PM10/PM2.5/PM1 - Messungen mit einem GRIMM EDM180
Vergleich von Messungen eines optischen Partikelzählers mit der gravimetrischen Methode
Messbericht
Christoph Hüglin, Peter Graf, Hanna Herich und Beat Schwarzenbach Empa, Abteilung Luftfremdstoffe/Umwelttechnik, 8600 Dübendorf
INHALT
1 Zusammenfassung und Empfehlung ... 3
2 Résumé et recommandations ... 5
3 Einleitung ... 7
4 Messprinzip und durchgeführte Vergleichsmessungen ... 7
4.1 Messprinzip ... 7
4.2 Vergleichsmessungen ... 8
5 Ergebnisse ...10
5.1 Vergleich von PM-Messungen mit einem GRIMM EDM180 und der gravimetrischen Methode ... 10
5.2 Zeitliche Veränderung der systematischen Unterschiede ... 17
6 Literatur ...19
Messbericht: PM10/PM2.5/PM1 - Messungen mit einem GRIMM EDM180 – Vergleich von Messungen eines optischen Partikelzählers mit der gravimetrischen Methode
Autoren: Christoph Hüglin, Peter Graf, Hanna Herich und Beat Schwarzenbach
Adresse: Empa, Abteilung Luftfremdstoffe und Umwelttechnik Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf
Kontakt: christoph.hueglin@empa.ch
Dieser Bericht ist abrufbar unter: www.empa.ch/nabel
Dübendorf, 24.03.2011
1 Zusammenfassung und Empfehlung
Automatische und kontinuierliche Instrumente zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in der Aussenluft werden in Lufthygienemessnetzen eingesetzt, da sie im Gegensatz zur gravimetri- schen Referenzmethode die Messwerte annähernd in Echtzeit und in hoher zeitlicher Auflösung lie- fern (z.B. Stundenmittelwerte). Die Richtlinie über Luftqualität und saubere Luft für Europa (EU 2008) fordert, dass die mit automatischen Instrumenten erhobenen Messwerte äquivalent zur ma- nuellen Referenzmethode sind. Die Anforderungen an die Datenqualität von automatischen In- strumenten um den Äquivalenzkriterien zu genügen sind in einem Bericht einer von der Europäi- schen Kommission eingesetzten Arbeitsgruppe beschrieben (EC 2010).
In diesem Messbericht werden PM10-, PM2.5- und PM1-Messungen mit einem automatischen und kontinuierlichen Instrument vom Typ GRIMM EDM180 präsentiert. Das Messprinzip des GRIMM EDM180 basiert auf der Detektion von Licht, das an einzelnen Aerosolpartikeln gestreut wird. Ein Gerät dieses Typs wurde während anderthalb Jahren (April 2009 bis Oktober 2010) an der vorstäd- tischen NABEL-Messstation Basel-Binningen betrieben, parallel dazu wurden gravimetrische Best- immungen der Tagesmittelwerte von PM10, PM2.5 und PM1 durchgeführt. In diesem Bericht wer- den die mit dem GRIMM EDM180 gemessenen Tagesmittelwerte von PM10, PM2.5 und PM1 mit den gravimetrischen Messungen verglichen sowie die aufgetretenen zufälligen und systematischen Abweichungen bestimmt.
Die mit dem GRIMM EDM180 in Basel-Binningen gemessenen Tagesmittelwerte von PM10, PM2.5 und PM1 sind deutlich systematisch höher als die gravimetrisch ermittelten Messwerte. Die Zu- sammenhänge zwischen den Tagesmittelwerten beider Messverfahren können jedoch durch lineare Beziehungen beschrieben werden. Durch Umrechnung der Messwerte des GRIMM EDM180 mittels der ermittelten linearen Beziehungen können die systematischen Unterschiede gegenüber der gra- vimetrischen Methode korrigiert werden. Die in Basel-Binningen durchgeführten Vergleichsmes- sungen zeigten dabei, dass die ermittelten systematischen Unterschiede (lineare Beziehungen) zwi- schen dem GRIMM EDM 180 und der gravimetrischen Methode insbesondere für PM10 und PM2.5 zeitlich recht konstant sind.
