Der Einfluss der Stadtmorphologie auf das Mikroklima am Beispiel der Stadt Wien

ausgearbeitet von Sinah Drenske

Der Großteil der Bevölkerung lebt in Städten. Diesen wird, aufgrund der höheren Verdichtung und Versiegelung im Vergleich zum Umland, eine höhere Empfindlichkeit gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels zugesprochen. Daher kann das Stadtklima Lebensqualität und Gesundheit der Bevölkerung in zunehmenden Maße beeinflussen. Jedoch sind nicht alle Gebiete einer Stadt gleichermaßen von den Auswirkungen des Klimawandels betroffen, da Städte eine heterogene Struktur aufweisen. Daher werden verschiedene Methoden entwickelt, um Städte zu klassifizieren und in verschiedene Einheiten einzuteilen (STILES 2014).
In der vorliegenden Arbeit wird das Projekt „Urban Fabric Types and Microclimate Response – Assessment and Design Improvement (UFT-ADI)“ aus Wien vorgestellt. Im Projekt werden der Einfluss stadtgestalterischer Maßnahmen auf das Stadtklima und die Gestaltung von Freiraumstrukturen untersucht, da in der Forschung zu Auswirkungen des Klimawandels bisher vor allem die Stadt als Gesamtheit oder die Energieeffizienz von Gebäuden im Fokus stand (STILES 2014). Als Freiraumstrukturen werden alle nicht mit Gebäuden bebauten Flächen wie Straßen oder Parks bezeichnet. Im Vertiefungsprojekt werden klimatologische Grundlagen zum Verständnis des Stadtklimas vertieft und durch die Betrachtung von Forschungsprojekten soll ein Einblick in die angewandte Stadtklimatologie gewonnen werden. Themen, die bei der Betrachtung des Mikroklimas in Städten unter anderem aufkamen, waren Dachbegrünung, Entsiegelung und Stadtmorphologie. Diese Aspekte werden vom Projekt UFT-ADI näher untersucht (STILES 2014).

Ansatz des Projekts ist die Bildung von Stadtraumtypen, die sich anhand ihrer mikroklimatischen Situation und Freiraumgestaltung unterscheiden. Hierfür wird Wien in Quadranten von 500 x 500 Meter unterteilt. Es werden das Mikroklima beeinflussende Themen bestimmt: Lokalklima, Gelände, Freiraum und Bebauung. Für diese werden Indikatoren ausgewählt und mittels Faktorenanalyse zu neun Faktoren zusammengefasst (s. Tab. 1). Die Faktorenanalyse dient der Datenstrukturierung und Datenreduktion (STILES 2014; BACKHAUS et al. 2011).

Tab. 1 – Indikatoren und daraus abgeleitete Faktoren der Themengruppen zur Stadtraumtypenbildung (verändert nach STILES et al. 2014).

Darauf folgt eine Two-Step-Clusteranalyse. Ziel ist es dabei, die Quadranten zu Stadtraumtypen, den Clustern, zusammenzufassen. Ein Stadtraumtyp soll in der Ausprägung der ausgewählten Indikatoren homogen sein, aber untereinander sollen die Stadtraumtypen Heterogenität aufweisen, damit sie sich voneinander abgrenzen. Das Ergebnis der Clusteranalyse sind neun Stadtraumtypen (s. Abb. 1). Die Stadtraumtypen 2 (Dichtes Stadtgebiet), 3 (Stadterweiterung in der Ebene) und 6 (Flussraum (Donauraum)) werden einer weiteren Clusteranalyse unterzogen und in Subtypen eingeteilt, da diese immer noch heterogene Eigenschaften aufweisen. So entsteht als Subtyp des Stadtraumtyps 2 z. B. der Stadtraumtyp 2b „Gründerzeitliche zentrumsnahe Blockrandbebauung“ (STILES 2014).

