Die Abbildungen 2, 3 und 4 zeigen Streudiagramme der Tagesmittelwerte vom PM10, PM2.5 und PM1 des GRIMM EDM180 gegen die gravimetrisch ermittelten Werte. In jeder Abbildung wurden lineare und quadratische Funktionen an die Messwerte angepasst.
Für alle drei PM-Fraktionen ist ersichtlich, dass die optisch ermittelten Massenkonzentrationen sys-tematisch von den gravimetrisch ermittelten Werten abweichen, das optische Messverfahren über-schätzt die Partikelmassenkonzentration.
Für den Nachweis der Gleichwertigkeit eines automatischen Feinstaubmessgerätes gegenüber dem Referenzverfahren können systematische Unterschiede korrigiert werden (EC, 2010), indem die mit dem automatischen Feinstaubmessgerät gemessenen Werte mit den geschätzten Parametern einer linearen Regressionsrechnung umgerechnet werden.
Zwischen den mit dem GRIM EDM180 gemessenen PM10-Tagesmittelwerte (PM10opt) und den gra-vimetrisch ermittelten PM10-Tagesmittelwerten (PM10grav) ergab sich in Basel-Binningen folgende lineare Beziehung (siehe Abbildung 2):
PM10opt = 1.10∙PM10grav + 1.75,
d.h. PM10opt, korr = (PM10opt - 1.75)/ 1.10 (Gl. 1)
Abbildung 2: Vergleich der gravimetrisch und optisch (GRIMM EDM 180) ermittelten PM10-Konzentrationen. Jeder Datenpunkt entspricht einem Tagesmittelwert. Die Farbkodierung wiedergibt den Zeitpunkt der Messung.
Abbildung 3: Vergleich der gravimetrisch und optisch (GRIMM EDM 180) ermittelten PM2.5-Konzentrationen. Jeder Datenpunkt entspricht einem Tagesmittelwert. Die Farbkodierung wiedergibt den Zeitpunkt der Messung.
Abbildung 4: Vergleich der gravimetrisch und optisch (GRIMM EDM 180) ermittelten PM1-Konzentrationen. Jeder Datenpunkt entspricht einem Tagesmittelwert. Die Farbkodierung wiedergibt den Zeitpunkt der Messung.
Für PM2. 5 und PM1 ergaben sich die folgenden linearen Beziehungen und Messwertkorrekturen (Abbildungen 3 und 4):
PM2.5opt = 1.15∙PM2.5grav + 1.78,
d.h. PM2.5opt, korr = (PM2.5opt - 1.77) /1.15 (Gl. 2)
bzw.
PM1opt = 1.78∙PM1grav – 1.06,
d.h. PM1opt, korr = (PM1opt + 1.06)/ 1.78 (Gl. 3) Für die weitere Datenauswertung wurden die optischen Messungen mit dem GRIMM EDM 180 gemäss den Gleichungen 1-3 korrigiert. Die Abbildungen 2 und 3 deuten darauf hin, dass der Zu-sammenhang zwischen optisch und gravimetrisch gemessenen Tagesmittelwerte für PM1 und PM2.5 nicht linear ist. Die Datenkorrektur wurde jedoch auch hier anhand des geschätzten linearen Zusammenhangs vorgenommen da andere Datenkorrekturen nach EC (2010) nicht angewendet werden können.
Abbildungen 5-6 zeigen die Häufigkeitsverteilungen der Differenz von gemessenen Tagesmittel-werten des GRIMM EDM180 und der gravimetrischen Methode, sowie der Differenz der korrigier-ten Tagesmittelwerte des GRIMM EDM180 und der gravimetrischen Methode für PM10, PM2.5 und PM1. Die systematischen Unterschiede zwischen den beiden Messverfahren (Abbildung 5) können durch die Datenkorrekturen nach Gleichungen 1-3 beseitigt werden (Abbildung 6). Die zufälligen Unterschiede zwischen den beiden Messverfahren (ausgedrückt durch die Standardabweichung der Differenzen der optisch und gravimetrisch gemessenen Tagesmittelwerte) werden dagegen nur leicht reduziert (bei PM1 starke Reduktion, siehe Tabelle 2).
Tabelle 2: Mittelwert und Streuung der Differenzen von optisch (GRIMM EDM180) und gravimetrisch gemessenen Tagesmit-telwerte von PM10, PM2.5 und PM1. Diese Kenngrössen sind für die gemessenen und korrigierten TagesmitTagesmit-telwerte aufgelis-tet. Zum Vergleich ist auch die Standardabweichung aus Doppelbestimmungen mit der gravimetrischen Methode aufgelistet
Datenbehandlung Kenngrösse PM10
Nicht korrigiert Mittelwert 3.33 3.72 6.13
Standardabweichung σ 3.09 3.14 6.05
Eine weitere Möglichkeit die mittleren Unterschiede zwischen den kontinuierlichen Messungen des GRIMM EDM180 und der gravimetrischen Methode darzustellen und zu quantifizieren liegt in der Bestimmung der Vertrauens- und Prognoseintervalle der zu den Gl. 1-3 gehörenden Regressions-geraden. Diese Regressionsgeraden beschreiben die mittlere lineare Abhängigkeit von optischer und gravimetrischer Messung der Partikelmassenkonzentration. Abbildung 7 zeigt die Differenz der Regressionsgerade für PM10 und dem zugehörigen gravimetrisch gemessenen PM10 als Funktion der (gravimetrisch gemessenen) PM10-Belastung, also
PM10opt – PM10grav = (1.10∙PM10grav +1.75) – PM10grav = 0.10∙PM10grav + 1.75.