In Basel-Binningen betrugen die zufälligen Abweichungen der bezüglich systematischer Unter- schiede korrigierten Tagesmittelwerte des GRIMM EDM180 gegenüber der gravimetrischen Me- thode für alle drei PM-Fraktionen ca. 5 µg/m3 (95%-Vertrauensniveau). An einem Tag an dem in Basel-Binningen mittels gravimetrischer Methode ein PM10 Tagesmittelwert von 50 µg/m3 gemes- sen wird1, muss mit dem GRIMM EDM 180 ein Messwert von 50.0 ± 6.1 µg/m3 erwartet werden. Bei stark aggregierten Werten wie z.B. Jahresmittelwerten sind die zufälligen Abweichungen zwischen den Messmethoden deutlich geringer. Wird an einem Standort mittels gravimetrischer Methode ein PM10-Jahresmittelwert von 20 µg/m3 (±0.1 µg/m3) ermittelt, dann sollte ein auf Tagesmittel- werten des GRIMM EDM 180 basierender Jahresmittelwert innerhalb von ± 0.4 µg/m3 mit dem gra- vimetrisch erhobenen Wert übereinstimmen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die systemati- schen Abweichungen des GRIMM EDM180 gegenüber der gravimetrischen Methode bekannt und perfekt korrigiert wurden.
1Messunsicherheit der gravimetrischen Methode beträgt ±1.2µg/m3 (aus Standardabweichung von Doppelbestimmungen bestimmt)
Um eine möglichst gute und vor allem quantifizierbare Übereinstimmung mit der gravimetrischen Methode zu erhalten ist es unbedingt notwendig, dass die systematischen Abweichungen des GRIMM EDM180 gegenüber der gravimetrischen Methode korrigiert werden. Dies ist separat für alle drei verschiedenen PM-Fraktionen erforderlich. Selbst wenn die anzuwendenden Korrektur- funktionen zeitlich stabil zu sein scheinen ist es unbedingt zu empfehlen, dass parallel zu den au- tomatischen PM-Messungen auch gravimetrische PM-Messungen durchgeführt werden. Um den Aufwand für die gravimetrischen Messungen möglichst gering zu halten ist ein Stichprobenkonzept möglich (z.B. Messungen an jedem vierten Tag).
Die oben erwähnte Anforderung von parallelen Messungen mit der gravimetrischen Referenzme- thode betreffen nicht nur das GRIMM EDM180, sondern generell (automatische) Messungen mit einem Nicht-Referenzverfahren. Im Unterschied zu anderen Luftschadstoffen gibt es für die Mes- sung von PM-Massenkonzentrationen keine Möglichkeit die Geräte auf den Stationen zu kalibrie- ren und somit die Qualität der Messwerte fortwährend zu prüfen. Durch Parallelmessungen mit der manuellen gravimetrischen Methode können robuste Referenzwerte erhoben und damit sicherge- stellt werden, dass ein automatischer PM-Monitor Resultate liefert, welche mit der Referenzmetho- de vergleichbar sind. Ohne solche Parallelmessungen ist es nicht möglich den Messfehler des au- tomatischen Monitors (gegenüber dem Referenzverfahren) zu bestimmen.
Aufgrund der Erfahrungen aus diesen Vergleichsmessungen kommen wir für kontinuierliche Mes- sungen von Partikelmassenkonzentrationen mit einem optischen Partikelzähler vom Typ GRIMM EDM180 zu folgenden Empfehlungen:
1. An jedem neuen Standort sollten zunächst Vergleichsmessungen mit der gravimetrischen Referenzmethode durchgeführt werden. Es muss davon ausgegangen werden, dass die Ab- hängigkeit zwischen den beiden Messmethoden standortabhängig sind.
2. Diese Vergleichsmessungen sollten periodisch wiederholt werden, um einerseits zeitliche Veränderungen der Abhängigkeit zwischen den beiden Messmethoden und andererseits allfällige Geräteprobleme erkennen zu können.
