Paperclub

Im Paperclub haben wir wissenschaftliche Artikel zum Thema Stadtklima besprochen und diskutiert. Auf diese Weise haben wir einen Einblick in aktuelle und ältere Studien zum Forschungsgebiet erhalten. Außerdem entwickelten wir so das methodische Know-How, um unsere eigenen Studien zu erstellen. Im Folgenden werden die behandelten Studien kurz zusammengefasst und unsere Diskussionspunkte – Besonderheiten, Kritik, Unstimmigkeiten – werden erwähnt.

Der Artikel „Ecosystem Services in Urban Areas“ von Per Bolund und Sven Hunhammar erschien 1999 in „Ecological Economics“. Die Autoren führen eine Literaturstudie durch, die sich mit urbanen Ökosystemen und deren Dienstleistungen beschäftigt. Diese gilt es zu identifizieren, wenn möglich zu quantifizieren und zu bewerten. Dabei geht es vor allem um die lokale Lösung der Probleme in der Stadt (städtische Hitzeinsel, Luftverschmutzung). Die Ökosysteme, welche in dem Artikel – am Beispiel Stockholms – berücksichtigt werden, sind Straßenbäume, Wiesen/Parks, urbane Wälder, Gärten/landwirtschaftlich genutzte Flächen, Feuchtgebiete, Seen/Meere und Flüsse. Folgende Ökosystemdienstleistungen sind im städtischen Kontext besonders relevant: Luftreinhaltung, mikroklimatische Regulation, Lärmreduzierung, Regenwasserabfluss, Abwasseraufbereitung sowie Erholungswert und kultureller Wert. Dabei ist jedes der Ökosysteme Dienstleister für mehrere Funktionen gleichzeitig. Die Autoren kommen zu dem Ergebnis, dass von den bewerteten Ökosystemen die Feuchtgebiete als die effektivsten Ökosystemdienstleister zu betrachten sind, da diese alle berücksichtigten Dienstleistungen erbringen. Doch durch Ökosysteme können auch Probleme wie Lärm oder Smog erst entstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass Ökosysteme die Auswirkungen urbaner Probleme mindern, aber nicht deren Ursachen beheben.

In der Diskussion im Plenum wurde die Bedeutung und Einteilung einzelner Ökosysteme besprochen, sowie die Methode einer Kosten-Nutzen-Analyse für die Ermittlung ihrer Bewertung. Außerdem wurde über die Vor- und Nachteile von Feuchtgebieten im stadtplanerischen Kontext nachgedacht. Weiterhin wurde der Stand der Forschung von 1999 berücksichtigt und über Stockholm als geeignete Referenz diskutiert.

Diskutiertes Paper: BOLUND, P., HUNHAMMAR, S., 1999: Ecosystem services in urban areas. – Ecological Economics 29: 293-301.

Der Artikel „How factors of land use/land cover, building configuration, and adjacent heat sources and sinks explain Urban Heat Islands in Chicago“ von Paul Coseo und Larissa Larsen erschien 2014 in „Landscape and Urban Planning“.

Die Autoren führen zuerst eine Literaturrecherche durch. Daraus resultieren folgende Hauptfragestellungen: Welche physikalischen Parameter spielen am stärksten in die Temperaturdifferenz der Nachbarschaften ein, variieren diese mit der Tageszeit und verändert sich der Einfluss der physikalischen Parameter bei Hitzeereignissen. Daraus resultieren die Hypothesen: Nachts ist die Gebäudestruktur ausschlaggebender als Abwärmequellen und -flüsse. Tagsüber, wenn die Windgeschwindigkeit höher ist, ist dies genau andersherum. Hitzeereignisse werden die zuvor genannten Effekte verstärken.

