Stadt, Land…Klima! - Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Stadtklimaeffekten auf das Humanbioklima

am Beispiel des Campus der Technischen Universität Berlin.


Projektbericht des Orientierungsprojektes in den Studiengängen Ökologie und Umweltplanung und Landschaftsarchitektur (2. Semester SoSe 2014)

Hot and Cold – Humanbioklima an urbanen Standorten

Der Einfluss der Bodenoberflächentemperatur auf die Lufttemperatur und auf das menschliche Wohlbefinden

Autoren: Lisa Teichmann, Pascal Zissler, Vitali Tamorko

Abstract

Die voranschreitende Urbanisierung bringt einige Probleme für die Städte und Ballungszentren mit sich. Eines davon ist das bereits Anfang des 19. Jahrhunderts von Luke Howard beschriebene Phänomen der städtischen Wärmeinsel. Bedingt wird dieses Phänomen unter anderem durch den hohen Versiegelungsgrad urbaner Flächen. Dabei wirken sich die städtischen Oberflächen und deren Eigenschaften in mehrfacher Hinsicht auf den Wärmehaushalt der Stadt aus. Ziel dieser Ausarbeitung ist es, die Auswirkungen der Bodenoberflächentemperatur auf die Lufttemperatur zu untersuchen. Um die Betrachtungen in einen humanbioklimatischen Fokus zu setzen, wurden in einem weiteren Schritt Untersuchungen dazu durchgeführt, ob und wie sich die gemessene Lufttemperatur auf die gefühlte Temperatur auswirkt. Im Rahmen dieser Studie wurden dazu auf dem Campus der Technischen Universität in Berlin klimatologische Daten gesammelt. Neben drei fest installierten automatischen Wetterstationen (AWS) wurden auch Aufzeichnungen mit dem Human Meteorological Vehicle (HuMVe), sowie mit der Human Response Station (Messung unter bioklimatischer Hinsicht) durchgeführt. Diese Arbeit hat die Absicht, die Relevanz der städtischen Wärmeinsel im Zusammenhang mit dem Versiegelungsgrad städtischer Oberflächen zu untersuchen.

Einleitung

Diese Studie beschäftigt sich mit der Frage, in welchem Zusammenhang die Oberflächentemperatur und die Lufttemperatur am selben Standort stehen, und wie sich die Lufttemperatur auf die thermische Belastung auswirkt. Schon Anfang des 19. Jahrhunderts machte der Stadtklimatologe Luke Howard auf das Phänomen der Städtischen Wärmeinsel aufmerksam (MILLS 2008). Er hatte festgestellt, dass die Temperatur in Städten höher ist als in der umgebenden Landschaft. Verursacht wird dies durch die erhöhte Speicherung von Strahlungswärme in der Gebäudestruktur, anthropogene Wärmeproduktion, sowie die Verhinderung von Winddurchzug (MILLS 2008: S. 156). Durch die globale Erwärmung wird die Temperatur in der Stadt noch erhöht. Eine weitere Eigenschaft von urbanen Standorten ist der hohe Versiegelungsgrad in der Stadtstruktur. Asphalt, Beton und Stein sind oft verwendete Oberflächenmaterialien, sowohl an Fassaden, als auch auf Bodenoberflächen.

Die Struktur und Beschaffenheit städtischer Oberflächen nehmen Einfluss auf den Wärmehaushalt. Durch Versiegelung wird kapillarer Wasseraufstieg verhindert und durch die resultierende geringere Verdunstung nehmen der fühlbare Wärmestrom, die Oberflächentemperaturen und der Bodenwärmestrom zu (HUPFER, KUTTLER 2006: 375).
 Dabei unterscheiden sich die thermischen Eigenschaften der Oberflächen stark.
„Farbe, Zusammensetzung, Versiegelungsgrad, Oberflächenrauigkeit,(…),sowie Ausrichtung zum solaren Strahlungseinfall,…, entscheiden darüber, wie viel Energie über die urbanen Oberflächen aufgenommen, in den Untergrund weitergeleitet bzw. von diesem an die Atmosphäre abgegeben wird,(…)“
(HUPFER KUTTLER 2006: 376).

Von besonderer Bedeutung für diese Untersuchung ist die kurzwellige Strahlung, die die von der Sonne abgegebene Strahlung bezeichnet, die auf die äußerste Schicht der Erdatmosphäre trifft. Auf der Erdoberfläche kommt neben der direkten Sonnenstrahlung auch indirekte (d. h. in der Atmosphäre reflektierte) Strahlung an. Beide werden unter dem Begriff Globalstrahlung zusammengefasst (MALBERG 2003: 38). 
Das zweite wichtige Strahlungsspektrum ist die terrestrische Strahlung. Diese entsteht auf der Erde, wenn kurzwellige Strahlung von einem Körper absorbiert und somit umgewandelt und als langwellige Strahlung wieder emittiert wird.
Ein Teil der Strahlung kann allerdings auch vom Körper absorbiert werden und bewirken, dass die Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt wird, die dafür sorgt, dass sich der Körper erwärmt.