3. Die verschiedenen PM-Fraktionen sollten getrennt behandelt werden, d.h. Parallelmessun- gen mit der gravimetrischen Methode sind getrennt für PM10, PM2.5 und PM1 notwendig.
2 Résumé et recommandations
Des instruments automatiques pour la détermination en continu de la concentration des particules dans l’air extérieur sont utilisés sur les réseaux de mesure de la pollution atmosphérique parce que, au contraire de la méthode gravimétrique de référence, ils fournissent des valeurs de mesure prati- quement en temps réel et avec une haute résolution temporelle (p.ex. moyennes horaires). La di- rective concernant la qualité de l’air ambiant et un air pur pour l’Europe (CE 2008) exige que les va- leurs de mesure enregistrées avec des instruments automatiques soient équivalentes à celles ac- quises avec la méthode de référence manuelle. Les exigences sur la qualité des données des ins- truments automatiques nécessaires pour satisfaire les critères d’équivalence sont décrites dans un rapport d’un groupe de travail ad hoc de la Commission européenne (CE 2010).
Le présent rapport présente des mesures de PM10, PM2.5 et PM1 réalisées en continu avec un ap- pareil automatique du type GRIMM EDM180. Le principe de mesure du GRIMM EDM180 repose sur la détection de la lumière diffusée par les particules d’aérosols. Un appareil de ce type a été exploi- té durant une année et demie (d’avril 2009 à octobre 2010) dans la station NABEL de mesure su- burbaine de Bâle-Binningen. Parallèlement à cela, on a procédé à la détermination gravimétrique des moyennes journalières des PM10, PM2.5 et PM1. On a ensuite procédé à une comparaison des moyennes journalières obtenues avec le GRIMM EDM180 avec celles de la méthode gravimétrique ainsi qu’à la détermination des différences aléatoires et systématiques entre ces valeurs.
Les moyennes journalières des PM10, PM2.5 et PM1 mesurées avec le GRIMM EDM180 à Bâle- Binningen sont systématiquement supérieures à celles obtenues avec la méthode gravimétrique. Il existe toutefois une relation linéaire entre les moyennes journalières des deux méthodes de me- sure. La conversion des valeurs de mesure du GRIMM EDM180 à l’aide de la relation linéaire dé- terminée permet de corriger les différences systématiques par rapport à la méthode gravimétrique.
Les mesures comparatives réalisées à Bâle-Binningen montrent que les différences systématiques (relations linéaires) entre le GRIMM EDM180 et la méthode gravimétrique sont assez constantes dans le temps en particulier pour les PM10 et les PM2.5.
A Bâle-Binningen, les écarts aléatoires entre les moyennes journalières du GRIMM EDM180 corri- gées de leur différence systématique et celles obtenues par la méthode gravimétrique sont d’environ 5 µg/m3 (intervalle de confiance à 95%) pour les trois fractions des PM. Ainsi, lorsque l’on mesure à Bâle-Binningen une moyenne journalière de 50 µg/m3 avec la méthode gravimétrique2, il faut s’attendre à une valeur de mesure de 50.0 ± 6.1 µg/m3 avec le GRIMM EDM180. Pour les va- leurs fortement agrégées, telles que par exemple les moyennes annuelles, les écarts aléatoires entre les méthodes de mesure sont notablement plus faibles. Si, sur un site de mesure, on obtient avec la méthode gravimétrique une moyenne annuelle de 20 µg/m3 (±0.1 µg/m3), la moyenne an- nuelle reposant sur les moyennes journalières du GRIMM EDM180 devrait correspondre à ± 0.4 µg/m3 près à la valeur obtenue par la méthode gravimétrique. Ceci à condition toutefois que les différences systématiques par rapport à la méthode gravimétrique soient connues et aient été soi- gneusement corrigées.
