SIMAIR - verktyg för luftkvalitet

SIMAIR är ett webbaserat verktyg för beräkning av luftkvalitet i svenska tätorter. Samtidigt som systemet är komplext med flertalet kopplade beräkningsmodeller verkande på olika geografiska skalor, är användargränssnittet lättanvänt, flexibelt och enkelt åtkomligt via internet.

Höga halter av luftföroreningar är ett problem i många svenska kommuner. Som skydd för miljön och människors hälsa finns miljökvalitetsnormer definierade i svensk lagstiftning, vilka bygger på det luftdirektiv som EU-länderna har enats om.

Då det finns ett stort behov för svenska kommuner, luftvårdsförbund och regionala aktörer att utvärdera luftkvaliteten i svenska tätorter har SMHI, men finansiering från Naturvårdsverket, Vägverket och Energimyndigheten, utvecklat verktyget SIMAIR, som är möjligt att tillämpa för samtliga kommuner i Sverige.

Anpassad efter aktuella frågeställningar

Vägtrafiken är en av huvudkällorna till luftföroreningar i Sverige.

Störst svårighet för svenska kommuner är det generellt att klara gränsvärdena för partiklar (PM10, partiklar med en aerodynamisk diameter mindre än 10 µm) samt kvävedioxid (NO2). Kritiska områden är bland annat starkt trafikerade gatumiljöer och bostadsområden med utbredd småskalig vedeldning.

SIMAIR är anpassad för dessa frågeställningar och innehåller applikationer både för bedömning av luftkvalitet i gaturum och komplicerade vägkorsningar (SIMAIRväg och SIMAIRkorsning), liksom luftkvalitet i bostadsområden med småskalig vedeldning (SIMAIRved). Samtidigt finns förberäknade bakgrundshalter för att jämförelser ska kunna göras mellan det lokala bidragets betydelse för totalhalten i förhållande till långväga transporterade luftföroreningar.

Modellsystemets uppbyggnad

Gemensamt för samtliga applikationer av SIMAIR är bland annat:

  • Det lättanvända gränssnittet som enkelt nås via internet
  • Bästa tillgängliga indata används, exempelvis vad gäller emissioner och meteorologi
  • Modellerna bygger på ett kopplat modellkoncept, där hänsyn tas både till lokala haltbidrag samt bakgrundsbidrag från övriga tätorten, Sverige och Europa
  • Verktyget finns tillgängligt för samtliga kommuner i Sverige

Eftersom luftföroreningar härstammar från olika källor, på olika avstånd från området som studeras, använder SIMAIR ett kopplat modellkoncept. Beroende på frågeställning används därför olika beräkningsmodeller verkande på olika skalor, från lokala beräkningar med en upplösning på 25 m till regionala beräkningar med en upplösning på 11 km. De regionala och urbana bidragen är förberäknade, medan de lokala bidragen beräknas via användargränssnittet.

Samtidigt som SIMAIR är ett mycket komplext modellsystem är användargränssnittet enkelt, flexibelt och lättanvänt. Verktyget kan nås via internet.

Modellsystemets uppbyggnad visas schematiskt i figuren nedan och sedan följer en kort beskrivning av de ingående delarna.

Schematisk figur över SIMAIRs databaser och modeller
Schematisk figur över databaser och modeller i SIMAIR. Den streckade linjen skiljer på förberäknade halter från modeller på större skala (över linjen) och halter som beräknas direkt från användargränssnittet via lokala modeller (under linjen).
Förstora Bild

Regionala bakgrundshalter

För beräkning av halter på regional skala används spridningsmodellen MATCH, som drivs av meteorologiska data från väderprognosmodellen HIRLAM (44x44 km över Europa), samt emissionsdata från EMEP (50x50 km). Förutom MATCH används också tvådimensionell variationell dataassimilering med mätdata för PM10, då MATCH ännu inte inkluderar sekundära organiska aerosoler.

Mer om regionala spridningsmodellen MATCH

Urbana bakgrundshalter

Urbana halter av luftföroreningar, på ett 1x1 km rutnät, beräknas med urbana modellen BUM. Vid beräkningarna används emissionsdata från SMED (Svenska MiljöEmissionsData). Spridningsberäkningar görs med två metodiker:

  • För markkällor, såsom trafik och småskalig vedeldning, beräknas halter genom att bidrag från emissioner i ett influensområde uppströms vindriktningen läggs samman för att bestämma halten i en beräkningspunkt.
  • För utsläpp från högre punktkällor (till exempel höga skorstenar) görs beräkningarna med en Gaussisk plymmodell.

Meteorologiska data

De meteorologiska data som används i SIMAIR är framtagna med systemet Mesan. Det bygger på optimal interpolationsteknik, där all tillgänglig data från synoptiska och automatiska väderstationer tillsammans med data från vädersatelliter och väderradar viktas samman för att på bästa sätt representera de rådande väderförhållandena för en viss plats och tidpunkt. Beräkningarna görs med en horisontell upplösning på 11x11 km samt en tidsupplösning på 3 timmar.

Väg- och trafikinformation

Nationella vägdatabasen (NVDB) är en väg och fordonsdatabas som innehåller uppdaterad information om exempelvis vägkoordinater, vägens funktionsklass, skyltad hastighet mm. Parallellt finns också en databas med trafikdata, såsom fordonsmängder och andel tung trafik. Avgasemissioner beräknas med emissionsmodellen ARTEMIS.

Sotardata

På begäran från användare kan detaljerade lokala data från sotarinventering avseende småskalig biobränsleledning inkluderas i SIMAIR. Exempel på indata till modellen kan vara byggnadens energibehov, typ av panna/lokaleldstad, eventuell ackumulatortank och volym mm.

