Hypothese 1: Die mittlere Lufttemperatur ist auf der Südseite MP6 des Gebäudes höher als auf der Nordseite MP2.

ausgearbeitet von Anjes Bloch, Tina Christmann, Luisa Rau

Die hier behandelte Hypothese lautet: Die mittlere Lufttemperatur ist auf der Südseite des Gebäudes, Messpunkt 6 (MP6), höher als auf der Nordseite, Messpunkt 2 (MP2). Hier wird auf die Annahme eingegangen, dass die Südseite länger sonnenexponiert ist als die Nordseite, da diese über eine längere Zeit vom Architekturgebäude überschattet wird, und somit eine höhere mittlere Lufttemperatur aufweist.

Zur Ermittlung der mittleren Lufttemperatur werden die Parameter Globalstrahlung (W/m²) und Lufttemperatur (°C) herangezogen, sowie zur Diskussion die Windgeschwindigkeit. Da die Datenerfassung an den Standorten MP6 und MP2 mit einer mobilen Wetterstation (HuMVe) erfolgte, sind die Messzeitpunkte zeitlich versetzt.
Die vom 24.11.2015 zwischen 8:45 Uhr – 15:15 Uhr stündlich gemessenen Daten der zwei Standorte wurden mit R-Studio einerseits herausgeschnitten und zu einem Mittelwert mean(x) (s. Tabelle 1) verarbeitet, andererseits interpoliert approx(x) um einen graphischen Tagesgang von Lufttemperatur und Globalstrahlung zu plotten plot(x).
In Abbildung 1 werden die ermittelten Werte der Lufttemperatur an den Standorten MP6 und MP2 und in Abbildung 2 die Differenz der Lufttemperaturen (DT = T_MP6-T_MP2) der Standorte dargestellt.
Wir analysieren die Globalstrahlung (s. Abbildung 3) aufgrund der Annahme, dass die Südseite MP6 sonnenexponierter ist als MP2. Des Weiteren befindet sich MP6, im Gegensatz zu MP2, am Rande des Ernst-Reuter-Platzes, einer großen innerstädtischen offenen Fläche, in Hauptwindrichtung, was zu der Vermutung führt, dass die Lufttemperatur hier durch den Wind beeinflusst wird. MP2 liegt im Hof eines Gebäudekomplexes, gemessen wurde etwa 1-2 m von der Wand des Architekturgebäudes entfernt. Wie schon von OKE (1973) untersucht, korreliert die Windgeschwindigkeit mit der Lufttemperatur und der UHI. Aus diesem Grund ziehen wir für unsere Analysen die Windgeschwindigkeit (s. Abbildung 4) hinzu.
Eine Bestimmung der Korrelationen cor(x) zwischen Globalstrahlung und Lufttemperatur, sowie zwischen Wind und Lufttemperatur, soll Aussagen zu den Abhängigkeiten der Klimaelemente zueinander ermöglichen. Die Messung wird anhand des Messkonzeptes näher erläutert.

Die Lufttemperatur (s. Abbildung 1) steigt im Tagesverlauf von 8:45 – 15:15 Uhr an beiden Messpunkten stetig an. Bis 11:30 Uhr ist die Lufttemperatur der Nordseite (MP2) um 0,1-0,2 K höher als an MP6. Dabei erreicht die Lufttemperatur an der Südseite (MP6) das Maximum um 12:00 Uhr bei 3,8 °C. Versetzt wird bei der Nordseite (MP2) bei 3,6 °C um 14:30 Uhr ein Maximum erreicht. Bis 11:30 Uhr ist die Lufttemperatur an MP6 entgegen der Hypothese, um 0,28 K niedriger als an MP2 (s. Abbildung 2). Erst dann überschreitet MP6 die Lufttemperatur von MP2. Jedoch liegt der Tagesmittelwert (s. Tabelle 1) der Südseite MP6 mit 2,9 °C um 0,4 K höher als jener der Nordseite.
Die Kurven zur Globalstrahlung von MP6 und MP2 (s. Abbildung 3) weisen sowohl Gemeinsamkeiten, als auch Unterschiede auf. In beiden steigt die Globalstrahlung bis um die Mittagszeit an und sinkt anschließend wieder. Am MP6 steigt sie bis 11:20 Uhr auf 201.07 W/m² an und fällt im restlichen Tagesverlauf. Bei MP2 ist die Globalstrahlung mit Tiefstwerten von 14 W/m² und Höchstwerten von 40 W/m² konstanter und durchschnittlich um 45 W/m² niedriger als am MP6. Es fällt auf, dass die Lufttemperatur bei beiden Messpunkten ein bis zwei Stunden nach dem Höchstwert der Globalstrahlung ihr Maximum erreicht.
Die Windgeschwindigkeit ist am MP2 mit 0,9 m/s geringer als am MP6 mit 1,38 m/s. Zudem sind Amplitude und Höchstwert am MP6 größer als am MP2.