2L’incertitude de mesure de la méthode gravimétrique est de ±1.2µg/m3 (déterminée à partir de l’écart-type de mesures en double)
Pour obtenir une concordance aussi bonne que possible, et surtout quantifiable, avec la méthode gravimétrique, il est absolument nécessaire de corriger les différences systématiques du GRIMM EDM180 par rapport à la méthode gravimétrique. Cette correction doit s’effectuer séparément pour chacune des trois fractions de PM. Même si les fonctions de correction à appliquer semblent être stables dans le temps, il est recommandé de procéder encore parallèlement à des mesures gravi- métriques des PM. Il est possible d’établir un concept d’échantillonnage (p. ex. mesures tous les quatre jours) afin de réduire autant que possible l’ampleur des tâches nécessaires pour les mesures gravimétriques.
L’exigence de mesures parallèles avec la méthode de référence ne s’applique pas seulement au GRIMM EDM180, mais d’une manière générale aux mesures (automatiques) avec une méthode non référencée. A la différence des autres polluants atmosphériques, il n’existe pas pour la mesure des concentrations des PM de possibilité de calibrage des instruments sur les stations permettant de contrôler en tout temps la qualité des valeurs de mesure. Cependant des mesures parallèles avec la méthode gravimétrique manuelle permettent d’obtenir des valeurs de référence robustes et d’assurer ainsi qu’un moniteur automatique de PM fournisse des résultats comparables à ceux de la méthode de référence. Sans de telles mesures de référence, une détermination de l’erreur de me- sure du moniteur automatique (par rapport à la méthode de référence) est impossible.
Sur la base des expériences acquises avec ces mesures comparatives, les recommandations que nous émettons pour la mesure des concentrations massiques des particules avec le compteur op- tique de particules du type GRIMM EDM180 sont les suivantes:
1. Partant du fait que la dépendance entre les deux méthodes est fonction du site, il fau- drait tout d’abord procéder, pour chaque nouvel emplacement, à des mesures compa- ratives avec la méthode gravimétrique de référence.
2. Ces mesures comparatives devraient être répétées périodiquement afin de pouvoir dé- celer d’une part une variation temporelle de la dépendance entre les deux méthodes de mesure et d’autre part aussi les problèmes éventuels sur les appareils.
3. Les différentes fractions des PM devraient être traitées séparément et il est ainsi néces- saire de procéder à des mesures parallèles comparatives séparées pour les PM10, les PM2.5 et les PM1.
3 Einleitung
Automatische und kontinuierliche Instrumente zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in der Aussenluft werden in Lufthygienemessnetzen eingesetzt, da diese im Gegensatz zur gravimetri- schen Referenzmethode die Messwerte annähernd in Echtzeit und in hoher zeitlicher Auflösung lie- fern (z.B. Stundenmittelwerte). Gemäss der Richtlinie über Luftqualität und saubere Luft für Europa (EU 2008) müssen diese automatischen Instrumente Messwerte liefern, welche äquivalent zur ma- nuellen Referenzmethode sind. Die Anforderungen an die Datenqualität von automatischen In- strumenten um den Äquivalenzkriterien zu genügen sind in einem Bericht einer von der Europäi- schen Kommission eingesetzten Arbeitsgruppe beschrieben (EC 2010).
Das GRIMM EDM180 ist eines der auf dem Markt erhältlichen automatischen Messgeräte für Parti- kelmassenkonzentrationen. Es handelt sich dabei um einen optischen Partikelzähler, welcher luftge- tragene Partikel in einem Grössenbereich von 0.25-32µm (optische Durchmesser) kontinuierlich de- tektiert und insgesamt 31 Grössenklassen zuordnet. Die resultierende Konzentration der nach Grösse klassierten Partikel wird unter Annahmen zur Form, Dichte und optischen Eigenschaften der Partikel in Massenkonzentrationen PM10, PM2.5 und PM1 umgerechnet und ausgegeben.
Ein GRIMM EDM180 wurde an der vorstädtischen NABEL-Messstation Basel-Binningen während anderthalb Jahren (April 2009 bis Oktober 2010) betrieben. Parallel zu diesem Instrument wurden an dieser Station gravimetrische Bestimmungen der Tagesmittelwerte von Partikelmassenkonzent- rationen PM10, PM2.5, PM1 durchgeführt.