Es wurden zur Beantwortung acht Nachbarschaften mittels 14 unabhängiger Parameter analysiert. Die Differenz zwischen Temperaturdaten von 2 Uhr nachts und 4 Uhr nachmittags bildet die Intensität der städtischen Wärmeinsel. Mittels einer bivariaten Analyse und einer Regressionsanalyse werden die Korrelation der einzelnen Parameter zueinander und die Größe des Einflusses der einzelnen Parameter bestimmt. Die Parameter mit dem größten Einfluss sind Versiegelung und Baumbedeckung (hier die unabhängigen Variablen, die abhängige Variable ist die UHI-Intensität). Die Straßenschlucht und
-ausrichtung haben keinen großen Einfluss auf die Lufttemperatur. Durch die Regressionsanalyse wird bei einem Anstieg von 10 % an versiegelter Fläche ein Lufttemperaturanstieg von 0,74 °C, bei Baumbedeckungen eine Abkühlung von 0,2 °C beobachtet. Bei Hitzeereignissen sinkt der Lufttemperatureinfluss der versiegelten Flächen, es steigt jedoch der der Baumbedeckung.

In der Diskussion im Plenum wurde über den Parameter „Neighborhood“ diskutiert (wie quantifiziert?). Teilweise stimmen die Angaben im Text nicht zu den Abbildungen. Fraglich ist weiterhin die Wahl der Messzeiten, diese spiegeln nicht das Minimum und Maximum der Lufttemperatur wider, wie des Zeitraums, da letztendlich nur zwei Hitzetage verwendet werden konnten.

Diskutiertes Paper: COSEO,P., LARSEN, L., 2014: How factors of land use/land cover, building configuration, and adjacent heat sources and sinks explain Urban Heat Islands in Chicago. – Landscape and Urban Planning 125: 117-129.

Der Artikel „Stadtklima Teil 1: Grundzüge und Ursachen“ wurde von Wilhelm Kuttler verfasst und erschien 2004 in der Zeitschrift „Umweltwissenschaften und Schadstoffforschung“ (UWSF). Er gibt einen Überblick über die Stadtklimatologie, dessen geschichtliche Aspekte und stellt das Klima einer charakteristischen Großstadt in den mittleren Breiten dem herrschenden Klima im Umland gegenüber. Hierbei ist herauszuheben, dass der sensible Wärmestrom und die Wärmespeicherung im Untergrund und in Bauwerken die größten Effekte auf das Stadtklima haben. Dagegen kann die Veränderung der Strahlung in der Stadt vernachlässigt werden. Eine große Rolle im Stadtklima spielt auch der latente Wärmestrom, auf den der Autor aber nicht näher eingeht. Außerdem werden Erfassungsmethoden und die Ursachen des Stadtklimas erläutert. Dabei werden die Ursachen in makroskalige als auch in mikro- und mesoskalige Einflussgrößen unterteilt und es wird auf die thermischen und hydrologischen Eigenschaften von städtischen Oberflächen eingegangen. Hierbei ist festzuhalten, dass versiegelte Flächen die klimatischen Verhältnisse in der Stadt stark beeinflussen und dass Flächen mit verschiedenen Nutzungen sich unterschiedlich stark erwärmen und abkühlen.

Im Plenum diskutiert wurde der Tagesgang der Luft-, Asphaltoberflächen- und Bodentemperaturen in Wien und die Oberflächenstrahlungstemperatur verschiedener Flächennutzungen in Köln um 20 Uhr und um 3 Uhr. Den Teil des Artikels, der die Lufthygiene behandelt, haben wir im Plenum vernachlässigt, da es für unser Projekt nicht relevant ist und die Lufthygiene ein eigenes großes Forschungsfeld darstellt.

Diskutiertes Paper: KUTTLER, W., 2004: Stadtklima Teil 1: Grundzüge und Ursachen. – UWSF – Z Umweltchem Ökotox in der Beitragsserie Klimaänderung und Klimaschutz: 1-13.

