Trendanalyse der städtischen Wärmeinsel in den USA am Beispiel Louisville

ausgearbeitet von Tina Christmann

Über 50 % der Weltbevölkerung lebt mittlerweile in Städten, in denen aufgrund der hohen Versiegelungsdichte, des Vegetationsmangels und der Bebauung ein im Vergleich zum Umland modifiziertes Mikro- und Mesoklima geschaffen wird (HUPFER & KUTTLER 2006). Es entsteht eine städtische Wärmeinsel (engl. Urban heat island = UHI), die als Lufttemperaturdifferenz von Stadt zu Umland definiert ist (OKE 1973).
Charakteristisch sind im Winterhalbjahr eine Verminderung kalter Tage, Frost- und Heiztage verglichen zum Umland und im Sommer eine Erhöhung warmer, heißer und Sommertage (HUPFER & KUTTLER 2006). Dieser Umstand führt in Kombination mit stetigen städtischen Bevölkerungsanstiegen zu einer thermischen Belastung für die Menschen, dem Hitzestress. Im Sommer 2003 starben durch die europaweite Hitzewelle über 70,000 Menschen (SPIEGEL ONLINE 2007).
Sofern Lufttemperaturdaten aus ruralen und urbanen Stationen vergangener Dekaden verfügbar sind, können die Entwicklung der UHI und eine eventuelle Gefährdung einer Stadt über die Analyse von Temperaturtrends abgeschätzt werden. ZHOU et al. (2015) analysieren UHI-Trends für 32 chinesische Städte für 2003–2012 anhand der Oberflächentemperaturen, betrachten die räumliche und zeitliche Variabilität und berücksichtigen dabei die Intensität der urbanen Entwicklung.
STONE (2007) untersucht Temperaturveränderungen und Temperaturtrends von 50 der dicht besiedeltsten US-Metropolregionen (mit insgesamt 50 % der US-Population) für den Zeitraum 1951–2000. Seine Trendanalyse ermöglicht einen Vergleich der UHI-Intensität und gibt einen ersten Ansatzpunkt, in welchen Städten Handlungsbedarf besteht.
Im Folgenden wird die Methodik und das Forschungsdesign der Trendanalyse von STONE (2007) am Beispiel der Stadt Louisville vorgestellt.
Louisville liegt in der US-Metropolregion Kentuckys. Humid subtropisches Klima mit kühlen, milden Wintern und feuchten, warmen Sommern führt zu einer Jahresdurchschnittstemperatur von 14.56 °C mit mehrtägigen Temperaturen im Sommer von 32–38 °C. Geografische Lage, Bevölkerungsanstieg (10.5 % von 2002–2012) und städtebauliche Besonderheiten von Louisville, wie verarmter Baumbestand, viele dunkle Gebäude, hoher Versiegelungsgrad, führten in den letzten 50 Jahren zu signifikanten Temperaturanstiegen (CLARK 2014).

Die Temperaturtrendanalyse (STONE 2007) basiert auf einem Vergleich der dekadischen Lufttemperaturveränderungen ruraler und urbaner Messstationen (in 2 m Höhe) des Global Historical Climatology Network (GHCN). Dabei dürfen die ruralen Temperaturen nur der Erwärmung aufgrund von Treibhausgasen (sog. „Background warming“) unterliegen, nicht aber einem direkten anthropogenen Wärmeeinfluss. Ziel der Untersuchung ist die Ermittlung von Trends in der UHI-Intensität, die sich aus der Differenz von urbanem und ruralem Trend ergeben. Die Datenerfassung erfolgt wie folgt:

1. Die Daten müssen für Änderungen der Messorte, Messabstände, Zeiträume und Messinstrumente korrigiert sein. Das Goddard Institute of Space Studies (GISS) bietet die GHCN-Daten mit den genannten Korrekturen an. Eine Korrektur des städtischen Einflusses darf für diese Studie jedoch nicht gegeben sein. Auch diese Bedingung erfüllen die GHCN-Daten (STONE 2007).
   
2. Die Messstationen werden mittels Nachtlichtanalysen über Satellitenbilder (nach HANSEN & SATO 2001) und durch Kombination mit Bevölkerungszahlen, in rural und urban eingeteilt. Die Metropolregionen und ihr Umland werden nach der nächtlichen Beleuchtungsintensität in die Kategorien A, B und C eingeteilt. Messstationen gelten als rural, die in der dunklen Kategorie C liegen, eine Bevölkerung von unter 10,000 Einwohnern haben und zwischen 50 und 250 km von der urbanen Station entfernt liegen. Erfüllt keine Station diese Bedingungen, dann werden Stationen mit unter 10,000 Einwohnern aus Helligkeitsbereich B verwendet (STONE 2007).
   
