Interpolationsparameter ...........14 5 Resultate....................................................................................................15 5.1 Karten ................................................................................................15 5.2 Bevölkerungsexposition .....................................................................18 6 Weitere Karten von Jahreswerten der Luftbelastung .............................19 6.1 Ammoniak ..........................................................................................19 6.2 Stickstoff-Deposition ..........................................................................20 6.3 Überschreitungen der Critical Loads für Stickstoff ..............................21 7 Literatur .....................................................................................................22 A Anhang ......................................................................................................24 A.1 Karten der verwendeten Stationen .....................................................24 A.2 Stationsliste .......................................................................................27 A.3 Regressionskoeffizienten MP98 .........................................................32 3
Tabellen Tabelle 1: Zusammenfassung der verwendeten Interpolationsparameter pro Schadstoff. ..................................................................................14 Tabelle 2: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wurden. Spalte "Zone" nur relevant für PM10 und NO2 (Nordschweiz, Höhenstationen über 1000 m ü. M. oder Südschweiz). Grau markiert und kursiv dargestellt: im Jahr 2020 nicht in Betrieb. Orange markiert: Stationen mit ergänzten Werten ....................................................................................................27 Tabelle 3: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wurden (Fortsetzung). .................................................................28 Tabelle 4: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wurden (Fortsetzung). .................................................................29 Tabelle 5: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wurden (Fortsetzung). .................................................................30 Tabelle 6: Anzahl verwendete Jahreswerte pro Jahr und Schadstoff. ..........31 Tabelle 7: Regressionskoeffizienten für MP98-Karten. .................................32 4
Abbildungen Abbildung 1: Feinstaub (PM10), Jahresmittelwerte 1991–2020 für Stationen vom Typ städtisch resp. verkehrsreich (oben) sowie Stationen ländlich resp. Hochgebirge (unten). Die Werte vor 1997 wurden aus den TSP-Messungen umgerechnet (BAFU, 2021). .................7 Abbildung 2: Stickstoffdioxid (NO2), Jahresmittelwerte 1981–2020 für Stationen vom Typ städtisch resp. verkehrsreich (oben) sowie Stationen ländlich resp. Hochgebirge (unten). (BAFU, 2021).........................8 Abbildung 3: Schwefeldioxid (SO2), Jahresmittelwerte 1981–2020 (BAFU, 2021). ............................................................................................9 Abbildung 4: Entwicklung der 98%-Ozonwerte (jeweils höchster Monatswert pro Jahr) 1990–2020 (BAFU, 2021) für Stationen vom Typ städtisch resp. verkehrsreich (oben) sowie Stationen ländlich resp. Hochgebirge (unten). ...................................................................10 Abbildung 5: Karte Feinstaub (PM10): Jahresmittel für das Jahr 2020. ............15 Abbildung 6: Karte Stickstoffdioxid (NO2): Jahresmittel für das Jahr 2020. .......16 Abbildung 7: Karte Schwefeldioxid (SO2): Jahresmittel für das Jahr 2020. .......16 Abbildung 8: Karte Jahreswerte Ozon: Maximales monatliches 98er Perzentil für das Jahr 2020. .............................................................................17 Abbildung 9: Karte Ozon-Exposition für Wald (AOT40f) für das Jahr 2020. ......17 Abbildung 10: Bevölkerungsgewichtete Mittelwerte von PM10, NO2 und SO2 der Jahre 1980 bis 2020. ...................................................................18 Abbildung 11: Karte Ammoniak: Jahresmittel für das Jahr 2015.........................19 Abbildung 12: Karte Stickstoff-Deposition, Belastungskarte des Jahres 2015. ...20 Abbildung 13: Karte Übermässige Stickstoff-Deposition für das Jahr 2015. .......21 Abbildung 14: Verwendete Messstationen für die Berechnung der PM10-Karten. ....................................................................................................24 Abbildung 15: Verwendete Messstationen für die Berechnung der NO2-Karten..25 Abbildung 16: Verwendete Messstationen für die Berechnung der SO2-Karten. .25 Abbildung 17: Verwendete Messstationen für die Berechnung der MP98-Karten. ....................................................................................................26 Abbildung 18: Verwendete Messstationen zur Berechnung der AOT40f-Karten. 26 5