Ziel dieses Berichtes ist es, die mit einem GRIMM EDM180 gemessenen Tagesmittelwerte von PM10, PM2.5 und PM1 mit den mittels gravimetrischer Referenzmethode ermittelten Partikelmas- senkonzentrationen zu vergleichen sowie zufällige und systematische Abweichungen zu quantifi- zieren.
4 Messprinzip und durchgeführte Vergleichsmessungen
4.1 Messprinzip
Das GRIMM EDM 1803 ist ein Feinstaubmessgerät zur simultanen und kontinuierlichen Bestimmung der Massenkonzentrationen PM10, PM2.5 und PM1. Das Messprinzip basiert auf der Lichtstreuung von einzelnen Aerosolpartikeln. Diese passieren einen Laserstrahl, das dabei gestreute Laserlicht wird über einen Spiegel unter einem Streuwinkel von 90° detektiert (Abbildung 1). Aus der Pulshö- he des detektierten Signals (Streuintensität) wird der sogenannte optische Durchmesser bestimmt, jedes detektierte Partikel wird einer der 31 Grössenklassen (0.25-32µm) zugeteilt.
3Informationen zum GRIMM EDM 180 unter http://www.grimm-aerosol.com
Der optische Durchmesser bezeichnet den geometrischen Durchmesser eines sphärischen (Polysty- rol-) Partikels, welches für die Kalibration des Messgerätes verwendet wurde und welches am De- tektor dieselbe Streuintensität verursacht wie ein während des Messvorgangs detektiertes Partikel.
Da der optische Durchmesser vom Brechungsindex und der Form des Partikels abhängt ist dieser im Allgemeinen kein direktes Mass für die geometrische Grösse des detektierten Partikels.
Aus dem gemessenen optischen Durchmesser wird die Masse eines Partikels abgeschätzt. Dazu sind Annahmen zur Umrechnung vom gemessenen optischen in einen geometrischen Durchmes- ser, sowie Annahmen zur (grössenabhängigen) Dichte der Partikel notwendig. Alle 6 Sekunden werden die in diesem Zeitintervall nach ihrer Grösse klassierten Partikel zusammengefasst und mittlere PM10-, PM2.5- und PM1-Massenkonzentrationen berechnet. Die Streuintensität von Parti- keln mit einem optischen Durchmesser kleiner als 0.25µm ist zu gering, so dass das GRIMM EDM 180 nur grössere Partikel nachweisen kann. Entsprechend muss der durch Partikel mit einem opti- schen Durchmesser kleiner als 0.25µm verursachte Anteil an der Massenkonzentration abgeschätzt werden.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Messprinzips des optischen Partikelzählers GRIMM EDM 180 (Quel- le: Grimm Aerosol Technik GmbH).
4.2 Vergleichsmessungen
Im Rahmen des Nationalen Beobachtungsnetzes für Luftfremdstoffe (NABEL) werden an der vor- städtischen Messstation Basel-Binningen Partikelmassenkonzentrationen PM10, PM2.5 und PM1 als Tageswerte mit der manuellen gravimetrischen Methode gemessen. Die eingesetzte gravimetrische Methode ist äquivalent mit dem Referenzverfahren für PM10 und PM2.5 gemäss EN12341 (CEN, 1998) und EN14907 (CEN, 2005). Für PM1 gibt es derzeit kein definiertes Referenzverfahren. Wäh- rend der Zeit vom 03. April 2009 - 04. Oktober 2010 wurde im Rahmen eines Gerätetests ein GRIMM EDM 180 für automatische Messungen von PM10, PM2.5 und PM1 eingesetzt.
Auswertungen der Messungen mit dem GRIMM EDM180 werden im Rahmen dieses Berichts dar- gestellt. In Luftqualitätsmessnetzen eingesetzte automatische Monitore für Feinstaub sollten eine möglichst gute Übereinstimmung mit dem manuellen gravimetrischen Verfahren aufweisen, bzw.
sollten die Anforderungen an die Gleichwertigkeit von Messverfahren erfüllen (EC, 2010). Ein ei- gentlicher Äquivalenztest gemäss EC (2010) wurde nicht durchgeführt, weil die vorliegenden Daten für einen solchen Test nicht ausreichen: Einerseits standen nicht zwei GRIMM EDM180 zur Bestim-
mung der zufälligen Streuung zweier identischer Instrumente (between sampler uncertainty) zur Verfügung, andererseits wurden nur Messungen an einem Standort und nicht an den für einen Äquivalenztest notwendigen vier Standorten durchgeführt. Die Datenauswertung wurde jedoch in Anlehnung an das in EC (2010) beschriebene Verfahren durchgeführt.
