Die zwischenjährlichen Schwankungen der Schadstoffbelastung der Luft hängen stark von den jeweiligen Witterungsbedingungen ab. Hohe Konzentrationen von Luftschadstoffen treten typischerweise vornehmlich an Hochdruckwetterlagen mit geringen Windgeschwindigkeiten auf. Bei langanhaltenden Dürreperioden bzw. extremer Hitze verbunden mit sommerlichen Hochdruckwetterlagen findet kein Luftaustausch statt. In diesen Perioden nehmen die regionalen Luftschadstoffkonzentrationen zu, es reichern sich Luftschadstoffe wie Partikel und Pollen in der Luft an. Unter dem Einfluss von Sonneneinstrahlung nimmt tagsüber auch die Ozonkonzentration zu, da Ozon photochemisch bei starker UV-Strahlung gebildet wird.
Gleichzeitig haben Niederschläge, wie Regen oder Schnee einen reinigenden Einfluss auf die Luftschadstoffkonzentrationen. Lokal weisen besonders verkehrsexponierte Standorte eine höhere Luftschadstoffbelastung auf.
Stickstoffdioxid
Die Stickstoffdioxid-Konzentrationen (NO2) in Köln weisen seit dem Jahr 2008 unter Berücksichtigung zwischenjährlicher Schwankungen eine leicht abnehmende Tendenz auf. An den verkehrsnahen Standorten wurden in den 2010er-Jahren häufig Konzentrationen festgestellt, die über dem einzuhaltenden Jahresmittel-Grenzwert von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter liegen. Seit 2020 wird der geltende Grenzwert von 40 µg/m³ bei Stickstoffdioxid an den Messstellen in Köln eingehalten.
Das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz (LANUV) hat mit einer Verursacheranalyse ermittelt, das der lokale Kraftfahrzeug-Verkehr mit teilweise bis zu 52 Prozent den höchsten Beitrag an der Stickoxid-Belastung verursacht (Quelle: Zweite Fortschreibung Luftreinhalteplan Köln 2019).
Der allgemein durch den Straßenverkehr in Köln verursachte Belastungsanteil variierte an den Luft-Messstellen Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz zwischen sieben und 28 Prozent. Auf die Binnenschiffe entfielen hier Anteile zwischen zwei und maximal 17 Prozent.
Um den Grenzwert für Stickstoffdioxid so gut wie möglich einzuhalten, müssen Minderungsmaßnahmen insbesondere auf den lokalen Kfz-Verkehr bezogen sein.
Feinstaub
Unter der Bezeichnung Feinstaub (engl. Particulate Matter, PM) werden feste und flüssige Partikel bezeichnet, deren Partikelgröße kleiner als 10 Mikrometer und die daher mit bloßem Auge nicht sichtbar sind.
In der Luftreinhaltung wird unterschieden zwischen verschiedenen Korngrößen:
PM 10 mit einer Korngrößenfraktion von kleiner als 10 Mikrometer, PM 2,5 mit einer Korngrößenfraktion von kleiner als 2,5 Mikrometer und ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer. Der Feinstaub-Jahresmittelgrenzwert (PM 10) von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter wird im gesamten Stadtgebiet Köln eingehalten.
Seit 2009 wird auch der Feinstaub-Tagesmittelgrenzwert (maximal 35 Überschreitungen des Tagesmittelwertes 50 Mikrogramm pro Kubikmeter) eingehalten. Wobei generell eine Stagnation der Feinstaubkonzentration beobachtet wird. Das Umweltbundesamt führt die weiterhin hohen Feinstaubkonzentrationen auf den Fahrzeugverkehr und die nur gering abnehmenden Emissionen der Kleinfeuerungsanlagen der privaten Haushalte zurück.
Ozon
Bodennahes Ozon, auch als "Sommersmog" bezeichnet, wird im Gegensatz zu anderen Luftschadstoffen nicht direkt emittiert. Es bildet sich unter Einwirkung von Sonnenlicht aus sogenannten Vorläuferstoffen. Zu diesen Vorläuferstoffen zählen Stickstoffoxide NOx und leichtflüchtige organische Substanzen VOC, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe.
Ozon wird an den Messstationen in Köln-Chorweiler und Köln-Rodenkirchen gemessen.
Schwefeldioxid
Schwefeldioxid ist ein farbloses, stechend riechendes Gas, das vor allem durch die Verbrennung von Kohle, Heizöl sowie anderer schwefelhaltiger Brennstoffe in die Luft freigesetzt wird. Als relativ leicht lösliches Reizgas wirkt Schwefeldioxid auf die Schleimhäute der Augen sowie die oberen und unteren Atemwege. In Kombination mit Schwebstäuben und deren Inhaltsstoffen verstärkt sich die Reizwirkung des Schwefeldioxids.
Mitte der 80er Jahre erfolgte durch die Entschwefelung von Rauchgasen in der Industrie sowie die Umstellung von Kohle auf Gas oder Öl als Brennstoff eine deutliche Reduzierung der Schadstoffbelastung durch Schwefeldioxid.
Die Jahresmittelwert liegen inzwischen weit unter den Grenzwerten der 39. Bundes-Immissionsschutzverordnung.
Benzol
Benzol zählt zu den giftigsten Kohlenwasserstoffen. Es ist krebserzeugend und schädigt in erster Linie das blutbildende System.
In den letzten 20 Jahren ist ein deutlicher Rückgang der Benzol-Immissionen an verkehrsreichen Straßen zu verzeichnen. Ausgelöst durch die hohe Minderung des Benzolgehalts der Otto-Kraftstoffe und den Einsatz des Dreiwege-Katalysators in Fahrzeugen.
Der seit dem 1. Januar 2010 geltende Immissionsgrenzwert für die Benzolbelastung von 5 Mikrogramm pro Kubikmeter wird inzwischen bundesweit eingehalten.