Der Artikel „Urban ecosystem services assessment along a rural-urban gradient: A cross analysis of European cities“ von Neele Larondelle und Dagmar Haase wurde 2013 in der Fachzeitschrift „Ecological Indicators“ veröffentlicht. Es wird ein Bewertungsansatz für Ökosystemleistungen (ÖSL) in einem urbanen Kontext auf lokaler und regionaler Skala präsentiert, der auf die europäischen Städte Berlin, Stockholm, Helsinki und Salzburg angewandt wird. Die untersuchten ÖSL – lokale Klimaregulation, Luftkühlungspotential und Erholung – werden entlang eines Stadt-Land-Gradienten und über einen Zeitraum untersucht. Bei den verwendeten Daten handelt es sich um Nachschlagetabellen aus vorangegangenen Studien, deren Werte sich auf die Landnutzung beziehen. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem entworfenen Bewertungsansatz keine allgemeinen räumlichen Muster von ÖSL im urbanen Raum gefunden werden und dass Stadtzentren nicht unbedingt weniger ÖSL-Potential vorweisen können als ihr Umland. In der anschließenden Diskussion wurde darüber gesprochen, ob die Auswahl der Indikatoren ausreichend begründet wird und ob die Datenaggregation in der Analyse nachvollziehbar bzw. gültig ist. Das Spidergram wurde als übersichtliche Darstellungsmethode empfunden. Die Schlussfolgerungen des Artikels enthalten viele Allgemeinaussagen.

Diskutiertes Paper: LARONDELLE, N., HAASE, D., 2013: Urban ecosystem services assessment along a rural-urban gradient: A cross analysis of European cities. – Ecological Indicators 29: 179-190.

Die Studie „Assessing the current and future urban heat island of Brussels“ von Lauwaet et al. untersucht anhand von Simulationen die städtische Wärmeinsel (UHI) Brüssels für einen aktuellen und einen zukünftigen Zeitraum. Hierbei soll zudem die Wirkung verschiedener meteorologischer Parameter auf die Ausprägung der UHI Brüssels untersucht werden. Für die Simulationen nutzt man das Stadtklimamodell UrbClim und das regionale Klimamodell COSMO-CLM. Um die zukünftige Entwicklung der UHI Brüssels beurteilen zu können, werden die Daten eines globalen Klimamodells mit den zwei Modellen herunterskaliert. Für die Simulationen konzentriert sich die Studie auf die Nächte von Juni bis August, da sowohl die UHI-Intensität als auch die Wirkung auf den Menschen dann am größten sind. Die UHI-Intensität korreliert am stärksten mit der Inversionsstärke in den unteren 100 Metern der Atmosphäre. Aufgrund der Zunahme an langwelliger Einstrahlung ist zu erwarten, dass sich die UHI Brüssels in Zukunft nicht weiter verbreiten wird, da die langwellige Einstrahlung das Umland stärker erwärmt als die Stadt. Jedoch nimmt die Anzahl extremer Hitzeereignisse zu. Die Autoren halten fest, dass ihre Simulationen das Bevölkerungswachstum in Städten nicht berücksichtigen. Außerdem nutzen sie für die Simulationen lediglich zwei der vier RCP-Szenarien. Die Ergebnisse der Studie sollen aufzeigen, dass sich der potentielle Hitzestress der Bevölkerung wandelt und dass Adaptionsstrategien für Städte von Nöten sind.

In der Diskussion im Plenum ging es um Verständnisfragen, warum zwei Simulationsmodelle genutzt wurden und der Prozess des „Downscaling“ wurde näher erklärt.

Diskutiertes Paper: LAUWAET, D., DE RIDDER, K., SAEED, S., BRISSON, E., CHATTERJEE, F., VAN LIPZIG, N. P. M., MAIHEU, B., HOOYBERGHS, H., 2015: Assessing the current and future urban heat island of Brussels.– Urban Climate 15: 1-15.

Im Kontext des Klimawandels und des Phänomens der städtischen Wärmeinsel untersucht die Studie von Leconte et al. (2015) das Ausmaß des Effektes des Stadtgefüges auf das lokale Stadtklima in Nancy (Frankreich) mit Hilfe einer Klassifikation in „Local Climate Zones“ (LCZs). Es werden (1) die räumliche Verteilung der Lufttemperatur innerhalb einer LCZ, (2) der Zusammenhang zwischen urbanen Indikatoren und Merkmalen der Lufttemperatur sowie (3) die Lufttemperaturunterschiede zwischen verschiedenen LCZs analysiert.

Die Einteilung in LCZs erfolgt anhand der Morphologie und der Landnutzung sowie der Berechnung urbaner Indikatoren. Es werden mobile Messungen sowie stationäre Kontrollmessungen der Lufttemperatur durchgeführt. Die Herausforderungen bei der Einteilung in LCZs – inklusive der Verwendung von lediglich sieben von zehn urbanen Indikatoren – werden diskutiert sowie die Lufttemperaturunterschiede innerhalb einer und zwischen verschiedenen LCZs.

