Die Stadtklimatologie hat ihre Anfänge in der Zeit des Engländers Luke Howard, der als erster Wissenschaftler im Jahr 1833 Daten über die Lufttemperatur aus einer Stadtwetterstation und einer Umlandwetterstation mit dem Phänomen der urbanen Wärmeinsel in Verbindung brachte. Trotz des geringen weltweiten Anteils an urbanen Flächen, nimmt die Bedeutung des Stadtklimas insbesondere in Bezug auf das Humanbioklima stetig zu (MATZARAKIS 2001: 1). Das Humanbioklima ist dabei der Fachbereich, der sich mit den Auswirkungen von Wetter, Witterung, Klima und auch Luftqualität auf den Menschen beschäftigt. Die planungsbezogene Analyse der Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen der atmosphärischen Umwelt und dem Wohlbefinden beziehungsweise der Gesundheit des Menschen bezieht sich jedoch meist auf den thermischen Wirkungskomplex, der Einflüsse durch die kurz- und langwellige Strahlung, die Lufttemperatur und auch den Wind mit sich bringt (MAYER 1997: 72). So kann sogar im gemäßigten Klima Mit-teleuropas ein Zusammenhang zwischen der thermischen Behaglichkeit und der thermischen Belastung eines Menschen bestehen. Bei extremen Bedingungen kann demnach eine gesundheitliche Belastung durch Hitze- und auch Kältestress nachgewiesen werden (Endlicher 2012: 73). Diese verschiedenen Wirkungen können unter anderem humanbioklimatisch bewertet werden. Zunächst muss jedoch eine Abgrenzung zwischen den Begriffen Wetter, Witterung und Klima vorgenommen werden. Dabei bezeichnet der Begriff Wetter im Allgemeinen den physikalischen Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem auch kürzeren Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet (Deutscher Wetterdienst 2013). Die Witterung ist hingegen der allgemeine, durchschnittliche oder auch vorherrschende Charakter des Wetterablaufs eines bestimmten Zeitraums (von einigen Tagen bis zu ganzen Jahreszeiten) (ebd.). Der Begriff Klima wird wiederum verwendet um eine Zusammenfassung von Wetterscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem mehr oder weniger großen Gebiet zu charakterisieren (ebd.). Der Zweck einer humanbioklimatischen Bewertung liegt in einer wirkungsbezogenen Beurteilung des klimatischen IST-Zustandes und des zu erwartenden klimatischen Zustandes in Folge von Planungen in einem bestimmten Gebiet. Um eine solche Bewertung des Humanbioklimas vorzunehmen wird häufig der Predicted Mean Vote (PMV) genutzt. Dieser gibt den Grad der Behaglichkeit bzw. Unbehaglichkeit an und gibt die subjektive Beurteilung einer größeren Personengruppe wieder (Ministerium für Verkehr und Infrastruktur 2012). Durch eine differenzierte Berechnung nach FANGER (1972) lässt sich der PMV ermitteln. Es fließen die Größen Strahlungstemperatur, Luftfeuchte, relative Windgeschwindigkeit, sowie Wärmeproduktion und Eigenbewegung des Menschen ein. Der PMV ist eine psycho-physische Messeinheit (Horbert 2000).

Im Juli 2001 wurde ein Bericht über „Die thermische Komponente des Stadtklimas“ veröffentlicht. Der Anlass für diesen wissenschaftlichen Bericht war die Erkenntnis darüber, dass die weltweite Bevölkerung in den letzten Jahrzehnten und auch in Zukunft, vor allem in Ballungsgebieten, stetig ansteigen wird. Mit diesem Bevölkerungswachstum geht eine stärkere Urbanisierung von Landflächen, so wie eine Ausprägung eines zusätzlichen Treibhauseffektes in den Städten einher (MATZARAKIS 2001: VII). Das primäre Ziel des Berichtes und dem damit zusammenhängenden Methoden ist eine anwendungsorientierte Analyse von Zuständen und Prozessen, die eine Charakterisierung der thermischen Komponente des Stadtklimas in unterschiedliche räumlich-zeitlichen Ebenen ermöglicht (ebd). Demnach soll eine nachhaltige Beeinflussung von zukünftigen Planungen erreicht werden. In den im Folgenden vorgestellten Beispielen der humanbioklimatischen Bewertung und Simulationen von Kenngrößen der thermischen Komponente des Stadtklimas, handelt es sich um Teile eines Gemeindegebietes oder um punktuelle Standorte. Dabei liegen die Maßstäbe zwischen 1:2.500 und 1:1000.