Zudem sind die zugehörigen Vertrauens- und Prognoseintervalle in Abbildung 7 eingetragen. Das Vertrauensintervall gibt den Unsicherheitsbereich für die mittlere Abhängigkeit an, d.h. es eignet sich zur Untersuchung von mittleren Unterschieden zwischen den beiden Messverfahren, etwa dem Vergleich von Jahresmittelwerten, welche aus Tagesmittelwerten berechnet werden. Das Progno-seintervall gibt hingegen den Unsicherheitsbereich von einzelnen Messungen an. Es liefert Informa-tionen über den Bereich der mit der optischen Methode zu erwartenden Messwerte, z.B. bei der Messung von einzelnen Tagesmittelwerten. Der Vorteil der Darstellung von Abbildung 7 gegenüber den Häufigkeitsverteilungen von Abbildungen 5 und 6 ist, dass die Unterschiede zwischen den bei-den Messverfahren in Abhängigkeit der Feinstaubbelastung beurteilt werbei-den können. Die Abbil-dungen 8 und 9 sind gleich wie Abbildung 7, jedoch für PM2.5 und PM1.
Abbildung 5 Abweichung der GRIMM EDM 180 Massenkonzentrationen zum gravimetrischen Referenzverfah-ren.
Abbildung 6: Abweichung der korrigierten GRIMM EDM 180 Massenkonzentrationen zum gravimetrischen Refe-renzverfahren.
Aus den Abbildungen 7-9 können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
1. Messungen mit dem GRIMM EDM180 zeigen für alle PM-Fraktionen einen deutlichen Bias.
Ohne Korrektur dieser systematischen Unterschiede sind die Abweichungen gegenüber der gravimetrischen Referenzmethode gross. Bei einem gravimetrisch gemessenen (und somit per Konvention „wahren“) Jahresmittelwert für PM10 bei 20 µg/m3, ergäbe sich mit dem GRIMM EDM180 ein ca. 20% zu hoher Jahresmittelwert (23.8 ± 0.4 µg/m3). Die Messunsi-cherheit der gravimetrischen Methode liegt für den Jahresmittelwert bei etwa 0.1µg/m3. Ei-ne Korrektur der optisch gemesseEi-nen FeinstaubkonzentratioEi-nen ist uEi-nerlässlich.
2. Wird der Bias erfolgreich korrigiert, dann stimmen Mittelwerte, welche aus einer ausrei-chend grosser Anzahl4 von Tagesmittelwerten berechnet werden (z.B. Jahresmittelwerte) gut überein. Beim oben aufgeführten Beispiel von einem gravimetrisch gemessenen PM10 Jah-resmittelwert von 20 µg/m3 würden perfekt korrigierte optische PM10 Messungen einen Jahresmittelwert von 20.0 ± 0.4 µg/m3 ergeben.
3. Die zufälligen Unterschiede zwischen den beiden Messverfahren bleiben auch nach einer Korrektur des Bias bestehen (siehe auch Tabelle 2). Die zufälligen Unterschiede von einzel-nen PM-Messungen mit dem GRIMM EDM180 betragen gegenüber der gravimetrischen Methode etwa ± 5 µg/m3 (siehe Breite der Prognoseintervalle in Abbildungen 7-9). Wird mittels gravimetrischer Methode ein PM10 Tagesmittelwert von 50 µg/m3 gemessen (Messunsicherheit der gravimetrischen Methode 1.2 µg/m3 – aus der Standardabweichung von Doppelbestimmungen ermittelt), dann muss ein optisch gemessener und bezüglich Bias perfekt korrigierter Tagesmittelwert von 50.0 ± 6.1 µg/m3 erwartet werden.
Abbildung 7: Mittlere Abweichung des GRIMM EDM180 von der gravimetrischen Methode gegen die gravimet-risch bestimmten PM10-Konzentrationen. Die mittlere Abweichung wurde aus der Regressionsgerade
(PM10opt=1.10∙PM10grav+1.75) bestimmt, die zugehörigen Vertrauens- und Prognoseintervalle sind ebenfalls angegeben.
4die zufälligen Abweichungen zwischen beiden Messmethoden skalieren mit n-1/2, wenn n die Anzahl von Messungen ist.
0 20 40 60 80 100
-505101520
PM10grav (ug/m3)
PM10opt - PM10grav (ug/m3)
Regressionslinie Vertrauensintervall Prognoseintervall
Abbildung 8: Mittlere Abweichung des GRIMM EDM180 von der gravimetrischen Methode gegen die gravimet-risch bestimmten PM10-Konzentrationen. Die mittlere Abweichung wurde aus der Regressionsgerade
(PM2.5opt=1.15∙PM2.5grav+1.78) bestimmt, die zugehörigen Vertrauens- und Prognoseintervalle sind ebenfalls angegeben.
Abbildung 9: Mittlere Abweichung des GRIMM EDM180 von der gravimetrischen Methode gegen die gravimet-risch bestimmten PM10-Konzentrationen. Die mittlere Abweichung wurde aus der Regressionsgerade (PM1opt=1.78∙PM1grav-1.06) bestimmt, die zugehörigen Vertrauens- und Prognoseintervalle sind ebenfalls ange-geben.
0 20 40 60 80 100
-505101520
PM2.5grav (ug/m3)
PM2.5opt - PM2.5grav (ug/m3)
Regressionslinie Vertrauensintervall Prognoseintervall
0 20 40 60 80 100
020406080
PM1grav (ug/m3)
PM1opt - PM1grav (ug/m3)
Regressionslinie Vertrauensintervall Prognoseintervall