Die für diesen Vergleich verwendeten Daten wurden zwischen 03. April 2009 und 04. Oktober 2010 (Geräteausfall 12. Juli – 15. September 2009) erhoben. Die gravimetrisch bestimmten PM2.5 und PM1 Tagesmittelwerte liegen bis zum 30. April 2009 für jeden Tag vor, für PM10 wurde dagegen nur an jedem vierten Tag gravimetrisch bestimmt. Am 1. Mai 2010 wurden die Probenahme geän- dert, seitdem liegen gravimetrisch bestimmte Tagesmittelwerte für PM1 und PM2.5 von jedem 4.
Tag vor, PM10 Tagesmittelwerte werden an jedem Tag erhoben.
In Tabelle 1 sind die Konzentrationsbereiche der gemessenen Partikelmassenkonzentrationen an- gegeben, welche für den Messwertevergleich berücksichtigt wurden. Aus Tabelle 1 ist leicht ersicht- lich, dass mit dem GRIMM 180EDM einerseits höhere PM10-, PM2.5- und PM1-Konzentrationen als mit der gravimetrischen Methode gemessen wurden, andererseits unterscheiden sich die mittleren Verhältnisse PM1/ PM10 beziehungsweise PM2.5/PM10 für die beiden Messmethoden stark. Mit dem GRIMM EDM180 werden deutlich höhere Verhältnisse als mit der gravimetrischen Methode gemessen. Aus den Verhältnissen der Jahresmittelwerte ergeben sich für das GRIMM EDM180 PM1/PM10=0.82 und PM1/PM10=0.91, die entsprechenden Verhältnisse für die gravimetrische Methode sind 0.60 und 0.86.
Tabelle 1: Mittelwert, Minimum, Maximum, 10-Perzentil und 90-Perzentil der mit GRIMM EDM180 und der gravimetrischen Methode gemessenen täglichen Partikelmassenkonzentrationen (Anzahl Datenpaare: 220 (PM10), 333 (PM2.5), 320 (PM1)).
GRIMM EDM180 gravimetrische Methode Tageswerte von
April 09 – Okt. 10
PM10 (µg/m3)
PM2.5 (µg/m3)
PM1 (µg/m3)
PM10 (µg/m3)
PM2.5 (µg/m3)
PM1 (µg/m3)
Mittelwert 18.8 17.1 15.4 15.4 13.3 9.3
Minimum 2.1 1.3 0.8 2.8 1.6 0.8
Maximum 67.6 64.0 61.5 64.2 59.7 34.8
10-Perzentil 8.5 5.6 4.2 7.0 4.8 2.5
90-Perzentil 32.3 33.5 31.0 25.2 26.5 17.1
5 Ergebnisse
5.1 Vergleich von PM-Messungen mit einem GRIMM EDM180 und der gravimet- rischen Methode
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 Tagesmittelwerte aufgelis- tet. Zum Vergleich ist auch die Standardabweichung aus Doppelbestimmungen mit der gravimetrischen Methode aufgelistet
Datenbehandlung Kenngrösse PM10
(µg/m3)
PM2.5 (µg/m3)
PM1 (µg/m3)
Nicht korrigiert Mittelwert 3.33 3.72 6.13
Standardabweichung σ 3.09 3.14 6.05
Korrigiert (Gl. 1-3) Mittelwert 0.00 0.00 0.00
Standardabweichung σ 2.69 2.47 2.28
Parallelmessungen gra- vimetrische Methode
Standardabweichung aus Doppelbestimmungen σD
0.6
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 werden 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 gemessenen Feinstaubkonzentrationen ist unerlässlich.