Anschließend werden für die Stadtraumtypen 1 bis 5 Beispielquadranten ausgewählt, da diese aufgrund ihrer Eigenschaften (hoher Anteil an versiegelter Fläche, geringer Grünraumanteil, hohe Anzahl an heißen Sommernächten) stärker durch Auswirkungen des Klimawandels beeinträchtigt werden. Somit sind sie stärker auf die Entwicklung geeigneter Maßnahmen angewiesen. Vorhandene Freiraumstrukturen werden identifiziert und mit einem Geoinformationssystem digitalisiert. Danach folgt die Analyse der mikroklimatischen Situation durch Status-Quo-Simulationen mit dem Programm ENVI-met. Zur Bewertung wird der Predicted Mean Vote (PMV) herangezogen, der angibt, wie unangenehm Menschen das Klima voraussichtlich bewerten würden (STILES 2014; KUTTLER 2013).
Bei der Auswertung der Ergebnisse wird deutlich, dass die Wärmebelastung an Orten mit Grünflächen und Beschattungseffekten geringer ist als an versiegelten, sonnenexponierten Plätzen (s. Abb. 2). Die Ergebnisse werden als Grundlage für die Simulationen der Gestaltungsmaßnahmen mit ENVI-met genutzt (STILES 2014).

ENVI-met ist ein dreidimensionales numerisches Simulationsmodell. Es modelliert verschiedene Oberflächeneigenschaften, Gebäudestrukturen und atmosphärische Prozesse über unterschiedliche Teilmodelle im mikroskaligen Bereich. Durch die Abbildung vertikaler Lufttransporte wird ENVI-met auch als nicht-hydrostatisches Modell bezeichnet (BRUSE 1999).
Basierend auf allen eingegebenen Daten modelliert man drei Gestaltungsmaßnahmen: Baumpflanzungen, Entsiegelungen und Dachbegrünungen (STILES et al. 2014; STILES 2014).
Die Gestaltungsmaßnahmen werden einzeln und in verschiedenen Kombinationen simuliert, um die effektivste Variante zu ermitteln. Effektiv bedeutet hier eine möglichst starke Reduzierung des PMV. Man setzt für jeden Stadtraumtypen, abhängig von seinen Eigenschaften, einen anderen Fokus. So liegt im Stadtraumtyp 1 (Industrie und Gewerbe) der Fokus auf der Entsiegelung von geeigneten Flächen und einer flächendeckenden Dachbegrünung, während er beim Stadtraumtyp 2b vor allem auf Baumpflanzungen entlang von Straßen liegt. Mithilfe von Karten, Tagesgängen und Mittelwertdarstellungen werden die Ergebnisse visualisiert und analysiert. Um Randeffekte zu reduzieren, betrachtet man hierbei nur den Zentralbereich der Quadranten (STILES 2014).
Die größte Wirkung zur Minderung von Hitzebelastungen zeigen Baumpflanzungen. Dies kommt unter anderem durch Beschattungseffekte, Verdunstung und Aufrauung der Geländestruktur. Im Beispielquadranten für den Stadtraumtypen 2b zeigt sich die größte Milderung des PMV um einen Wert bis zu 3.5, von „extrem heißen Bedingungen“ zu „leicht warmen Bedingungen“, für Baumpflanzungen entlang von Ost-West-Straßenzügen (s. Abb. 3). Die Bevölkerung würde dies als angenehmer empfinden (ebd.).

Entsiegelungen führen zu einer leichten Minderung der PMV-Werte. Jedoch zeigen sich lokal starke Kühlungseffekte, wie im Quadranten für den Stadtraumtypen 2b, unter Berücksichtigung des Tagesverlaufs. Unter Entsiegelungen versteht man sowohl Änderungen des Oberflächenmaterials als auch Umwidmungen in unversiegelte Flächen. Dachbegrünungen kühlen vor allem in den höheren Luftschichten sowie in Windrichtung hinter den Gebäuden (ebd.). Die gewonnenen Erkenntnisse werden für Planungsempfehlungen in Form eines allgemeinen Maßnahmenkatalogs, nach Art der untersuchten Gestaltungsmaßnahmen, und spezifischer Maßnahmenpakete für jeden Stadtraumtypen genutzt. Für die allgemeinen Empfehlungen werden verschiedene Hinweise zur Umsetzung der drei Maßnahmen und weiterer Möglichkeiten genannt. Nähere Informationen finden sich im Projektbericht unter Kapitel 8 (ebd.).
Die spezifischen Maßnahmenpakete werden auf zwei Ebenen bewertet. Die erste Ebene bewertet die tatsächliche Effektivität der Maßnahmen, ohne Berücksichtigung des Flächenanteils. Man konzentriert sich auf Maßnahmen zur Verbesserung des Lokalklimas mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Implementierung, hoher potentieller Nutzungsintensität und hoher Wirksamkeit am Tag. In der zweiten Ebene wird der Flächenanteil der Maßnahmen berücksichtigt. Durch diese unterschiedliche Priorisierung soll das Potential einzelner, kleinräumlicher Maßnahmen zur Verbesserung des Mikroklimas aufgezeigt werden. Zudem kann zwischen verschiedenen Aspekten der Umsetzung abgewogen werden, wie Kosten oder technischer Umsetzbarkeit (STILES 2014; STILES et al. 2014).
Die spezifischen Maßnahmenpakete können hierbei nicht nur direkt auf die Beispielquadranten angewendet werden, sondern können Tendenzen für Quadranten des gleichen oder eines ähnlichen Stadtraumtyps in anderen mitteleuropäischen Städten angeben (STILES 2014).
Diese Planungsempfehlungen können in der Stadtverwaltung und -planung als Entscheidungshilfe für Planungen zur Verbesserung des Mikroklimas beitragen und zudem das Bewusstsein der Bevölkerung für solche Maßnahmen schärfen (ebd.).