Lufttemperatur und Globalstrahlung sind am MP6, wie in den Ergebnissen dargestellt, im Tagesmittel höher als beim MP2. Die Hypothese für den Tagesmittelwert der Lufttemperatur ist hiermit bestätigt, jedoch nicht für die stündlichen Mittelwerte.
Bis 11:30 Uhr ist es am MP6 entgegen der Hypothese um 0,1-0,2 K kälter als am MP2. Die Ursachen dieser Unstimmigkeit sollen im Folgenden diskutiert werden.
Obwohl am MP6, welcher sonnenexponierter ist, bis 11:30 Uhr die Globalstrahlung mehr als doppelt so hoch ist, als am MP2, ist die Lufttemperatur niedriger. Eine aussagekräftige Korrelation zwischen Lufttemperatur und Globalstrahlung, die die erhöhte Lufttemperatur vom MP2 erklären könnte, besteht nicht. Für MP6 beträgt sie -0,33 (R²=0,11) und für MP2 0,5 (R²=0,25).
Es muss somit nach weiteren Parametern geforscht werden, die einen Einfluss auf die Lufttemperatur haben. Für die Windgeschwindigkeit liegt die Korrelation mit der Lufttemperatur für MP2 bei 0,45 (R²=0,2) und bei MP6 bei -0,29 (R²=0,08). Der Einbruch der Windgeschwindigkeit bei MP6 um 10 Uhr, erscheint nicht logisch. Hier könnte ein Messfehler unterlaufen sein. Bis auf diesen Ausreißer ist die Windgeschwindigkeit vom MP6 konstant höher als vom MP2, womit die geringere Temperatur bis 11:30 Uhr erklärbar wäre.
Für Wind und Globalstrahlung ergibt sich kein eindeutiges Korrelationsmuster zur Lufttemperatur. Ein weiterer Faktor ist die anthropogene Abwärme, die vom Architekturgebäude abgegeben wird und zu einer Erhöhung der Lufttemperatur vom MP2 im Zeitraum bis 11:30 Uhr geführt haben kann. Diese wurde im Rahmen der Feldstudie jedoch nicht gemessen.
Die Temperaturdifferenz von 0,1-0,2 K liegt innerhalb der Messungenauigkeit des Temperaturfühlers CS215 von 0,9 °C und ist somit nicht aussagekräftig (weitere technische Daten finden sich im Codebook zur Messung am 24.11.15).
Weiterhin kommt es durch die fehlende kontinuierliche Messung zu einem Zeitversatz an den Messpunkten. Da am MP2 früher als am MP6 im Verlauf des Rundgangs gemessen wurde, sind keine vergleichbaren Messzeitpunkte vorhanden. In den Auswertungen wurde ein Zeitversatz von 40 Minuten hingenommen. Darüber hinaus lagen zum Zeitpunkt der Messung keine autochthonen Bedingungen vor. Bewölkung kann sich stark auf die Messergebnisse ausgewirkt haben.

Die mittlere Lufttemperatur an der Südseite ist um 0,4 K höher als an der Nordseite. Somit ist unsere Hypothese bestätigt, die Differenz ist jedoch gering. Höhere Globalstrahlung führt an der Südseite zu höheren Absolut- und Mittelwerten, während hohe Windgeschwindigkeiten zu Turbulenz und an der offenen Südseite zeitweilig zu geringeren Temperaturen führen. Es hat sich gezeigt, dass unter nicht autochthonen Wetterlagen nur geringe Lufttemperaturdifferenzen zwischen den Messpunkten bestehen. Für städtische Klimaanalysen sollte darauf geachtet werden, dass geringe Bewölkung und geringe Windgeschwindigkeiten herrschen, um den Einfluss von Exposition auf die Lufttemperatur zu untersuchen. Für weitere Untersuchungen wäre es interessant, inwieweit die Oberflächeneigenschaften der betrachteten Messpunkte die Lufttemperatur beeinflussen.

Abbildung 1 – Verlauf der Lufttemperatur (in 150cm) von 9 bis 15Uhr, rot= MP6 (Südseite), blau= MP2 (Nordseite) (eigene Darstellung).

Abbildung 2 – Temperaturdifferenz MP6 (Südseite) – MP2 (Nordseite) (eigene Darstellung).

Abbildung 3 – Verlauf der Globalstrahlung von 9 bis 15Uhr, rot= MP6 (Südseite), blau= MP2 (Nordseite) (eigene Darstellung).

Abbildung 4 – Verlauf der Windgeschwindigkeit von 9 bis 15Uhr, rot= MP6 (Südseite), blau= MP2 (Nordseite) (eigene Darstellung).

Tabelle 1 – Durchschnittswerte der Messstationen (eigene Darstellung).

OKE, T.R., 1973: City size and the urban heat island. – Athmospheric Environment Pergamon Press Vol. 7: 769–779.