Der menschliche Körper steht in ständigem Austausch mit seiner Umwelt und reagiert auf Veränderungen der atmosphärischem Bedingungen, die ihn umgeben. „Die Human – Biometeorologie befasst sich daher mit der Wirkung des Wetters auf den Menschen als einen natürlichen, physikalisch-chemischen Umweltfaktor“ (HUPFER, KUTTLER 2006: 491). Bei der Betrachtung der Einflussfaktoren werden mehrere Themengebiete unterschieden. Neben der direkten Beeinflussung des Menschen durch Strahlung oder der Auswirkungen der Luftreinheit gibt es ein Themengebiet, das sich auf die thermischen Auswirkungen konzentriert und das für diese Untersuchung die größte Bedeutung hat. Dabei geht es um das Verhältnis von in den Körper eintreffender Energie und der Menge, die er davon wieder abgibt (in Form von Wärme). Dieses Verhältnis wird als Wärmebilanz des menschlichen Körpers bezeichnet und steht in direktem Zusammenhang damit, welche Temperaturen für den gesunden menschlichen Körper optimal sind und welche Kälte- oder Hitzestress verursachen können (HUPFER, KUTTLER 2006: 492). Eine weitere wichtige Kenngröße im Zusammenhang mit der Biometeorologie ist der Universal Thermal Climate Index, im folgenden UTCI genannt (siehe Thema Gruppe how does it feel).

Ziel dieser Studie ist es, einerseits den Zusammenhang von Bodenoberflächentemperatur und Lufttemperatur zu untersuchen, andererseits, die Lufttemperatur und ihre Auswirkungen auf die thermische Belastung des Menschen zu betrachten. Dafür haben wir mikroklimatische Messungen an einem urbanen Standort, auf dem Campus der Technischen Universität in Berlin, vorgenommen.

Methodik

Messgeräte

Zur Untersuchung der Hypothesen wurden Daten zur Strahlung, der Oberflächen- und Lufttemperatur mit dem Human Meteorological Vehicle (HuMVe) der Technischen Universität Berlin gesammelt. Das HumVe wird für mobile Messungen verwendet und lässt sich wie ein Handwagen an der gewünschten Messstelle platzieren. Das HuMVe enthält fünf verschiedene Messgeräte zur Aufzeichnung meteorologischer Größen, hier eine kurze Erklärung zu den Verwendeten. Das CS215 misst über Sensoren Lufttemperatur und relative Feuchte. Die relative Feuchte gibt an, zu wie viel Prozent die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist. Das Maximum an Wasserdampf, das von der Luft aufgenommen werden kann, wird als Sättigungsfeuchte bezeichnet. Diese ist stark abhängig von der Lufttemperatur und sinkt mit der Abnahme dieser.

Zur Messung von Strahlung sind am Humve die Messgeräte NR-LITE und CS300 verbaut. Das NR-LITE misst die Strahlungsbilanz oder auch Nettostrahlung. Dabei handelt es sich um die Differenz der Gesamtstrahlung von oben (kurzwellige Globalstrahlung und langwellige atmosphärische Gegenstrahlung) und die Gesamtstrahlung von unten (kurzwellige Reflexstrahlung und langwellige Ausstrahlung der Oberfläche). Das CS 300 ist ein Pyranometer. Es misst die Änderung der kurzwelligen Einstrahlung aus dem oberen Halbraum. Dazu gehört die direkte und diffuse Sonneneinstrahlung. Die Summe der beiden Größen wird als Globalstrahlung bezeichnet. Mit Hilfe des CR 1000 wird über einen Präzisions-Infrarotthermoelement-Sensor die langwellige Ausstrahlung eines Objektes in °C gemessen. Diese Größe entspricht der Oberflächentemperatur.

Abb.1: Aufbau des Human Meteorological Vehicle

Im Rahmen des Experiments wurden Messungen an zehn verschiedenen Standorten auf und um den Campus der Technischen Universität Berlin unternommen. Bei der Auswahl der Messpunkte wurde darauf geachtet, ein breites Spektrum an unterschiedlich exponierten Orten und unterschiedlichen Bodenbelägen abzudecken. Dies sollte die Vergleiche zum einen zwischen stark und gering sonnenexponierten Oberflächen und zum anderen zwischen verschiedenen Bodenbelägen (Natur- u. Kunststein, hellere und dunklere Oberflächen) ermöglichen.