3. Zur Vereinheitlichung der Wahl der urbanen Stationen werden die Temperaturdaten des jeweils größten Flughafens der Metropolzentren verwendet. Auf jede urbane Station kommen drei rurale, die die unter 2) genannten Kriterien erfüllen. Der rurale Trend ergibt sich aus dem Mittelwert der drei Stationen. Es ergibt sich eine Gesamtheit von 50 urbanen und 108 ruralen Stationen. Zum Teil erfüllen rurale Stationen die Bedingungen für zwei Metropolen und können somit doppelt verwendet werden (STONE 2007).

Zur Datenaufbereitung werden die monatlichen Temperaturdaten jeder Station zu jährlichen Durchschnittstemperaturen zusammengefasst. Zur Bestimmung der UHI-Intensität werden die ruralen Temperaturen von den urbanen subtrahiert (Gleichung 1). Die Ermittlung des UHI-Trends errechnet sich durch Subtraktion der UHI eines Jahres vom Folgejahr.

<m 16>Delta t = t_Stadt – t_Umland </m>
(1)

Ergebnisse der Studie

Bei der Datenanalyse zeigt sich, dass sowohl bei den ruralen als auch den urbanen Messstationen 38 eine Erwärmung und 12 eine Abkühlung erfahren haben. Die durchschnittliche dekadische Veränderung der urbanen Temperaturen beträgt +0.2 °C und der ruralen +0.15 °C. Die Differenz beider Trends ergibt eine durchschnittliche Zunahme der UHI-Intensität um 0.05 °C/Jahrzehnt oder 0.5 °C/Jahrhundert.
In 40 % der Metropolregionen erfolgt ausschließlich urbane Erwärmung, in 4 % nur rurale Kühlung und in 14 % eine Kombination von beidem, was alles zu einer positiven UHI-Intensität führt. Abnahmen der UHI-Intensität sind in 22 % aller Metropolregionen auf rurale Abkühlung, bei 6 % auf urbane Erwärmung und bei 14 % auf eine Mischung beider Phänomene zurückzuführen (STONE 2007).
Insgesamt haben 29 Städte einen positiven UHI-Trend. Diese liegen größtenteils in den Süd- und Zentral-USA. In Louisville erfolgt eine urbane Erwärmung von 0.1–0.2 °C/Jahrzehnt und eine rurale von 0.2–0.3 °C/Jahrzehnt. Die UHI-Veränderung beträgt –0.1° C/Jahrzehnt, womit die Metropole unter dem US-Durchschnitt von +0.05 °C liegt (Abbildung 1) (STONE 2007).

STONE et al. (2012) aktualisieren die Trendanalyse mit Daten der Jahre 1960–2010 (Abbildung 1 B). Es wird ein durchschnittlicher urbaner Temperaturanstieg von 0.24 °C/Jahrzehnt und ein ruraler von 0.16 °C/Jahrzehnt ermittelt, mit einer resultierenden dekadischen UHI-Zunahme von 0.08 °C/Jahrzehnt. In Louisville beträgt der UHI-Trend mit 1.67 °F/Jahrzehnt (=0.93 °C) das elffache des US-Durchschnittes (STONE et al. 2012).
Die im Methodenteil beschriebene Untersuchung (STONE 2007) für 1950–2000 ergibt jedoch, dass die UHI-Intensität in Louisville mit –0.1 °C/Jahrzehnt einen rückläufigen Trend aufweist und im US-Vergleich eher schwach ausgeprägt ist (Abbildung 1 A).
Diese gegensätzlichen Aussagen (Erhöhung des Trends um über 1 °C), geben mir Anlass, die angewandte Trendanalyse hinsichtlich ihrer Grenzen zu diskutieren.
Ist es der um zehn Jahre verschobene Untersuchungszeitraum, der unterschiedliche UHI-Trends erzeugt oder spielen andere Faktoren wie Bevölkerungswachstum oder Stationsauswahl eine Rolle?

Durch die verwendete UHI-Definition kann ein positiver UHI-Trend aus Stadterwärmung, Umlandabkühlung oder einer Kombination von beidem hervorgehen. Sinkt beispielsweise der rurale Trend schneller als der urbane, so steigt die Differenz der beiden Temperaturen und der UHI-Trend wäre positiv, trotz der absoluten Abkühlung von Stadt und Umland.

Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, müssen beide Trends gesondert betrachtet und der Entstehungsmechanismus nachvollzogen werden. In Louisville hat sich das Umland in den Jahren 2000–2010 abgekühlt, während die Stadttemperatur aber stetig angestiegen ist (Abbildung 2). Hierdurch wird bei STONE (2012) für den Zeitraum 1960–2010 ein UHI-Trend generiert, der höher ist als bei STONE (2007). Dies wird durch das Herausstreichen der Jahre 1950–1960, einer kühlen Periode für Louisville, verstärkt (STONE 2007, schriftliche Mitteilung).

Zusätzlich können strukturelle und gesellschaftliche Veränderungen zu gestiegenen urbanen Temperaturen führen. Der Bevölkerungsanstieg von 10.5 % (2002–2012) kann zweierlei erwärmende Effekte hervorrufen: Direkt steigt der urbane Stoffwechsel und indirekt wird eine Zunahme an Gebäuden, Infrastruktur etc. verzeichnet (RIZWAN et al. 2007). Seit OKEs (2007) empirischer Studie ist der logarithmische Zusammenhang (Gleichung 2) zwischen UHI-Intensität und Bevölkerungszahl bekannt (P=Bevölkerungszahl, u=Windgeschwindigkeit [m/s]):

<m 16>Delta T_{u – r} = 1,91*log(P)–2,07u–1,73</m> (2)

In Louisville müsste 2002 (P=1,162,409) eine UHI-Intensität von 9.85 °C und 2012 (P=1,284,000) von 9.94 °C herrschen. Die Differenz von 0.1 °C aufgrund von Bevölkerungswachstum trägt nur geringfügig zur Trenderhöhung von über 1 C bei. Dies könnte an überproportionalem Wachstum der indirekten Effekte liegen, die durch OKEs Gleichung nicht vollständig erfasst werden. Hierzu gehören anthropogene Wärmeemissionen, verminderter Sky-View-Factor und Bebauungsdichte (RIZWAN et al. 2007).
Die Wahl der Messstationen stellt neben der Relativität der UHI-Definition eine weitere methodische Grenze dar. Ein Flughafen als einzige urbane Messstation, mit nur einem Bruchteil der UHI-erzeugenden Strukturen (große offene Flächen statt dichter Bebauung), ist nicht repräsentativ für die Stadt als Ganzes, hat aber den Vorteil eines langen Dokumentationszeitraumes. Hier bietet sich die Einteilung der zu untersuchenden Städte in lokale Klimaklassen an und die Auswahl von Messstationen in der gleichen stadttypischen und durch Bebauung geprägten Klimaklasse (z.B. nach STEWART & OKE, 2012).
Rurale Stationen können einerseits dem Einfluss der Landnutzung unterliegen, wie Messstationen aus Lichtintensitätsklasse B, bei denen mittlere Helligkeit auf lockere städtische Strukturen und anthropogene Erwärmung hinweist. Andererseits kann die Lage einer ruralen Station in einer Kaltluftschneise oder Hanglage zusätzliche Kühlungseffekte bewirken. Beides führt zu einem steigenden UHI-Trend.
Zur Bewertung der UHI einer Metropole müssen außerdem absolute Temperaturen, sowie die Anzahl extremer Hitzetage hinzugezogen werden. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass Städte mit klimatisch bedingten heißen Jahresdurchschnittstemperaturen (z.B. Los Angeles, Phoenix) viel stärker von der UHI betroffen sind (STONE 2012). Letztendlich sind stadtspezifische Analysen, wie von CLARK (2014) zu Louisville zur abschließenden Bewertung nötig.