1 Ausgangslage Meteotest hat im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) Karten der Jahreswerte in der Schweiz für die Schadstoffe PM10, NO2 und Ozon (AOT40f, MP98) für die Jahre ab 1990 (für PM10 ab 1998) sowie für SO2 ab 1980 erstellt1. Dieser Bericht dokumentiert den aktuellen Stand der Berechnung für diese Kartenserien. Die Konzentrationskarte für Ammoniak (NH3), die Stickstoff- Depositionskarte und die Überschreitung der Critical Loads für Stickstoff (übermässige Stickstoff-Deposition) wurden im Jahre 2018 aktualisiert. Sie liegen für die Jahre 1990, 2000, 2005, 2010 und 2015 vor. 2 Datengrundlagen Folgende Datengrundlagen standen zur Verfügung: Die gemessenen Jahreswerte von Luftschadstoffen in der Schweiz aus den Messnetzen von Städten, Kantonen und des Bundes wurden aus der Da- tenbank des BAFU bezogen2. Für die PM10- und NO2-Karten wurden fehlen- de Messwerte in der Zeitreihe nur von Höhenstationen (siehe Kapitel 3) und einigen Wechselstationen ergänzt. Die SO2-Karten werden mit ergänzten Zeitreihen modelliert. Digitales Höhenmodell (Datensatz in Hektarauflösung, BfS GEOSTAT). Ergebnisse der Modellierung für PM10 (FOEN, 2013; INFRAS/Meteotest, 2020), NO2 (FOEN, 2011; INFRAS/Meteotest, 2020) und SO2 (INFRAS/ Me- teotest, 2013). Diese Karten werden in diesem Bericht als "Basiskarten" be- zeichnet. Temperaturkarten (Monatsmittel), welche basierend auf Messungen der Me- teoSchweiz (SwissMetNet) mit einer inversen Distanz-Methode interpoliert wurden. Die Details zur Methode sind im Bericht Remund et al. (2011) be- schrieben. 1 https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/luft/zustand/daten/luftbelastung--historische- daten/karten-jahreswerte.html [29.04.2021] 2 https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/luft/zustand/daten/luftbelastung--historische- daten/datenabfrage-der-jahreswerte-von-luftschadstoffen-in-der-schweiz.html [29.04.2021] Da die Aktualisierung dieser Datenbank jeweils erst gegen Sommer realisiert ist, wurden die Messdaten des Jahres 2020 durch das BAFU bereits Mitte April 2021 zugestellt, damit die Kar- ten rechtzeitig in den Jahresbericht des NABEL (Luftqualität 2021) integriert werden können. 6
3 Entwicklung der Luftbelastung 3.1 Feinstaub (PM10) Die PM10-Belastung ist seit 1991 generell zurückgegangen. In den Jahren 2003 und 2006 führten häufige Inversionen auf der Alpennordseite zu erhöhten PM10- Belastungen (Abbildung 1). Für weitere Erläuterungen zur zeitlichen Entwicklung von PM10 wird auf den Jahresbericht des NABEL3 verwiesen. Abbildung 1: Feinstaub (PM10), Jahresmittelwerte 1991–2020 für Stationen vom Typ städtisch resp. verkehrsreich (oben) sowie Stationen ländlich resp. Hochgebirge (unten). Die Werte vor 1997 wurden aus den TSP-Messungen umgerechnet (BAFU, 2021). 3 https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/luft/zustand/daten/luftbelastung--historische- daten/jahres--und-monatsberichte-nabel.html [29.04.2021] 7
3.2 Stickstoffdioxid (NO2) An allen Standorten hat die Konzentration von Stickstoffdioxid in den letzten Jahrzehnten abgenommen. Nur an verkehrsexponierten Messstandorten wurde der Jahresmittelgrenzwert im Jahr 2019 noch überschritten. Im Jahr 2020 wurde an allen anderen NABEL-Standorten der Jahresgrenzwert (z.T. auch Corona- bedingt) eingehalten (Abbildung 2). Für weitere Erläuterungen zur zeitlichen Ent- wicklung von NO2 wird auf die Jahresberichte des NABEL verwiesen. Abbildung 2: Stickstoffdioxid (NO2), Jahresmittelwerte 1981–2020 für Stationen vom Typ städtisch resp. verkehrsreich (oben) sowie Stationen ländlich resp. Hochgebirge (unten). (BAFU, 2021). 8