Um die unterschiedlichen thermischen Komponenten des Stadtklimas zu ermitteln gibt es verschiedene Methoden. Zur Untersuchung der mittleren Strahlungstemperatur wurde bisher eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Messgeräten genutzt. Das sind zum einen ein Pyranometer (Messung der kurzwelligen Strahlungsflüsse) und zum anderen ein Pyrgeometer (Messung der langwelligen Strahlungsflüsse) (MATZARAKIS 2001: 4). Teilweise ist diese Methode jedoch veraltet und für zukünftige humanbioklimatische Bewertungen von planungsbedingten Änderungen nicht ausreichend. Aus diesem Grund wurde das Simulationsprogramm RayMan entwickelt. Durch die Simulation von kurzwelliger und langwelliger Strah-lung können humanbioklimatisch relevante Größen wie die physiologisch äquivalente Temperatur (PET) und der PMV berechnet werden. Als Grundlage müssen jedoch allgemeine Informationen wie das Datum, die Zeit, die geographische Lage, die Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, der Bedeckungsgrad des Himmels, die Lufttrübung und die Albedo bekannt sein (MATZARAKIS 2001: 212). Bei der Berechnung von verschiedenen humanbioklimatisch relevanten Größen innerhalb von urbanen Strukturen tritt Häufig ein Problem bei der Bestimmung der Abschirmung von direkter Sonnenstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung durch Relief, Bebauung und Vegetation, also bei der Ermittlung des Sky View Factors (SVF) auf (MATZARAKIS 2001: 214). Der SVF ist der Anteil des Himmels, der trotz einer Bebauung von einem bestimmten Punkt gesehen werden kann (ERELL, PEARLMUTTER, WILLIAMSON 2011: 20). Für die Lösung dieses Problems weist RayMan eini-ge Eingabefenster für zusätzliche Daten auf. Dazu zählt unter anderem die Möglichkeit Fish-Eye Aufnahmen, die mit Hilfe eines speziellen Kameraobjektivs aufgenommen werden, einzulesen. Diese Aufnahmen ermöglichen einen extremen Bildwinkel von bis zu 270° – 310°. Zusätzlich bietet RayMan die Möglichkeit eines Fensters zur Dateneingabe von Horizonteinengungsobjekten (MATZARAKIS 2001: 214). Bei einem abschließenden Vergleich zwischen den Simulationsergebnissen aus RayMan und bereits vorliegenden Messergebnissen konnten keine gravierenden Unterschiede festgestellt werden, was für die Simulationsgenauigkeit der Methode spricht (MATZARAKIS 2001: XII).

Humanbioklimatische Bewertungen können auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden. Dabei können neben Diagrammen und Tabellen auch Bioklimakarten entstehen.

Beispiel Stuttgart
Solche Bioklimakarten hat die Universität Freiburg bereits für die Städte Berlin, Oberhausen, Karlsruhe, Stuttgart und Freiburg erstellt (MATZARAKIS 2001: 154). Die Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Bioklimakarte auf der die mittlere jährliche Anzahl der Tage mit Wärmebelastung in der Stadt Stuttgart dargestellt ist. Diese Karte wurde im Jahr 1992 vom Deutschen Wetterdienst auf der Grundlage des Modells UBIKLIM und dem PMV erstellt. Auf der rechten Seite befindet sich eine Legende auf der die dunkelblaue Farbfläche für die Gebiete mit der geringsten Anzahl an wärmebelasteten Tagen (1 Tag) und die pinke Farbfläche für die Gebiete mit der höchsten Anzahl an wärmebelasteten Tagen (30 Tage) steht. Zusätzlich ist das Gebiet „Stuttgart 21“ durch eine weiße Linie abgegrenzt (ebd.).