Die Autoren kommen zu dem Ergebnis, dass (1) die Lufttemperatur nachts zwischen 0,5 °C und 2 °C innerhalb einer städtisch geprägten LCZ variiert, (2) dass die mikroklimatischen Unterschiede den Zusammenhang zwischen der Stadtgebietsgestaltung und der Lufttemperatur in zwei Metern Höhe veranschaulichen; „Hot- und Coldspots“ stellen Abweichungen im Stadtgefüge dar und (3) dass die gemittelten Lufttemperaturen sich um weniger als 1°C in sich ähnelnden LCZs und um bis zu 4,4 °C in unähnlichen LCZs unterscheiden.

Die anschließende Diskussion im Plenum bezog sich auf Verständnisfragen zu den Abbildungen 7 und 9, einen Vergleich der Vorgehensweise bei der LCZ-Einteilung der Autoren und der in unserem Projekt sowie Grenzen von Klassifikationen.

Diskutiertes Paper: LECONTE, F., BOUYER, J., CLAVERIE, R., PÉTRISSANS, M. 2015: Using Local Climate Zone scheme for UHI assessment: Evaluation of the method using mobile measurements. – Building and Environment 83: 39-49.

STEWART (2010) setzt sich in „A systematic review and scientific critique of methodology in modern urban heat island literature“ mit den Schwachstellen der Methodik zur Ermittlung des UHI-Effektes auseinander. Ziel ist eine quantitative Auswertung der Methodik zur Bestimmung der UHI (Urban Heat Island) in primärer UHI-Literatur seit Beginn der stadtklimatologischen Forschung (1950). Es werden über 500 Studien untersucht, von denen 177 nach bestimmten Tauglichkeitskriterien für eine Methodenanalyse herangezogen werden. In einer Bewertungskaskade werden die Studien bezüglich ihrer Nachvollziehbarkeit und Aussagekraft eingeordnet. Ergebnisse zeigen unter anderem, dass fast 50 % der Studien mangelnde Evidenz für den UHI-Effekt aufweisen, dass das Konzept der UHI jedoch allgemein nachvollzogen wird. Grund für die mangelnde Evidenz sind unter anderem der Kontrollverlust über auf die Messung einwirkende Faktoren (Klima, Relief, Zeit) und mangelnde Verständlichkeit durch fehlende Informationen. Zuletzt werden Empfehlungen, das Reduzieren von Daten, Achtsamkeit bei Definitionen und Verweis auf standardisierte Leitlinien, ausgesprochen. In der Diskussion wird über Stewarts Empfehlungen und die allgemein gültigen Regeln zur Nachvollziehbarkeit von Studien gesprochen. Zudem wird festgestellt, dass sich die in der Studie dargestellte weltweite Verteilung der UHI-Forschung unilateral überwiegend auf den globalen Norden beschränkt.

Diskutiertes Paper: STEWART, I. D., 2010: A systematic review and scientific critique of methodology in modern urban heat island literature. – International Journal of Climatology 31: 200-217.