3.3 Schwefeldioxid (SO2) Die Belastung der Luft durch Schwefeldioxid hat seit 1985 deutlich abgenommen. Von 2000 bis 2015 wurden weitere Abnahmen festgestellt und seitdem verharren die Jahresmittelwerte auf sehr geringem Niveau, deutlich unter dem Grenzwert gemäss Luftreinhalte-Verordnung. Für weitere Erläuterungen zur zeitlichen Ent- wicklung von SO2 wird auf den Jahresbericht des NABEL verwiesen. Abbildung 3: Schwefeldioxid (SO2), Jahresmittelwerte 1981–2020 (BAFU, 2021). 9
3.4 Ozon (Maximales monatliches 98er Perzentil) Die Entwicklung der maximalen monatlichen 98er Perzentilwerte ist in Abbildung 4 dargestellt. Es ist kein deutlicher Trend erkennbar. Die Werte liegen seit 1997 durchwegs über dem Grenzwert gemäss Luftreinhalteverordnung (LRV, 1985), welcher wie folgt definiert ist: 98% der ½-h Mittelwerte eines Monats ≤ 100 µg/m3. Für weitere Erläuterungen zur zeitlichen Entwicklung von Ozon wird auf den Jah- resbericht des NABEL (BAFU, 2021) verwiesen. Abbildung 4: Entwicklung der 98%-Ozonwerte (jeweils höchster Monatswert pro Jahr) 1990–2020 (BAFU, 2021) für Stationen vom Typ städtisch resp. verkehrsreich (oben) sowie Stationen ländlich resp. Hochge- birge (unten). 10
4 Methodik zur Kartierung der Schadstoffwerte 4.1 Feinstaub (PM10) und Stickstoffdioxid (NO2) Die Jahresmittelwerte wurden vom BAFU bezogen. Gewisse Stationen wurden für das Berechnungsverfahren nicht berücksichtigt, weil sie aus methodischen Gründen nicht geeignet waren (z.B. Extremstandorte sehr nahe an Strassen oder andere Standorte, welche für 200 m Rasterzellen nicht repräsentativ waren und somit die Ergebnisse verschlechtert hätten). Im Anhang A.1 und A.2 sind die für die Kartenherstellung verwendeten Stationen aufgeführt. Als Basiskarten standen modellierte PM10-Karten (FOEN, 2013) und NO2-Karten (FOEN, 2011) zur Verfügung. Diese Basiskarten wurden bis zu den Karten der Jahreswerte 2019 verwendet. Nach Vorliegen der aktualisierten PolluMap- Modellkarten (INFRAS/Meteotest, 2020) wurden die Karten der Jahreswerte 2020 mit den Basiskarten 2015 berechnet (die 20 m Raster wurden auf 200 m gemittelt). Die Berechnung der Karten der Jahreswerte beruht auf einem Interpolationsver- fahren (inverse-distance-weighting, IDW), in dem die Basiskarten an die im be- treffenden Jahr gemessenen PM10-Werte angepasst wurden. Das Gebiet der Schweiz wurde dazu in verschiedene Zonen unterteilt: Nordschweiz inkl. Wallis unterhalb 1'000 m ü. M. Südschweiz (Tessin und Misox) unterhalb 1'000 m ü. M. Gebiet über 1'000 m ü. M. in der gesamten Schweiz Die Messwerte an den berücksichtigten Stationen wurden nicht direkt räumlich interpoliert, sondern es wurde für jede Station ein Quotient aus dem Messwert und dem Wert aus der Basiskarte gebildet. Für die Jahre vor 2008 wurde die Ba- siskarte des Jahres 2005 verwendet, für nachfolgende Jahre diejenige des Jah- res 2010. Diese Quotienten wurden räumlich interpoliert und anschliessend für jede Ras- terzelle wieder mit dem Wert aus der Basiskarte multipliziert. Die Interpolation wurde mit einer Distanzgewichtung von 1/d0.5 jeweils für die gesamte Schweiz durchgeführt (d = dreidimensionaler Abstand zur Messstation), bei NO2 und PM10 wurden nur die 20 nächstgelegenen Stationen berücksichtigt. Es wurde eine Höhengewichtung von 100 (500 für Gebiet oberhalb 1'000 m ü. M.) ange- wendet. Die Höhengewichtung beschreibt, wie Höhendifferenzen zwischen der Station und der betrachteten Zelle im Verhältnis zur horizontalen Distanz bei der Berechnung von d gewichtet werden. Die drei Zwischenresultate (je eine Karte pro Zone) wurden anschliessend zu den definitiven Karten der Jahreswerte zusammengefügt, indem zwischen 500 und 1'000 m ein linearer Übergang von den beiden Karten für die Nord- und 11