Alles in allem kann festgehalten werden, dass sich die Methodik zur Anwendung in anderen mitteleuropäischen Städten eignet. Jedoch müssen die Indikatoren immer auf die Eigenschaften des Modellierungsgebietes angepasst werden, um die komplexen Verhältnisse des Stadtklimas abbilden zu können (HUPFER & KUTTLER 2006). Daraus können sich neue Faktoren und gegebenenfalls neue Stadtraumtypen ergeben.
Durch eine Mikroklima-Messkampagne im Jahr 2011 an verschiedenen Standorten wurden die Parametrisierung des Modells verbessert und die Ergebnisse evaluiert, sodass die Simulationsdaten den Messdaten entsprachen. Aus den gewonnenen Daten wurde anhand ausgewählter Tage die Datengrundlage für die Simulationen gewonnen. Ein weiterer Schritt zur Evaluation der Ergebnisse war der Austausch mit Experten unterschiedlicher Fachrichtungen (STILES 2014).
Sowohl die Stadtraumtypenbildung als auch Simulationen mit dem Programm ENVI-met finden in der Stadtklimaforschung vielfach Anwendung, so behandelt z. B. der Stadtentwicklungsplan Klima (StEP Klima) aus Berlin Stadtstrukturtypen zur Analyse der mikroklimatischen Situation (ENVI-MET GMBH 2015; SENSTADTUM 2011). Die Stadtstrukturtypen werden hierbei vor allem nach der Art der baulichen Nutzung und dem Zeitpunkt der Errichtung differenziert. Die mikroklimatische Situation wird ebenso mit dem PMV bewertet; die Modellierungen finden mit dem mesoskaligen Modell FITNAH statt. Es ist ebenso wie ENVI-met ein nicht-hydrostatisches Modell. Im StEP Klima wird festgehalten, dass Quadranten des gleichen Stadtstrukturtypen nicht immer dem gleichen Belastungstyp entsprechen, da die jeweiligen Eigenschaften der Quadranten (stadträumliche Lage, Grünflächenausstattung, Einfluss von Kaltluftströmen, Anteil versiegelter Fläche) trotz gleichem Stadtstrukturtypen unterschiedlich sein können. Daher werden dort, ebenso wie bei UFT-ADI, Maßnahmenempfehlungen und Tendenzen für die Stadtstrukturtypen angegeben und keine universell gültigen Maßnahmenkataloge. Als Ergebnis wird festgehalten, dass Gebiete mit versiegelten Bereichen, wenig Grünflächen und wenig Straßenbäumen stärker von Hitzebelastungen betroffen sind. Dies stimmt mit den Ergebnissen von UFT-ADI überein. Ebenso schlägt auch der StEP Klima Straßenbaumpflanzungen, Entsiegelungen und Dachbegrünungen als geeignete Maßnahmen vor. Der StEP Klima benennt hierfür in seinem Aktionsplan sowohl Gebiete mit prioritärem Handlungsbedarf als auch zwölf Aktionsplanprojekte (SENSTADTUM 2011; STILES 2014).
Eine weitere Methode ist die wissensbasierte Klassifizierung von Local Climate Zones (LCZ). Diese soll die Beschreibung der Oberflächenbeschaffenheit in ländlichen und städtischen Regionen verbessern, um städtische Wärmeinseln präziser beschreiben zu können. Hierfür wurden 17 Zonen definiert, die eine eindeutige Kombination der Oberflächenbedeckung, -struktur, Materialien und atmosphärischen Prozesse aufweisen. Oberflächenbedeckungen können hierbei durchlässig oder undurchlässig sein, als Struktureigenschaften gelten etwa Gebäudehöhe, -dichte oder der Anteil vorkommender Bäume. Ein weiterer Faktor ist der sogenannte lokale Experte, welcher durch seine Ortskenntnisse regionale Besonderheiten kennt und so in die Klassifikation eingreift und nicht nur auf die Ausprägung der Indikatoren achtet. Zudem prägt jede LCZ ein charakteristisches Temperaturregime bei autochthoner Wetterlage aus. Die noch junge Klassifizierungsmethode kann durch die standardisierte Beschreibung der Oberflächenbedeckung und -struktur und durch jetzt schon vielfache Anwendung zur Grundlage für Stadtklimastudien werden. Jedoch bedarf auch diese Methode noch weiterer Evaluierungen (STEWART et al. 2014).