Abb. 1: mittlere jährliche Anzahl der Tage mit Wärmebelastung in Stuttgart (30 jähriges Mittel), weiß umrandet: Planungsgebiet für Stuttgart 21(MATZARAKIS 2001: 155).

Ein weiteres Beispiel einer Bioklimakarte ist in der Abbildung 2 dargestellt. Die Karte bildet die „[…]thermophysiologisch relevanten Auswirkungen des Planzustandes 1 (niedere Hochhausvari-ante)[…] (MATZARAKIS 2001: 155) in einem Ausschnitt des Planungsgebietes „Stuttgart 21“ ab. Die Grundlage dafür war das mikroskalige Modell MISKLAM, mit dem für eine bestimmte Wettersituation die Lufttemperatur, der Dampfdruck, die Windgeschwindigkeit und die Strahlungsflüsse in Bodennähe simuliert werden konnten. Mit den dabei erhaltenden Daten war es möglich die PET in einem Abstand von 1.5 m über dem Grund zu berechnen und anschließend grafisch in einer Karte darzustellen (MATZARAKIS 2001: 155).


Abb. 2: Verteilung der Physiologisch Äquivalenten Temperatur (PET) in 1.5 m über dem Grund um 15 Uhr MEZ an einem typischen Strahlungstag im Sommer im Gebiet Stuttgart 21(MATZARAKIS 2001: 156).

Beispiel München
Eine weitere Möglichkeit einer humanbioklimatischen Bewertung sind Fallstudien. Eine solche Fallstudie wurde am 22. August 1998 neben Stuttgart auch in München vorgenommen. Dafür wurden vier unterschiedliche Standpunkte im Norden der Stadt ausgewählt. Diese Standorte waren ein Innenhof, sowie ein Bürgersteig (Südseite) in der Schellingstraße und zwei Bürgersteige in der Ludwigstraße, die sowohl zur Westseite, als auch zur Ostseite ausgerichtet sind (MATZARAKIS 2001:166). In der Fallstudie wurde unter anderem die kurzwellige Strahlung (G) in einem festgelegtem Zeitfenster ermittelt. Dieses Zeitfenster erstreckt sich von ca. 6:00 Uhr morgens bis 20:00 Uhr abends nach Mitteleuropäischer Zeit. Bei der Ermittlung der kurzwelligen Strahlung im Innenhof in der Schellingstraße, konnte beobachtet werden, dass der höchste Wert 123 W/m² um 13 Uhr gemessen wurde (MATZARAKIS 2001:166). Bei der Berücksichtigung des SVF, lässt sich für dieses Ergebnis eine Erklärung finden. Die Sonne erreicht um ca. 12 Uhr ihren Zenit und müsste demnach um diese Zeit den Höchstwert der kurzwelligen Strahlung im Innenhof erreichen. Aufgrund von hohen Gebäuden, die den Innenhof umgeben, scheint die Sonne erst eine Stunde später direkt in den Hof hinein. Über den gesamten Betrachtungsraum wurden auch Mittelwerte für den niedrigsten und höchsten Wert der kurzwelligen Strahlung ermittelt. So wurde der niedrigste Mittelwert im Innenhof, mit 123 W/m² festgehalten. Der höchste Mittelwert lag dagegen am westlichen Bürgersteig bei 268 W/m² (MATZARAKIS 2001: 166).


Abb. 3: Tagesverlauf der kurzwelligen Strahlung (G) an einem Tag im August für verschiedene Standorte in München (MATZARAKIS 2001: 175).

Neben der kurzwelligen Strahlung G wurden auch Messungen vorgenommen um die langwellige Strahlung A zu ermitteln. Bei der Betrachtung des Auswertungsdiagrammes fällt in erster Linie auf, dass die Werte der langwelligen Strahlung im Gegensatz zu den Werten der kurzwelligen Strahlung im gesamten Tagesverlauf wesentlich ausgeglichener sind. Die gemittelten Werte weisen daher auch eine geringere Differenz auf. So liegt der höchste Mittelwert beim westlichen Bürgersteig bei 364 W/m². Der niedrigste Mittelwert liegt im Innenhof bei 361 W/m² (MATZARAKIS 2001: 166).