Südschweiz unterhalb 1'000 m in die Karte der Gesamtschweiz über 1'000 m gerechnet wurde. Die Karten wurden auf einem 200-m-Raster berechnet. 4.2 Schwefeldioxid (SO2) Die Berechnung der Karten der Jahreswerte beruht auf einem ähnlichen Interpo- lationsverfahren, wie es für Feinstaub und Stickstoffdioxid beschrieben ist (vgl. Kapitel 4.1). Die Quotienten (Messung / Basiskarte) wurden bei SO2 räumlich interpoliert (wobei keine Unterscheidung in verschiedene Zonen und Höhen- schichten erfolgten) und anschliessend für jede Rasterzelle wieder mit dem Wert aus der modellierten Karte multipliziert. Die Interpolation wurde mit einer Dis- tanzgewichtung von 1/d durchgeführt (d = Abstand zur Messstation), wobei je- weils die zehn nächstgelegenen Stationen im Umkreis von 75 km berücksichtigt wurden. Als Basiskarten standen modellierte Karten der Jahre 1980, 1990, 2000 und 2010 (INFRAS/Meteotest, 2013) zur Verfügung. Im Gegensatz zum Verfahren beim PM10 und NO2 wurde für die Zwischenjahre jeweils eine Karte aus der da- vor und danach liegenden Basiskarte interpoliert. Für die Jahre ab 2011 wurde die Modellkarte von 2010 unverändert übernommen, da bis dato keine Modellkar- te nach 2010 zur Verfügung steht. Zudem liegen die Messwerte fast ausschliess- lich unterhalb 5 µg/m3. Die Karten wurden auf einem 200-m-Raster berechnet. Im Anhang A.1 und A.2 sind die verwendeten Stationen für die Kartenherstellung aufgelistet. 4.3 Ozon (Maximales monatliches 98er Perzentil) Die aufbereiteten Messwerte (MP98) wurden mit einem geo-statistischen Ansatz im geografischen Informationssystem auf einem Raster vom 200 m räumlich in- terpoliert: Zuerst wurden statistische Beziehungen zwischen den gemessenen Ozonbe- lastungs-Indizes und flächendeckend vorhandenen Informationen, wie etwa Temperatur, Globalstrahlung, Höhe etc. gesucht. Diese erklärenden Parame- ter sollten für die gesamte Zeitreihe angewendet werden können. Die besten Ergebnisse wurden mit der mittleren Temperatur der Sommermo- nate Juni bis August erzielt. Mit diesem erklärenden Parameter wurde für jedes Jahr eine Regressions- gleichung berechnet, welche die Beziehung zwischen flächendeckendem Pa- rameter und den Werten an den Messpunkten beschreibt. 12
Die Berechnung der Ozonkarten wurde ausschliesslich mit Hintergrundstatio- nen durchgeführt. Anschliessend wurden die punktförmigen Messungen auf Rasterbasis in die Fläche ausgedehnt, indem für jede Rasterzelle mit den für jedes Jahr ermittel- ten Regressionsgleichungen die Ozon-Indizes gerechnet wurden. Dieser Ras- terdatensatz wird Regressionsfläche genannt. An den Messstationen wurde der gemessene Wert mit dem berechneten ver- glichen und die Abweichung (Residuum) berechnet. Diese punktbezogenen Residuen wurden mit der Methode des inverse-distance-weighting (IDW) flä- chendeckend interpoliert. Der Einfluss einer Messstation nimmt dabei mit dem Verhältnis von 1/d0.5 ab (d = Distanz zur Messstation). Anschliessend wurden auf jeder Rasterzelle der Wert aus der Regressions- gleichung und der Wert des interpolierten Residuums addiert. Durch diese Residuenkorrektur "laufen" die Ozonkarten an den Messstationen recht ge- nau durch die Messwerte (Künzle & Rihm 1997, CCE 1997, S. 139). Residu- en, die mehr als ±80% des Messwerts betrugen, wurden in der Interpolation nicht berücksichtigt, um starke Ausreisser zu eliminieren. An den entspre- chenden Stationen verbleiben deshalb Abweichungen zwischen Messwert und Modell. Der Anteil der erklärbaren Varianz (R2) ist zum Teil deutlich kleiner als 50% (sie- he Tabelle 7 im Anhang). Dank der Residuenkorrektur geben die Modellkarten in der Nähe der Messstationen das an den Stationen gemessene Belastungsniveau gut wieder. Abseits der Messstationen sind die Unsicherheiten grösser. Tabelle 7 des Anhangs zeigt die Regressionskoeffizienten für die lineare Glei- chung zur Modellierung der MP98-Karten. Die Karten wurden auf einem 200-m-Raster berechnet. 4.4 Ozon-Exposition für Wald (AOT40f) Der AOT40f-Wert beschreibt die kumulierte Ozonbelastung oberhalb des Grenz- wertes von 40 ppb (Accumulated Ozone Exposure over a Threshold of 40 ppb). Die Berechnung der AOT40f-Karten für Wald beruht auf einem ähnlichen Interpo- lationsverfahren, wie es für Feinstaub und Stickstoffdioxid beschrieben ist (vgl. Kapitel 4.1). Es wurden jedoch nicht mehrere Höhenschichten modelliert. Die Distanzfunktion wurde auf 1/d festgelegt. Als Grundlage für die Basiskarte wurde die AOT40f-Karte des Jahres 2006 mit einer horizontalen Auflösung von 0.083 x 0.0417 Grad des Paul Scherrer Instituts (PSI) verwendet (Aksoyoglu et al., 2014). Meteotest hat verschiedene Methoden getestet, um daraus eine Basiskarte von 200 x 200 m Auflösung zu generieren. Zum Einsatz kam schlussendlich die Methodik des inverse-distance-weighting mit 13