Stewart and Oke (2012) schlagen eine neue Klassifikationsmethode zur innerstädtischen Differenzierung des Stadtklimas vor. Mit Hilfe dieser Methode sollen Studien zur städtischen Wärmeinsel (eng. Urban Heat Island = UHI) in unterschiedlichen Regionen vergleichbar sein und den Austausch über das Stationsumfeld sowie die Auswahl von Standorten zukünftiger meteorologischer Stationen standardisieren. Die zugrunde liegende Strategie zum Aufbau der sog. „Local Climate Zones (LCZs)“ beginnt mit dem Formulieren von Prototypen aus zwei Eigenschaften: Oberflächenstruktur und Oberflächenbedeckung. Diese Prototypen wurden unter Beteiligung der Fachgemeinschaft, mittels Literaturrecherche und Erkenntnissen aus Fallstudien konkretisiert. Die Auswahl der Einflußgrößen orientiert sich an den Hauptursachen der städtischen Wärmeinsel (z.B. Himmelssichtfaktor, Verhältnis Gebäudehöhe zu Straßenbreite, Albedo etc.). Die resultierenden 17 LCZs werden mittels eigener Messdaten und Modellsimulation beispielhaft überprüft. Daraus ergeben sich für die Autoren Anwendungsempfehlungen für die Klassifikation in drei wesentlichen Schritten. Diskutiert werden hier auch Einflussfaktoren wie z.B. die Beachtung der Windrichtung bezüglich des Quellgebiets („footprint“) für einen Sensor (Fig. 5) und mögliche Anwendungsfelder (z.B. Bestimmung der UHI-Intensität). Die Autoren schlussfolgern, dass die von ihnen vorgeschlagene Klassifikationsmethode einfach, kostengünstig und auf jede Stadt bzw. Region angewendet werden kann. Somit bietet sie im Gegensatz zu vorher eine interpretierbare und vergleichbare Grundlage für Analysen der städtischen Wärmeinsel in verschiedenen Städten an. Die anschließende Diskussion im Plenum bezog sich auf Verständnisfragen zur Untersuchung von Tagesamplituden unterschiedlicher LCZs und der Übertragbarkeit der Klassifikationsmethode auf andere Städte.

Diskutiertes Paper: I.D. Stewart and T. R. Oke, 2012: Local Climate Zones for Urban Temperature Studies.– Bull. Amer. Meteor. Soc. 93: 1879-1900.

Die Studie „Cooling effects of wetlands in an urban region: The case of Beijing” von Sun et al. (2012) quantifiziert den Kühlungseffekt von Feuchtgebieten (Wetlands; Seen, Flüsse und Wasserspeicher) in der Metropolregion Peking. Ziel ist es, den Einfluss bisher wenig untersuchter Wetland-Eigenschaften auf die Kühlung zu bestimmen. Zunächst werden aus ASTER-Satellitenbildern Oberflächentemperaturen und Landnutzung (Vegetation, Wasserflächen und bebaute Fläche) abgeleitet und 15 Wetlands extrahiert, an denen die Untersuchungen vorgenommen werden. Um jedes Wetland werden im Abstand von 50 m GIS Buffer konstruiert, die dortige Durchschnittstemperatur anhand der LST-Daten errechnet und die Distanz-Temperatur-Kurven geplottet.

Der Kühlungseffekt (abhängige Variable) wird anhand von Reichweite der Kühlung (Wendepunktdistanz), Temperaturdifferenz und -gradient bemessen. Die untersuchten Wetlandeigenschaften (unabhängige Variablen) sind Entfernung zur Downtown, Größe und Form. Die Form wird anhand des Land Shape Index (LSI) berechnet, der das Verhältnis zwischen Umfang und Fläche angibt. In den Ergebnissen werden die Korrelationen zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen untersucht. Es zeigt sich, dass eine negative Korrelation zwischen LSI und Kühlungseffekt sowie zwischen Downtown-Distanz und Kühlungseffekt besteht. Folglich haben Wetlands mit kompakter Form und Nähe zur Downtown den größten Kühlungseffekt.

Im Plenum wurden die Fehlerquellen der Methode, der Einfluss der Landnutzung auf die Temperaturdifferenz und die Anwendbarkeit für die Planung im urbanen Raum (am Beispiel von Parks) diskutiert.

Diskutiertes Paper: SUN, R., CHEN, A., CHEN,L. LÜ, Y. , 2012: Cooling effects of wetlands in an urban region: The case of Beijing.– Ecological Indicators 20: 57-64.