Die Methodik der Bildung von Stadtraumtypen und anschließende Simulationen mit etablierten numerischen Modellen eignet sich zur Anwendung in anderen mitteleuropäischen Städten, jedoch unter der Anpassung der Indikatoren. Außerdem kann festgehalten werden, dass sich die Gestaltungsmaßnahmen (Baumpflanzungen, Entsiegelungen, Dachbegrünungen) zur Verbesserung des Stadtklimas eignen.
Die Verwendung von wissensbasierten Klassifikationen (z. B. LCZ) anstatt der auf Clusterverfahren basierten Bildung von Stadtraumtypen hat Potential. Übertragbarkeit ist wichtig, da so einheitliche Grundlagen für Simulationen geschaffen werden, um die Ergebnisse von Studien vergleichen zu können. Die Verwendung verschiedener Methoden und Schaffung neuer Ansätze ist ratsam, da noch kein übertragbares Standardverfahren zur innerstädtischen Differenzierung des Stadtklimas existiert.

Abbildung 1 – Stadtraumtypen und ihre Verteilung in Wien (verändert nach STILES 2014).

Abbildung 2 – Vergleich der Status-Quo-Simulation mit den vorhandenen Freiraumstrukturen. Stadtraumtyp 2b, Beispielquadrant 919 (STILES 2014: 13).

Abbildung 3 – Gegenüberstellung der Simulationskarten mit den PMV-Werten der zwei Gestaltungsvarianten „Bäume in O-W-“ und „Bäume in N-S-Straßenzügen“ für den Beispielquadranten 2b (verändert nach STILES 2014).

Tabelle 1 – Indikatoren und daraus abgeleitete Faktoren der Themengruppen zur Stadtraumtypenbildung (verändert nach STILES et al. 2014).

BACKHAUS, K., ERICHSON, B., PLINKE, W., WEIBER, R., 2011: Multivariate Analysemethoden. Eine anwendungsorientierte Einführung. 13. Aufl., Springer: Berlin, 583 S.

BRUSE, M., 1999: Die Auswirkungen kleinskaliger Umweltgestaltung auf das Mikroklima. Dissertation, 217 S.

ENVI-MET GMBH, 2015: Portfolio. Online in Internet: URL: http://www.envi-met.com/company#portfolio [Stand 18.11.2015].

HUPFER, P., KUTTLER W. (Hrsg.), 2006: Witterung und Klima. 12. Aufl., Teubner: Wiesbaden, 554 S.

KUTTLER, W., 2013: Klimatologie. 2. Aufl., Schöningh/ UTB: Paderborn, 306 S.

SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG UND UMWELT (SENSTADTUM) (Hrsg.), 2011: Stadtentwicklungsplan Klima. Kulturbuch-Verlag GmbH: Berlin, 82 S.

STEWART, I., OKE T., KRAYENHOFF, E., 2014: Evaluation of the ´local climate zone´ scheme using temperature observations and model simulations. International Journal of Climatology, 34, 1062 – 1080 S. Online in Internet: URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/joc.3746/epdf [Stand 18.11.2015].

STILES, R., GASIENICA-WAWRYTKO, B., HAGEN, K., TRIMMEL, H., LOIBL, W., KÖSTL, M., TÖTZER, T., PAULEIT, S., SCHIRMANN, A., FEILMAYR, W., 2014: Urban Fabric Types and Microclimate Response - Assessment and Design Improvement. Final Report. Projektbericht ACRP 3rd Call, 185 S.

STILES, R., 2014: Publizierbarer Endbericht. Projektbericht, 36 S.