einer Distanzgewichtung von 1/d, unter Berücksichtigung der 16 nächsten Stütz- punkte der PSI-Karte. Zudem wurde jede Rasterzelle über ein Gebiet von 3 x 3 km gemittelt. Es wurden ausschliesslich Hintergrundstationen verwendet. Die AOT40f-Karten wurden auf einem Raster von 200 x 200 m berechnet. 4.5 Zusammenfassung der verwendeten Interpolationsparameter Tabelle 1: Zusammenfassung der verwendeten Interpolationsparameter pro Schadstoff. Schadstoff Methode Distanz-, Basiskarte Höhen- gewichtung PM10 IDW in 3 Schichten 1/d0.5, 100/500 INFRAS/Meteotest, 2020 FOEN, 2013 NO2 IDW in 3 Schichten 1/d0.5, 100/500 INFRAS/Meteotest, 2020 FOEN, 2011 SO2 IDW 1/d, keine INFRAS/Meteotest, 2013 MP98 Regressionsanalyse mit 1/d0.5, keine - Temperaturmittel Juni– August und IDW AOT40f IDW 1/d, 100 Aksoyoglu et al., 2014 14
5 Resultate 5.1 Karten Die folgenden Abbildungen zeigen für jeden Schadstoff ein Beispiel. Die voll- ständigen Zeitreihen können auf der Webseite des BAFU4 abgerufen werden: Abbildung 5: Karte Feinstaub (PM10): Jahresmittel für das Jahr 2020. 4 https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/luft/zustand/daten/luftbelastung--historische- daten/karten-jahreswerte.html [26.04.2021] 15
Abbildung 6: Karte Stickstoffdioxid (NO2): Jahresmittel für das Jahr 2020. Abbildung 7: Karte Schwefeldioxid (SO2): Jahresmittel für das Jahr 2020. 16
Abbildung 8: Karte Jahreswerte Ozon: Maximales monatliches 98er Perzentil für das Jahr 2020. Abbildung 9: Karte Ozon-Exposition für Wald (AOT40f) für das Jahr 2020. 17
5.2 Bevölkerungsexposition Der bevölkerungsgewichtete Mittelwert der PM10-Konzentration, definiert als ∑ =1 ∙ < >= ∑ , i läuft über alle Hektaren der Schweiz5 =1 bevölkerungsgewichteter Mittelwert der PM10-Konzentration ci PM10-Konzentration in der Hektare i Ei Anzahl Einwohner in der Hektare i gibt an, welcher durchschnittlichen PM10-Konzentration die Schweizer Be- völkerung ausgesetzt ist. Dieser Wert spielt in der Sozial- und Präventivmedizin eine wichtige Rolle. Die bevölkerungsgewichteten Mittelwerte von NO2 und SO2 wurden für alle Jahre analog berechnet. 35 Feinstaub PM10 30 Stickstoffdioxid Schwefeldioxid 25 20 µg/m3 15 10 5 0 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 Abbildung 10: Bevölkerungsgewichtete Mittelwerte von PM10, NO2 und SO2 der Jahre 1980 bis 2020. 5 Anzahl Einwohner pro Hektare aus der Volkszählung 2010. 18
6 Weitere Karten von Jahreswerten der Luftbelastung Die Karten für Ammoniak (NH3), Stickstoff-Deposition und Überschreitung der Critical Loads für Stickstoff (CLN) wurden in einem separaten Projekt (BAFU 2016, Meteotest 2018) für die Jahre 1990, 2000, 2005, 2010 und 2015 berechnet und sind zwecks Vollständigkeit hier ebenfalls dokumentiert. Es ist geplant, aktualisierte Karten für das Jahr 2020 zu erstellen, diese liegen aktuell noch nicht vor. 6.1 Ammoniak Die zu Grunde liegenden Emissionskataster beruhen auf den landwirtschaftlichen Betriebszählungen des Bundesamtes für Statistik (Nutztierzahlen und geo- codierte Standorte der Landwirtschaftsbetriebe), der Arealstatistik (Bodennut- zung BFS/GEOSTAT) und weiteren Input-Daten (Gemeindegrenzen von swisstopo, Naturschutzinventare BAFU). Die Emissionsfaktoren wurden im Rah- men des Agrammon-Projektes (Kupper et al. 2013, Bonjour & Kupper 2017) be- rechnet. Für das Jahr 2015 wurden zusätzliche Daten zu Sömmerungsbetrieben und Hofdüngerflüssen des Bundesamtes für Landwirtschaft verwendet. Die Ammoniak-Karten wurde mit einer räumlichen Auflösung von 100 x 100 m berechnet (BAFU 2016, Meteotest 2018) und wurde für die Darstellung in der Abbildung 11 auf 500 x 500 m gemittelt. Abbildung 11: Karte Ammoniak: Jahresmittel für das Jahr 2015. 19
6.2 Stickstoff-Deposition Das Berechnungsmodell basiert auf verschiedenen Input-Karten (NO2, NH3, Nie- derschlagsmengen, Topografie) und arbeitet mit relativ einfachen Methoden (Wi- derstandsanalogie-Modell). Die wichtigsten Depositionsprozesse (nass, staubför- mig, gasförmig) wurden separat modelliert und schliesslich zum Gesamteintrag zusammengefügt. Der Vergleich mit verschiedenen Messungen und mit der Ge- samtdeposition Schweiz von EMEP zeigte, dass das Modell in der Lage ist, eine plausible, quantitative Schätzung des Depositionsmusters in der Schweiz zu lie- fern (BAFU, 2016; Meteotest, 2018). Die Depositionskarte wurde mit einer räumlichen Auflösung von 1x1 km berech- net. Abbildung 12: Karte Stickstoff-Deposition, Belastungskarte des Jahres 2015. 20