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
5.2 Zeitliche Veränderung der systematischen Unterschiede
Aus Abschnitt 4.1 geht hervor, dass mit dem optischen Messverfahren nur eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit gravimetrischen PM-Messungen erreicht werden kann, wenn die systemati- schen Unterschiede zwischen den Messmethoden bekannt sind und diese korrigiert werden. Es ist daher notwendig zu wissen, ob und gegebenenfalls wie sich die systematischen Unterschiede zwi- schen den beiden Messmethoden zeitlich verändern.
Abbildung 10 zeigt ein Streudiagramm der mit dem GRIMM EDM180 optisch gemessenen PM10 Tageswerte gegen die gravimetrisch gemessenen Werte. Eingetragen sind zudem eine Regressi- onsgerade mit zugehörigem Vertrauens- und Prognoseintervall, welche anhand der ersten 30 Paare von Tagesmittelwerten (03.04.-30.09.2009) bestimmt wurden. Es ist gut erkennbar, dass praktisch alle Messwerte innerhalb des Prognoseintervalls liegen. Dies bedeutet, dass sich die aufgrund der ersten 30 Tagesmittelwerte ermittelte Abhängigkeit zwischen den beiden Messmethoden bis zum Ende der Vergleichsmessungen (03.10.2010) kaum verändert hat. Dies wird ebenfalls aus der rech- ten Grafik in Abbildung 10 deutlich, in welcher die optisch gemessenen PM10 Tagesmittelwerte vom 04.10.2009 bis 03.10.2011 aufgrund der ermittelten Abhängigkeit der ersten 30 Datenpaare korrigiert wurden und gegen die gravimetrischen Messwerte dargestellt sind.
Abbildung 10, links: Abhängigkeit von optisch und gravimetrisch gemessenen PM10-Tagesmittelwerten. An- hand der ersten 30 Datenpaare (03.04.-30.09.2009, schwarze Punkte) wurde eine Regressionsrechnung durch- geführt. Die restlichen insgesamt 190 Datenpaare (03.10.2009-03.10.2010) liegen fast ausschliesslich innerhalb des Prognoseintervalls der Regressionslinie. Rechts: Die optisch gemessenen PM10-Werte vom 03.10.2009- 03.10.2010 wurden anhand der aus den ersten 30 Datenpaaren abgeleiteten Abhängigkeit korrigiert und sind
0 10 20 30 40 50 60
0102030405060
PM10grav (ug/m3)
PM10opt (ug/m3)
Regressionslinie Vertrauensintervall Prognoseintervall PM10-Werte 1:30 restliche PM10-Werte
0 10 20 30 40 50 60
0102030405060
PM10grav (ug/m3)
PM10opt korr (ug/m3)
gegen die gravimetrisch gemessenen PM10-Werte dargestellt.
Abbildung 11, links: Abhängigkeit von optisch und gravimetrisch gemessenen PM2.5-Tagesmittelwerten. An- hand der ersten 30 Datenpaare (01.04.-30.04.2009, schwarze Punkte) wurde eine Regressionsrechnung durch- geführt. Die restlichen insgesamt 303 Datenpaare (01.05.2009-03.10.2010) liegen zum grössten Teil innerhalb des Prognoseintervalls der Regressionslinie. Rechts: Die optisch gemessenen PM2.5-Werte vom 01.05.2009- 03.10.2010 wurden anhand der aus den ersten 30 Datenpaaren abgeleiteten Abhängigkeit korrigiert und sind gegen die gravimetrisch gemessenen PM2.5-Werten dargestellt. Bei tieferen PM2.5-Belastungen sind keine sys- tematischen Unterschiede erkennbar, bei PM2.5-Konzentrationen über ca. 30µg/m3 scheinen die korrigierten optischen Werte systematisch etwas zu tief zu sein.
Abbildung 12, links: Abhängigkeit von optisch und gravimetrisch gemessenen PM1-Tagesmittelwerten. Anhand der ersten 30 Datenpaare (01.04.-30.04.2009, schwarze Punkte) wurde eine Regressionsrechnung durchgeführt.