Die UHI-Definition als Temperaturdifferenz zum Umland ist klassisch, aber für komplexe Planung beschränkt. Die Stadt wird als Ganzes beschrieben und heterogene Temperaturverteilungen werden vernachlässigt. Detaillierte Folgestudien zur stadttypischen Ausprägung der UHI sind in jedem Falle zur Bewertung nötig.
Mittels UHI-Trendanalyse können UHI-Trends verschiedener Städte, unter Betrachtung der methodischen Grenzen, verglichen werden. Hohe Anzahl von Stationen und repräsentative Verteilung erhöhen die Aussagekraft der Trends. Hier könnte die Einteilung in lokale Klimaklassen dienlich sein. Zudem reicht bei der Interpretation die alleinige Betrachtung des UHI-Trends nicht aus. Wichtig sind auch absolute Temperaturen und vor allem die Trends der einzelnen Stationen.
Die Analyse der Entstehungsmechanismen der UHI-Trends und der Zeitspanne ist elementar, um Fehlinterpretationen zu vermeiden. Am Beispiel Louisville hat sich gezeigt, dass eine zehnjährige Verschiebung des Messzeitraumes sogar gegenteilige UHI-Trends erzeugt.
Für das Projekt „Climates in the Hood“ wäre die Anwendung der Trendanalyse auf kleinräumige Strukturen, beispielsweise besonders hitzebelasteter Stadtviertel Berlins, interessant. Durch Aufzeichnung des mikroklimatischen Temperaturtrends innerhalb eines Stadtviertels und parallel dazu des Temperaturtrends der umliegenden Bezirke, könnte die Veränderung der Quartiers-UHI am Vergleich zur großräumigen UHI von Berlin ermittelt werden. Dieser Ansatz würde der Tatsache gerecht, dass die städtische Wärmeinsel nicht gleichmäßig über eine Stadt verteilt ist, sondern besonders ausgeprägte Wärmearchipele aufweist.

Abbildung 1 – Vergleich mittlerer dekadischer Temperaturveränderung der UHI-Intensität für Louisville (verändert nach: A) STONE JR, B., 2007: Short Communication. Urban and rural temperature trends in proximity to large US cities: 1951–2000 B) verändert nach: URBAN CLIMATE LAB (Hrsg.): Urban Climate Trends. Online im Internet: URL: http://www.urbanclimate.gatech.edu/urbanclimatedata.html , [Stand 1.11.2015]).

Abbildung 2 – Vergleich der urbanen und ruralen Lufttemperaturen von 1950–2010 für die Metropolregion Louisville, verändert nach STONE et al. (2012) und URBAN CLIMATE LAB (verändert nach: URBAN CLIMATE LAB (Hrsg.): Urban Climate Trends. Online im Internet: URL: http://www.urbanclimate.gatech.edu/urbanclimatedata.html [Stand 1.11.2015]).

CLARK, J., 2014: Defining the Spatial and Average Intensity of the Louisville Urban Heat Island. University of Northern Colorado Undergraduate Research Journal, 4(2).

GOVERNMENT OF LOUISVILLE, KENTUCKY (Hrsg.), 2015: Sustainability. Urban Heat Island Project. Online im Internet: URL: https://louisvilleky.gov/government/sustainability/urban-heat-island-project , [Stand 26.10.2015].

HANSEN, J.E., SATO, M., 2001: Trends of measured climate forcing agents. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98(26), 14778–14783 S.

HUPFER, P., KUTTLER, W. (Hrsg.), 2006: Witterung und Klima - Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. 12. Auflage, Teubner: Wiesbaden, 389–399 S.

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

RIZWAN, A., DENNIS Y.C., L., LIU, C., 2007: A review on the generation, determination and mitigation of Urban Heat Island. Journal of Environmental Sciences, 20, 120–128 S.

SPIEGEL ONLINE (Hrsg.), 2007: Statistik-Studie: Hitze-Sommer 2003 hat 70.000 Europäer getötet. Online im Internet: URL: http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/statistik-studie-hitze-sommer-2003-hat-70-000-europaeer-getoetet-a-473614.html , [Stand 14.05.2016].

STEWART, I.D., OKE, T.R., 2012: Local Climate Zones for urban temperature studies. American Meteorological Society, 93(12), 1879-1900 S.

STONE JR, B., 2007: Short Communication. Urban and rural temperature trends in proximity to large US cities: 1951–2000. International Journal of Climatology, 27(13), 1801-1807 S.

STONE, B., VARGO, J., HABEEB, D., 2012: Managing climate change in cities: Will climate action plans work? Landscape and Urban Planning, 107(3), 263– 271 S.

STONE JR, B., 2012: The city and the coming climate. – Cambridge University Press, ISBN: 978-107-60258-8.

STONE JR, B., 9.11.15, schriftliche Mitteilung.

URBAN CLIMATE LAB (Hrsg.), 2015: Projects. Online im Internet: URL: http://www.urbanclimate.gatech.edu/projectList.shtml , [Stand 4.11.2015].

URBAN CLIMATE LAB (Hrsg.), : Urban Climate Trends. Online im Internet: URL: http://www.urbanclimate.gatech.edu/urbanclimatedata.html , [Stand 1.11.2015].

ZHOU, DC., ZHANG, LX., HAO, L., SUN, G., LIU, YQ., ZHU, C., 2015: Spatiotemporal trends of urban heat island effect along the urban development intensity gradient in China. Science of the Total Environment, 544, 617–626 S.