6.3 Überschreitungen der Critical Loads für Stickstoff Der Critical Load (kritischer Eintragswert) ist definiert als quantitative Schätzung desjenigen Stickstoff-Eintrages, unterhalb welchem nach heutigem Wissen keine schädlichen Auswirkungen auf Funktion und Struktur des Ökosystems auftreten. Die Überschreitung (auf Englisch wird der Ausdruck Exceedance gebraucht) der Critical Loads wird als Differenz von Deposition und Critical Load berechnet. Die Karte ist eine Kombination verschiedener naturnaher Ökosysteme, die emp- findlich auf Stickstoff-Einträge reagieren: Wälder, Hochmoore, Flachmoore, Tro- ckenwiesen und alpine Vegetation. Für jeden Ökosystem-Typ wurden die Critical Loads berechnet und kartiert, die Stickstoff-Einträge modelliert und damit die Überschreitung des Critical Load ermittelt. Die Karte (Abbildung 13) zeigt pro Quadratkilometer die höchste Überschreitung aller dort vorkommenden Ökosys- teme. Die Methodik und weitere Informationen sind in einem Bericht dokumen- tiert (Meteotest, 2018). Die berechneten Stickstoff-Einträge 2015 übersteigen die Critical Loads auf etwa 70% der kartierten empfindlichen Ökosysteme. Dies be- deutet ein Langzeitrisiko für Veränderungen in den betroffenen Ökosystemen, die sich nachteilig auf Stabilität und Biodiversität auswirken. Abbildung 13: Karte Übermässige Stickstoff-Deposition für das Jahr 2015. 21
7 Literatur Aksoyoglu S., Keller J., Ciarelli G., Prévôt A. S. H., Baltensperger U., 2014: A model study on changes of European and Swiss particulate matter, ozone and nitrogen deposition between 1990 and 2020 due to the revised Gothenburg protocol. In: Atmos. Chem. Phys., 14, 13081-13095, 2014. http://www.atmos-chem-phys.net/14/13081/2014/acp-14-13081-2014.html [26.04.2021] BAFU, 2016: Critical Loads of Nitrogen and their Exceedances. Swiss contribu- tion to the effects-oriented work under the Convention on Long-range Trans-boundary Air Pollution (UNECE). Federal Office for the Environ- ment, Bern. Environmental Studies no. 1642. https://www.bafu.admin.ch/bafu/en/home/topics/air/publications- studies/publications/Critical-Loads-of-Nitrogen-and-their- Exceedances.html [26.04.2021] BAFU, 2021: Detaillierte Messergebnisse des NABEL 2020 https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/luft/zustand/daten/luftbe lastung--historische-daten/jahres--und-monatsberichte-nabel.html [11.06.2021] Bonjour C., Kupper T. 2017: Stratified emission factors for 24 animal categories, emission stages and farm classes; results from the Agrammon-project. Pers. comm. Cyrill Bonjour and Thomas Kupper, HAFL Zollikofen, 20.11.2017. FOEN, 2011: NO2 ambient concentrations in Switzerland. Modelling results for 2005, 2010, 2015. Federal Office for the Environment, Bern. Environmen- tal studies no. 1123. INFRAS/Meteotest. https://www.bafu.admin.ch/bafu/en/home/topics/air/publications- studies/publications/no2-ambient-concentrations-in-switzerland.html [26.04.2021] FOEN, 2013: PM10 and PM2.5 ambient concentrations in Switzerland. Modelling results for 2005, 2010, 2020. Federal Office for the Environment, Bern. Environmental studies no. 1301. INFRAS/Meteotest. https://www.bafu.admin.ch/bafu/en/home/topics/air/publications- studies/publications/pm10-and-pm2-5-ambient-concentrations-in- switzerland.html [26.04.2021] INFRAS/Meteotest, 2013: SO2-Immissionen Schweiz. Modellierung 1980 – 2010. Im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt, BAFU. INFRAS/Meteotest, 2020: NO2-, PM10- und PM2.5-Immissionen Schweiz / Liech- tenstein. Aktualisierung des PolluMap-Modells für 2015, 2020 und 2030. Technischer Bericht im Auftrag des BAFU. https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/luft/zustand/daten/luftbe 22
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A Anhang A.1 Karten der verwendeten Stationen Einige Messstationen waren im Jahr 2020 nicht mehr in Betrieb oder hatten keine gültigen Messwerte geliefert, wurden jedoch für die Berechnung von Karten von früheren Jahren verwendet. Diese Stationen sind in Abbildung 14 bis Abbildung 18 grau markiert sowie in Tabelle 2 kursiv dargestellt. Stationen mit ergänzten Werten sind orange dargestellt. Abbildung 14: Verwendete Messstationen für die Berechnung der PM10-Karten. 24
Abbildung 15: Verwendete Messstationen für die Berechnung der NO2-Karten. Abbildung 16: Verwendete Messstationen für die Berechnung der SO2-Karten. 25