Hur väl överensstämmer beräkningarna med uppmätta värden?

Vad är ett bra beräkningsresultat?

En bra beräkningsmodell är en modell som återger representativa halter för platsen som utvärderas. När man validerar resultatet från en spridningsmodell brukar man oftast göra jämförelser med uppmätta halter.

Viktigt att betona är att varken beräkningarna eller mätningarna återger atmosfärens verkliga kemiska tillstånd och kan vara mer eller mindre representativa för platsen. För att en mätning ska vara lämplig att validera modellen mot finns det vissa krav som mätstationen ska uppfylla. Att mätstationen är lämpligt placerad i förhållande till gatan som den ska representera är exempelvis viktigt.

Givetvis ska överensstämmelsen med mätningarna vara god, men ett perfekt beräkningsresultat ska ändå ha viss spridning mot mätningarna. Detta eftersom en utmärkande egenskap hos turbulensen i atmosfären är att den är stokastisk, vilket betyder att rörelsen är oregelbunden och slumpvis.

Validering av SIMAIR mot mätdata

SIMAIR har nyligen utvärderats mot mätdata av PM10, NO2 och bensen i en validering som omfattade mer än 20 trafikmiljöer i bland annat Stockholm, Göteborg, Malmö, Uppsala, Helsingborg, Karlstad och Norrköping. Ett omfattande arbete lades ned för att samla in och kvalitetskontrollera data, i syfte att erhålla så bra indata till modellen som möjligt, exempelvis vad gäller trafik- och gaturumsinformation.

SIMAIR - validering/tidsserie
Exempel på beräknade (grå linje) och uppmätta (+) dygnsmedelhalter av PM10 (µg/m3) för år 2003 för Sveavägen i Stockholm.
Förstora Bild

Utvärderingen visade att överensstämmelsen mellan uppmätta och beräknade halter var stor och att SIMAIR lyckas reproducera såväl årsmedelvärden som percentiler av dygns- och timmedelvärden. Modellen lyckades också på ett representativt sätt återge tidsvariationerna av halterna, i synnerhet de höga PM10-halterna under senvintern och tidig vår som är vanligt i nordiska trafikmiljöer där dubbdäcksanvändning och sandning/saltning förekommer vintertid.

I EUs Luftmiljödirektiv finns kvalitetsmått angivna som fastställer maximal acceptabel osäkerhet för modellberäkningar. Dessa kvalitetskrav klarar SIMAIR med tämligen god marginal för PM10 och NO2. För PM10 är EUs kvalitetskrav definierat som maximal modellosäkerhet på ±50 % för årsmedelvärde, vilket SIMAIR klarar med god marginal då 70 % av alla data är inom osäkerhetsintervallet ±25 %, se figuren näst högst upp till höger.

Även i bostadsområden med småskalig biobränsleeldning är överensstämmelsen stor mellan uppmätta halter och SIMAIRs beräknade halter. SIMIAR lyckas återge bra medelvärden och representativa dagliga haltvariationer av PM10. Som framgår av figuren nedan är haltvariationen starkt (negativt) korrelerad med utomhustemperaturen, vilket kan förklaras av att vid låga temperaturer är generellt bostädernas uppvärmningsbehov större och luftens omblandning lägre.

Validering av SIMAIR
Exempel på jämförelse mellan uppmätta och beräknade halter av PM10, för ett bostadsområde i Lycksele med utbredd småskalig vedeldning.
Förstora Bild

Pågående utvecklingsarbete

SIMAIR syftar till att vara ett högkvalitativt verktyg för bedömning av luftkvalitet i svenska tätorter och ambitionen är att modellen ska återge representativa halter i hela Sverige. Därför pågår ett kontinuerligt utvärderings- och forskningsarbete kring modellen.

En ny emissionsmodell för vägdamm och slitagepartiklar håller på att testas och utvärderas inom SIMAIR. Modellen är framtagen inom ramen för det nordiska samarbetsprojektet NORTRIP.

En omfattande validering har genomförts av modellens resultat mot mätningar från stationer i olika delar av Sverige. Utvärderingen avser både stationer placerade i gaturum och urban bakgrund (takmätningar). Slutsatserna från denna studie har bland annat legat till grund för ett utvecklingsarbete av SIMAIRs urbana spridningsmodell BUM för att förbättra beräkningarna i delar av Sverige som präglas av kallt vinterklimat.

SIMAIR har också vidareutvecklas för att bli ett verktyg för beslutstöd vad gäller luftkvalitet. Verktyget, som går under benämningen SIMAIRscenario, kan visualisera konsekvenserna av emissionsscenarier (till exempel till följd av en viss åtgärd) vad gäller luftkvalitet, hälsoutfall och externa kostnader.

Nationella forskningstillämpningar

SIMAIR har tillämpats i flertalet nationella forskningsstudier på SMHI. I en studie användes modellsystemet i syfte att kartlägga partikelhalter i Sverige. En annan studie undersökte utsikterna att uppnå miljökvalitetsnormer och miljökvalitetsmål till år 2020. Mer om forskningsstudier finns i högerspalten under rubriken ”Nationella forskningsstudier”.

Dubbdäcksreduktion
Beräknade 90-percentils dygnsmedelvärden (extremvärden) av PM10 för olika scenarier med reduktion av andelen dubbdäck. Röd linje anger miljökvalitetsnormen och grön linje miljökvalitetsmålet Frisk luft.
Förstora Bild

Referenser och mer information

Se bifogat dokument, SIMAIR publikationslista, som du kan nå via högerspalten.