Abb. 4: Tagesverlauf der langwelligen Strahlung (A) an einem Tag in August für verschiedene Standorte in München (MATZARAKIS 2001: 176).

Zusammengefasst kann bei der kurzwelligen Strahlung (G) eine Differenz von 145 W/m² und bei der langwelligen Strahlung (A) eine Differenz von 3 W/m² festgehalten werden (MATZARAKIS 2001: 168). Neben der kurzwelligen und langwelligen Strahlung können in solchen Fallstudien auch andere Größen gemessen und auf diese Weise dargestellt werden. Mit der Hilfe solcher Diagramme ist es möglich verschiedenste Zusammenhänge anschaulich darzustellen. Ein Beispiel dafür ist der Zu-sammenhang zwischen der kurzwelligen Strahlung G und der mittleren Strahlungstemperatur Tmrt (ebd).

Die angesprochenen Methoden spielen vor allem für Landschaftsplaner und auch Landschaftsarchitekten eine wesentliche Rolle. Die Weltbevölkerung wird auch in Zukunft vermutlich immer rasanter ansteigen. Mit der damit einhergehenden Urbanisierung von Landflächen kommt es ebenfalls zu stärkeren Versiegelung und anderen Problemen. Dadurch stehen Landschaftsplaner und –architekten vor immer neuen Herausforderungen in einzelnen Planungsschritten. Das Simulationsprogramm und andere Methoden bieten dabei eine gute Möglichkeit um aufkommende Probleme in Bezug auf Gebäude, Gehwege und Bepflanzung als thermische Schnittstellen bei einem stetigem Anstieg der innerstädtischen Temperaturen zu veranschaulichen und zu lösen (MCPHERSON: 152). Spezifischere Vorteile von RayMan sind unter anderem die konkrete Unterscheidung zwischen der diffusen Himmelstrahlung und direkter Sonnenstrahlung. Ebenso wie die schnelle Verfügbarkeit durch einen kostenlosen Internetdownload und eine einfache Handhabung. Zusätzlich kann festgestellt werden, dass die unterschiedlichen Methoden zur Bewertung des Humanbioklimas relativ einfache und schnelle Möglichkeiten darstellen um repräsentative Momentaufnahmen thermischer Gegebenheiten entsprechender Lokalitäten aufzuweisen. Vor allem mit Simulationsprogrammen wie RayMan ergeben sich viele Möglichkeiten der Erkundung, Annäherung und auch Analyse unterschiedlicher Daten (GOYETTE-PERNOT, COMPAGNON 2008: 4). Der Vorteil einer Fallstudie in Form von Intensivmessungen ausgewählter Oberflächen in der Stadt liegt in der Berücksichtigung von aktuellen vorliegenden Eingangsgrößen. Im Beispiel von München wurden dabei Oberflächen ausgewählt die in alle Himmelsrichtung ausgerichtet sind um so einen größtmöglichen Umfang an Daten für unterschiedliche Gegebenheiten abzudecken. So zum Beispiel den Einfluss der Sonneneinstrahlung zu verschiedenen Zeiten (MATZARAKIS 2001: 156). Die vorgestellten Methoden haben neben ihren Vorteilen für eine nachhaltige Planung jedoch auch wesentliche Nachteile. So weist das Simulationsprogramm aktuell einige Lücken in der Entwicklung auf (MATZARAKIS, RUTZ, MAYER 2009: 7). Ein Beispiel ist die fehlende Berücksichtigung von relevanten Reflexionsprozessen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass RayMan lediglich punktuelle Ergebnisse liefern kann und somit keine flächendeckenden Aussagen trifft. Der Nachteil der punktuellen Ergebnisse kann ebenfalls auf die Methode der Fallstudien übertragen werden (MATZARAKIS 2001: 217). Zusätzlich muss die Möglichkeit der Übertragbarkeit der gewonnen Informationen und Daten auf andere Fragestellungen und Gegebenheiten überprüft werden. Generell ist diese Übertragbarkeit der Daten kritisch zu betrachten. Gerade bei den, durch das Simulationsprogramm RayMan entstandenen Daten, handelt es sich lediglich um Aussagen über punktuelle, sehr individuelle Stand-orte, die im Vergleich zu Bioklimakarten keine größere Fläche abdecken. Somit kann man die Ergebnisse nur auf einen ganz speziellen Punkt anwenden. Aufgrund der individuellen Eingabemöglichkeiten des Programms können für jeden beliebigen Standpunkt in kurzer Zeit neue Daten simuliert werden. Bioklimakarten treffen jedoch Aussagen über bestimmte Flächen, wie zum Beispiel die Stadt Stuttgart und können demnach vielfältig genutzt und übertragen werden. Die Messergebnisse des Beispiel Münchens sind ähnlich wie bei RayMan nur sehr begrenzt übertragbar. Es wurden vier unterschiedliche Messpunkte ausgewählt, die unter annähernd gleichen klimatischen und auch lokalen (Ausrichtung etc.) Bedingungen auch auf andere Fälle übertragbar wären.