Abbildung 17: Verwendete Messstationen für die Berechnung der MP98-Karten. Abbildung 18: Verwendete Messstationen zur Berechnung der AOT40f-Karten. 26
A.2 Stationsliste Tabelle 2: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wur- den. Spalte "Zone" nur relevant für PM10 und NO2 (Nordschweiz, Höhenstationen über 1000 m ü. M. oder Südschweiz). Grau markiert und kursiv dargestellt: im Jahr 2020 nicht in Betrieb. Orange markiert: Stationen mit ergänzten Werten Code Zone Station Höhe ü.M. PM10 NO2 SO2 MP98 AOT40f agAAR- N Aarau 383 x x agAAR N Aarau-Buchenhof 398 x x x x agBAD N Baden-Schönaustrasse 377 x x x x agLAE N Lägeren 689 x x x x agMUR N Muri 470 x x agSCH N Schupfart-Blind 482 x x x x agSDM N Suhr-Distelmatte 405 x x agSLN N Sisseln 305 x x x x x agSUH N Suhr-Bärenmatte 403 x x arHEI N Heiden-Dunanthaus 795 x x x x beBAE N Bärau 765 x beBIE N Biel-Bienne 455 x x x x beBIG N Biel-Göuffi 440 x beBRZ N Bern-Brunngasshalde 533 x beBWD N Bern-Wankdorf 555 x beETZ N Etzelkofen 530 x x beFRU N Frutigen 795 x beINT N Interlaken 585 x x beITT N Ittigen 550 x x x x x beJUN H Jungfraujoch 3580 x x beLAN N Langenthal 490 x x x x beMOR N Bern-Morgartenstrasse 554 x x x x beTHB N Thun-Bälliz 560 x x x beTHP N Thun-Pestalozzi 561 x x x x beWEN H Wengernalp 1890 x x beZIM N Zimmerwald 898 x x beZOL N Zollikofen 562 x x x blAES N Aesch 353 x x x blBAS N Basel-Binningen 316 x x x x x blBIR N Birsfelden 250 x x x blLIE N Liestal-LHA 320 x x blPHW N Pratteln 272 x x x x blSCB N Schönenbuch-IAP 385 x x x x blSIB N Sissach-Bützenen 327 x x x x blSIS N Sissach-West 362 x x bsBSJ N Basel-St-Johann 260 x x x x x frBUL N Bulle-Rue-de-Vevey 770 x x frFPP N Fribourg-Plateau-Pérolles 640 x x x x x frFQB N Fribourg-Quartier-Bourg 585 x frPAP N Fribourg-Parc-Pérolles 630 x x x x 27
Tabelle 3: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wur- den (Fortsetzung). Code Zone Station Höhe ü.M. PM10 NO2 SO2 MP98 AOT40f geANI N Anières-Débarcadère 375 x x x x x geFOR N Thônex-Foron 422 x x x x x geGIL N Genève-Ile 375 x geGQW N Genève-Wilson 376 x geGSC N Genève-Ste-Clotilde 374 x x x x x geJUS N Jussy 506 x x x x geMEY N Meyrin-Vaudagne 439 x x x x x geNEC N Genève-Necker 383 x x x x x gePAS N Avully-Passeiry 427 x x x x x glGLA N Glarus-Feuerwehrstützpunkt 488 x x x x glGLS N Glarus 471 x x x glNIE N Niederurnen 435 x grARO H Arosa 1840 x x grCAB N Chur-A13 565 x x grCAS S Castaneda 770 x x x grCKS N Chur-Kantonsspital 655 x x grCRB N Chur-RhB 595 x x x grDAV H Davos-Seehornwald 1637 x x x x x grDMA N Davos-Matta 1558 x x x x grDPR H Davos-Promenade 1558 x x grMES N Mesocco-A13 790 x grRMU S Roveredo-Municipio 320 x x grROT N Rothenbrunnen-A13 623 x x grRST S Roveredo-Stazione-A13 298 x x grSOG N Soglio 1100 x x grSTM N St-Moritz-Schulhaus 1860 x x grSVI S San-Vittore 280 x x grZIZ N Zizers 527 x x x juDEL N Delémont 410 x x x x juPOR N Porrentruy 420 x x x x juSAI N Saignelégier 990 x x x luBRM N Beromünster 797 x x x x luEBS N Ebikon-Sedel 484 x x x x x luLMS N Luzern-Museggstrasse 460 x x x x luMGG N Meggen 490 x x luREI N Reiden-A2 462 x x luSCH N Schüpfheim 740 x x neBEV N Bevaix 487 x x neCHA H Chaumont 1136 x x x x x neLCF H La-Chaux-de-Fonds 997 x x x neLLA N Le-Landeron 431 x x x x neLLC N Le-Locle 931 x x neNEU N Neuchâtel 461 x x x neNJA N Neuchâtel-Jardin-Anglais 435 x nwSTA N Stans 438 x x x owLUN H Lungern-Schönbüel 1550 x x sgBBP N St-Gallen-Blumenbergplatz 675 x x sgGRA N Grabs-Marktplatz 475 x x sgRAP N Rapperswil-Jona-Tüchelweier 412 x x sgSGR N St-Gallen-Rorschacherstr. 660 x x 28
Tabelle 4: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wur- den (Fortsetzung). Code Zone Station Höhe ü.M. PM10 NO2 SO2 MP98 AOT40f sgSGS N St-Gallen-Stuelegg 920 x x x x shNHA N Neuhausen-Galgenbuck 490 x x x x x shNHS N Neuhausen-Schaffhauserstr. 418 x x soBOS N Biberist-Ost 450 x soBRU H Brunnersberg 1089 x x soBSC N Biberist-Schachen 450 x soBST N Bettlachstock 1250 x x x soDOR N Dornach-Schulhaus-Brühl 310 x x x x soEGE N Egerkingen 435 x x soGRE N Grenchen-Zentrum 460 x x x soHAE N Härkingen-A1 431 x x x soOLT N Olten-Froheim 410 x x x x soSAW N Solothurn-Altwyberhüsli 453 x x x x x soSWH N Solothurn-Werkhofstrasse 441 x x szFEU N Feusisberg 670 x x szRIG H Rigi-Seebodenalp 1031 x x x x x szSYZ N Schwyz 470 x x x x tgARB N Arbon-Bahnhofstrasse 400 x tgARK N Arbon-Krone 398 x tgASH N Arbon-Stadthaus 407 x tgFRA N Frauenfeld-Bahnhofstrasse 403 x x x x x tgKRE N Kreuzlingen 418 x tgMAU N Mauren-Pünt 439 x x x tgOTT N Ottoberg 600 x x tgROG N Roggwil 404 x tgSIR N Sirnach 530 x tgTAE N Tänikon 538 x x x x x tgTGN N Tägerwilen-Nagelshusen 504 x tgWEE N Weerswilen-Weerstein 630 x x x x tgWFB N Weinfelden-Berufsbildungsz. 