Rechts: Die optisch gemessenen PM2.5-Werte vom 01.05.2009-03.10.2010 wurden anhand der aus den ersten 30 Datenpaaren abgeleiteten Abhängigkeit korrigiert und sind gegen die gravimetrisch gemessenen PM2.5- Werten dargestellt. Es sind systematische Unterschiede erkennbar, die korrigierten optischen Werte sind zu tief.
0 10 20 30 40 50 60
0102030405060
PM2.5grav (ug/m3)
PM2.5opt (ug/m3)
Regressionslinie Vertrauensintervall Prognoseintervall PM2.5-Werte 1:30 restliche PM2.5-Werte
0 10 20 30 40 50 60
0102030405060
PM2.5grav (ug/m3)
PM2.5opt korr(ug/m3)
0 10 20 30 40 50 60
020406080
PM1grav (ug/m3)
PM1opt (ug/m3)
Regressionslinie Vertrauensintervall Prognoseintervall PM1-Werte 1:30 restliche PM1-Werte
0 10 20 30 40 50 60
0102030405060
PM1grav (ug/m3)
PM1opt korr(ug/m3)
Die Abbildungen 11 und 12 zeigen wie Abbildung 10 die entsprechenden Abhängigkeiten für PM2.5 und PM1. Aus den Abbildungen 10-12 ist zu entnehmen, dass die während den Messungen am Standort Basel- Binningen geltenden Abhängigkeiten zwischen den optisch und gravimetrisch gemessenen Tagesmittelwer- ten insbesondere für PM10 und PM2.5 zeitlich recht konstant waren. In Tabelle 3 sind die Mittelwerte und die Streuung der Differenzen von unterschiedlich korrigierten optischen Tagesmittelwerten und den zugehörigen gravimetrischen Messwerten aufgelistet (Datenkorrektur gemäss Gl. 1-3, sowie Datenkorrektur aufgrund der ersten 30 gemessenen Wertepaare). Die Korrektur der optischen Messungen aufgrund der aus den ersten 30 Wertepaaren abgeleiteten Abhängigkeiten führt bei PM10 und PM1 nur zu kleinen systematischen Unter- schieden gegenüber der gravimetrischen Methode, bei PM1 sind diese Unterschiede deutlicher. Bei der Streuung der Differenzen von unterschiedlich korrigierten optischen und den gravimetrisch gemessenen Ta- gesmittelwerten gibt es praktisch keinen Unterschied zwischen den angewendeten Korrekturmethoden.
Tabelle 3: Mittelwert und Streuung der Differenzen der unterschiedlich korrigierten optischen (GRIMM EDM180) und den zu- gehörigen gemessenen gravimetrischen Tagesmittelwerten von PM10, PM2.5 und PM1.
Datenbehandlung Kenngrösse PM10
(µg/m3)
PM2.5 (µg/m3)
PM1 (µg/m3)
Korrigiert (Gl. 1-3) Mittelwert 0.00 0.00 0.00
Standardabweichung σ 2.69 2.47 2.28
Korrigiert (erste 30 Wer- tepaare)
Mittelwert -0.54 -0.20 -1.40
Standardabweichung σ 2.64 2.47 2.17
6 Literatur
CEN (1998) EN 12341. Air quality – Determination of the PM10 fraction of suspended particulate matter – reference method and field test procedure to demonstrate reference equivalence of measurement methods. CEN, 1998.
CEN (2005) EN 14907 Ambient air quality - Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM2.5 mass fraction of suspended particulate matter. CEN, 2005.
EC (2010) Guide to the Demonstration of Equivalence of Ambient Air Monitoring Methods (Version 2010). Report by an EC Working group on Guidance for the Demonstration of Equivalence, http://ec.europa.eu/environment/air/pdf/equivalence_report2.pdf.
EU (2008) Directive 2008/50/EC of the European Parliament and of the Council of 21 May 2008 on ambient air quality and cleaner air for Europe. Auch in Deutsch (Richtlinie 2008/50/EG) er- hältlich; aussi disponible en français (Directive 2008/50/CE),
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32008L0050:EN:NOT.