Resümierend kann festgestellt werden dass trotz der Fülle an Untersuchungen, Bewertungen und Analysen der thermischen Komponente des Stadtklimas weiterhin Forschungs- und Entwicklungsdefizite bestehen. Die Gründe dafür liegen unter anderem in der Entwicklung vom globalen und auch regionalen Klima, sowie stetige Landnutzungsänderungen im Zusammenhang mit der wach-senden Urbanisierung von Landflächen, einschließlich der damit zusammenhängenden energetischen Konsequenzen, besonders für das städtische Klima. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Intensität und auch die Folgen der städtischen Wärmeinsel zukünftig die aktuelle Relevanz um ein vielfaches übersteigen wird. Für den heutigen Stand bilden die vorgestellten Methoden jedoch eine solide Grundlage, um aufkommende Probleme in Bezug auf Gebäude, Gehwege und Bepflanzung als thermische Schnittstellen bei einem stetigem Anstieg der innerstädtischen Temperaturen zu veranschaulichen und zu lösen, auf der weiter aufgebaut werden kann.

DEUTSCHER WETTERDIENST (DWD), 2014: Wetterlexikon. Wetter. Online im Internet: URL: http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index.htm?ID=W&DAT=Wetter [Stand 13.02.2014].

ENDLICHER, W., 2012: Einführung in die Stadtökologie. Eugen Ulmer: Stuttgart, 272 S.

GOYETTE-PERNOT, J., COMPAGNON, R., 2008: Outdoor Comfort in open spaces: proposal for a quick evaluation method. University of Applied Sciences of Western Switzerland: Fribourg, 4 S.

HORBERT, M., 2000: Klimatologische Aspekte der Stadt- und Landschaftsplanung. Schriftenreihe im Fachbereich Umwelt und Gesellschaft der TU Berlin, Nr. 113.

MATZARAKIS, A., 2001: Die thermische Komponente des Stadtklimas. Meteorologisches Institut der Universität Freiburg: Freiburg, 267 S. Online im Internet: URL: http://www.meteo.uni-freiburg.de/forschung/publikationen/berichte/report6.pdf [Stand 08.02.2014].

MATZARAKIS, A., RUTZ, F., MAYER, H., 2009: Modelling radiation fluxes in simple and complex environments: basics of the RayMan model. ISB, 9 S.

MAYER, H., 1997: Umweltmeteorologie. KRdL im VDI und DIN: Düsseldorf, 139 S.

MINISTERIUM FÜR VERKEHR UND INFRASTRUKTUR BADEN-WÜRTTEMBERG (2012) Städtebauliche Klimafibel

SCHÖNWIESE, C. D., 2013: Klimatologie. Ulmer: Düsseldorf, 489 S.