430 x x x x tiAIR H Airolo 1157 x x x x tiBIO S Bioggio 285 x x x x x tiBOD S Bodio 330 x x x x x tiBRI S Brione-sopra-Minusio 480 x x x x x tiCAM S Camignolo 435 x x tiCHI S Chiasso 240 x x x tiCOM S Comano 446 x x tiGIU S Giubiasco 222 x x x x tiLCS S Lugano-Casa-Serena 290 x x x tiLOC S Locarno 205 x x x tiLUG S Lugano-Università 280 x x x x x tiMAG S Magadino-Cadenazzo 203 x x x x x tiMDO S Mendrisio 350 x x x tiMEN S Mendrisio-A2 317 x x tiMOL S Moleno-A2 255 x x tiPRE S Lugano-Pregassona 305 x x x x tiSAG S Sagno 600 x x tiSCI S Sciss 850 x x urALT N Altdorf 438 x x urERS N Erstfeld-A2 460 x x 29
Tabelle 5: Übersicht der Stationen, welche für die Modellierung verwendet wur- den (Fortsetzung). Code Zone Station Höhe ü.M. PM10 NO2 SO2 MP98 AOT40f urFLU N Flüelen 436 x x vdAIG N Aigle 386 x x x x vdBUS N Bussigny 429 x vdEPA N Epalinges 710 x x x vdLUP N Lausanne-Pierre-de-Plan 620 x vdLPL N Lausanne-Plaines-du-Loup 590 x x x vdMON N Montreux 395 x x x x vdMOR N Morges 376 x x x x vdNYN N Nyon 412 x x x vdNYO N Nyon-Hôpital 412 x x x x vdPAY N Payerne 489 x x x x x vdRUM N Lausanne-Rumine-Montb. 497 x x vdVIL N Villy 404 x x x vdYVE N Yverdon-les-Bains 432 x x x x vsAGE H Les-Agettes 1060 x x x vsBRG N Brigerbad 650 x x x x x vsEGG N Eggerberg 840 x x x x vsEVI N Evionnaz 490 x x x vsGIE H Les-Giettes 1140 x x x x vsMAS N Massongex 400 x x x x x vsMOT N Montana 1420 x x vsSAX N Saxon 460 x x x x vsSIO N Sion-Aéroport-A9 483 x x x vsSVE N Sion 527 x x vsTUR N Turtmann 620 x x x zgINW N Inwil-Baar 435 x x x zgZGB N Zugerberg 990 x x zgZUG N Zug 420 x x zhBAC N Hinwil-Bachtel 1145 x x x zhBID N Birmensdorf 540 x x zhDUE N Dübendorf-EMPA 432 x x x x x zhHED N Hedingen 500 x zhKFA N Zürich-Flughafen-Airside 465 x x zhKFL N Zürich-Flughafen-Landside 465 x x zhKFT N Zürich-Flughafen-TerminalA 465 x zhOPF N Opfikon-Balsberg 430 x x zhOTC N Opfikon-Tennis-Club 430 x x x zhSCG N Schlieren-Güterstrasse 392 x x zhWAL N Wallisellen-Dietlikonerstr. 470 x x x x x zhWLD N Wald-Höhenklinik 910 x x x x zhWOT N Winterthur-Obertor 448 x x x x x zhWVH N Winterthur-Veltheim 440 x x zhZBW N Zürich-Schimmelstrasse 415 x zhZHB N Zürich-Heubeeribüel 610 x x x x zhZSS N Zürich-Stampfenbachstrasse 445 x zhZUE N Zürich-Kaserne 409 x x x x x 30
Tabelle 6: Anzahl verwendete Jahreswerte pro Jahr und Schadstoff. Jahr PM10 NO2 SO2 MP98 AOT40f 1980 61 1981 61 1982 61 1983 61 1984 61 1985 61 1986 61 1987 61 1988 61 1989 61 1990 64 61 36 46 1991 69 61 43 56 1992 79 61 49 67 1993 84 61 53 75 1994 83 61 54 76 1995 88 61 60 81 1996 89 61 60 83 1997 90 61 67 90 1998 21 88 61 67 90 1999 33 90 61 69 91 2000 42 91 61 75 91 2001 51 84 61 76 86 2002 55 89 61 76 87 2003 57 88 61 78 85 2004 62 93 61 82 86 2005 60 93 61 81 85 2006 60 93 61 82 86 2007 69 92 61 79 84 2008 72 91 61 76 80 2009 75 95 61 76 80 2010 81 97 61 76 80 2011 80 94 61 72 76 2012 82 93 61 72 76 2013 84 92 61 72 73 2014 84 90 61 74 74 2015 80 85 61 68 65 2016 81 86 61 68 65 2017 84 87 61 64 67 2018 84 86 61 68 69 2019 79 82 62 56 57 2020 83 82 62 57 56 31
A.3 Regressionskoeffizienten MP98 Tabelle 7: Regressionskoeffizienten für MP98-Karten. Steigung a für Jahr Temperatur in °C Schnittpunkt b R2 1990 8.64 36.00 0.26 1991 10.08 -2.73 0.32 1992 5.66 68.84 0.16 1993 3.93 88.85 0.19 1994 5.92 60.41 0.26 1995 3.67 104.04 0.16 1996 4.59 76.85 0.18 1997 2.52 112.75 0.09 1998 4.14 100.21 0.16 1999 3.53 87.21 0.12 2000 3.59 91.60 0.16 2001 4.38 81.80 0.22 2002 4.44 79.00 0.15 2003 3.45 106.54 0.13 2004 4.10 85.92 0.19 2005 2.94 107.64 0.10 2006 4.58 85.81 0.21 2007 4.63 65.47 0.23 2008 3.57 79.50 0.20 2009 3.54 76.30 0.23 2010 4.04 93.26 0.26 2011 3.03 94.09 0.25 2012 3.95 70.85 0.37 2013 4.73 65.98 0.48 2014 4.82 59.50 0.34 2015 5.66 55.14 0.36 2016 4.41 62.69 0.33 2017 4.85 53.07 0.36 2018 4.75 67.79 0.37 2019 5.57 49.79 0.39 2020 4.21 58.39 0.39 32
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