Die Studie „A study of the thermal performance of reflective coatings for the urban environment” von Synnefa et al. setzt sich mit den verschiedenen thermischen Eigenschaften von im städtischen Umfeld häufig verwendeten Oberflächenmaterialien auseinander. Sie wurde 2005 im Fachmagazin Solar Energy veröffentlicht. Ziel ist es, die Eigenschaften verschiedener Materialien in Bezug auf ihre Albedo und der langwelligen Ausstrahlung zu vergleichen, um besonders kühlende Materialien festzumachen. Kühle Materialien, die sich durch eine hohe Albedo tagsüber und ein hohes langwelliges Emissionsvermögen bei Nacht auszeichnen, können in Städten zur Kühlung von Oberflächen- und Umgebungstemperaturen beitragen und somit der städtischen Wärmeinsel entgegenwirken. Insgesamt wurden die Eigenschaften von 14 Materialien in einem Zeitraum von August bis Oktober 2004 auf 24-Stunden-Basis gemessen. Zusätzlich wurde der Effekt von Verwitterung mit in die Studie einbezogen. Nach Synnefa et al. sind es vor allem weiße Oberflächen mit einer hohen Albedo, einem hohen langwelligen Emissionsvermögen und einer hohen Verwitterungsresistenz, die zum kühlenden Effekt beitragen können. Weiße Beschichtungen einer Betonplatte können die Oberflächentemperaturen unter heißen Sommerbedingungen um 4°C tagsüber und um 2°C nachts senken. Aluminium-pigmentierte, graue Beschichten hingegen können zu erhöhten Oberflächen- und Umgebungstemperaturen führen.

Im Plenum wurden in der anschließenden Diskussion noch einmal die Faktoren der Strahlungsbilanz wiederholt und die teils unklare Begriffsverwendung des Artikels wurde geklärt. Außerdem wurde über den Effekt von Verwitterung von Oberflächen gesprochen.

Diskutiertes Paper: SYNNEFA, A., SANTAMOURIS, M., LIVADA, I., 2005: A study of the thermal performance of reflective coatings for the urban environment. – Solar Energy 81: 488-497.

Der Artikel „Evaluating urban expansion and land use change in Shijiazhuang, China, by using GIS and remote sensing“ von J. Xiao et al. erschien im Februar 2006 in „Landscape and Urban Planning“. Er beschäftigt sich im Wesentlichen mit der räumlichen Erfassung urbanen Wachstums und den damit einhergehenden Veränderungen der Landnutzung der nordchinesischen Stadt Shijiazhuang, Hauptstadt der Provinz Herbei. Ziel der Arbeit soll sein, die zeitlich und räumlich charakteristischen Ursachen für die Urbanisierung der Stadt für den Zeitraum 1938 – 2001 aufzuzeigen, sowie gegebene Landbedeckungen und Landnutzungswechsel zwischen 1983 und 2001 festzustellen und zu analysieren. Die Autoren teilen die Urbanisierung der Stadt Shijiazhuang in vier verschiedene Wachstumsphasen mit unterschiedlicher Urbanisierungsintensität ein, die wesentlich historisch und politisch-ökonomisch begründet werden. Mittels eines selbst entwickelten Indikators „Annual Urban Growth Rate“ und diversen in GIS digitalisierten Stadtkarten verschiedener Zeiträume werden für die einzelnen Wachstumsphasen der Stadt die Urbanisierungsintensitäten graphisch dargestellt. Anhand eines überwachten 9-Klassen-Klassifikationssystems (Maximum Likelihood) wurde die Landbedeckung der Stadt für 1981 und 2001 dargestellt, verglichen und es wurde aufgezeigt, welche Landnutzungen über die letzten Jahre an Zuwachs gewonnen und welche sich verringert haben. Abschließend wurden Zusammenhänge zwischen Urbanisierung und u. a. Bevölkerungswachstum, Infrastruktur und Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs untersucht.

Innerhalb der Diskussion im Plenum wurde sich sehr kritisch mit den graphischen Darstellungen und Tabellen, die im Artikel verwendet wurden, auseinandergesetzt, da diese aufgrund von mangelnder Beschreibung teilweise unverständlich blieben. Beispielsweise ist hier die nicht einheitliche Verwendung von Einheiten/Skalierungen innerhalb gleicher Graphiken und die fehlende Beschreibung der neun Klassen des Klassifikationssystems zu nennen. Darüber hinaus wurde kritisiert, dass sich ausschließlich mit dem Zuwachs der Stadt aus ländliche Bereichen, nicht aber mit der Urbanisierung der bereits vorhandenen Stadt beschäftigt wurde.

Diskutiertes Paper: XIAOA, J., SHENB, Y., GEC, J TATEISHIA, R., TANGA, C., LIANGD, Y., HUANG, Z., 2005: Evaluating urban expansion and land use change in Shijiazhuang, China, by using GIS and remote sensing. – Landscape and Urban Planning 75: 69-80.