Abb. 2: Campus der Technischen Universität in Charlottenburg, Berlin. Nummeriert sind die Stationen des Messwagens Human Meteorological Vehicle (HuMVe) sowie der automatischen Wetterstationen (AWS) gekennzeichnet

Außerdem haben wir Daten zum Bioklima gesammelt, und dafür gab es eine gesonderte Messstation, siehe BM (Biometeorologische Station, Standort vor der Mensa), (hier Link zur How does it feel Gruppe und ihrer genauen Beschreibung des Messgerätes). Datenverarbeitung Nach dem Ende des aktiven Messzeitraumes wurden alle Daten aus den Geräten ausgelesen und mit der Software R-Studio die Verarbeitung begonnen. Da das Humve alle 10 Sekunden eine Messung schaltet, mussten die Daten erst vorprozessiert und auf die genauen Messzeiträume an den Standorten festgelegt werden. Als nächster Schritt wurden aus den Gesamtdaten die Werte zu den einzelnen Messstationen isoliert, um diese gesondert betrachten zu können. Ebenso wurden die Daten formatiert und schlussendlich in Diagrammen visualisiert. Dadurch ist es möglich, sich pro Station gesondert die gemessenen Daten zu Lufttemperatur, Oberflächentemperatur und Strahlung in zeitgleich geschalteten Diagrammen anzusehen und diese miteinander zu vergleichen. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden bei jeder Messstation die gemittelten Werte pro Standort verwendet. In den Diagrammen ist es nun auch möglich, neben Klimamessung und Zeitfaktor mögliche Korrelationen der einzelnen Elemente darzustellen. Ergebnis

Abb.3: Korrelationen von Bodenoberflächentemperatur und Lufttemperatur an den Messstationen 1-10.

Um herauszufinden, ob es einen Zusammenhang zwischen der Bodenoberflächentemperatur und der Lufttemperatur gibt, wurden Lufttemperatur und Bodenoberflächentemperatur zusammen dargestellt. Dabei befindet sich die Bodenoberflächentemperatur auf der x-Achse und ist in °C angegeben. Es handelt sich hierbei um die Stundenmittelwerttemperaturen, die nicht nach Aufnahmezeitpunkt, sondern nach Temperaturgröße aufsteigend als Streudiagramm angeordnet sind. Auf der y-Achse ist die Lufttemperatur in °C angegeben. Diese Darstellung von Bodenoberflächen- und Lufttemperatur wurde für jede Station einzeln erstellt. Man kann erkennen, dass es durchaus einen Zusammenhang von Bodenoberflächen- und Lufttemperatur gibt. Grundsätzlich steigt mit der Bodenoberflächentemperatur auch die Lufttemperatur. Würde man die Punkte also verbinden, ergäbe sich ein annähernd stetig ansteigender Graph, der Korrelationsgraph. Dieser ist in der obigen Grafik als blaue Linie dargestellt.

Die Korrelation lässt sich an dem Graphen jeder Station erkennen, ist jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt, dabei beträgt der Korrelationskoeffizient im Durchschnitt 0,763. Dieser gibt an ob und wie stark einzelne Messergebisse sich an einem berechneten Mittelwert aller Messergebnisse orientieren. Um nun festzustellen, wie sich die gemessene Lufttemperatur auf die gefühlte Temperatur auswirkt, wurde der UTCI zur Hilfe genommen. Der universelle thermische Klimaindex(UTCI) berücksichtigt neben den meteorologischen Größen Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte, mittlere Strahlungstemperatur auch die Faktoren der metabolischen Rate und den thermischen Widerstand der Bekleidung. Als repräsentative Tätigkeit ist dabei das Gehen mit 4km/h definiert. Dabei liegt die Metabolische Rate bei 2,3MET(135W/m²). Die Bekleidung wird über einen intrinsischen Bekleidungswert im Bereich von Icl = 0,4 - 2,6 clo definiert. Bewertet werden die physiologischen Variablen Kerntemperatur, mittlere und eine lokale (Gesicht) Hauttemperatur, Schweißrate und Kältezittern. Die Berechnung ist Online über den UTCI-Calculator möglich. ( DWD: 2007 )

Die Daten wurden mit der Human Response Station (BIOMET) gesammelt, die in unmittelbarer Nähe zum HUMVE platziert war. In dem Diagramm ist auf der x-Achse die ShortIn (kurzwellige Einstrahlung) angegeben, auf der y-Achse der UTCI. Die Abbildungen 3 und 4 beziehen sich nur auf den Messtag vom 10. Juni 2014. In Abbildung 4 erkennt man einen annähernd einheitlich ansteigenden Graph. In Abbildung 2, der das Diagramm aus Lufttemperatur und UTCI zeigt, ist die Fluktuation wesentlich größer. Ab einer Lufttemperatur von etwa 30°C nimmt die Streuung allerdings ab. Es ist also deutlich erkennbar, dass der Zusammenhang von kurzwelliger Einstrahlung und UTCI eine wesentlich stärkere Korrelation aufweist, als der Zusammenhang von Lufttemperatur und UTCI. Bei steigender kurzwelliger Einstrahlung steigt auch die gefühlte Temperatur. Der Zusammenhang von Lufttemperatur und UTCI ist weniger direkt erkennbar, allerdings lässt sich feststellen, dass mit zunehmender Lufttemperatur auch die gefühlte Temperatur häufiger höher ist als bei niedriger Lufttemperatur.

Abb.4 Streudiagramm zum Verhältnis von kurzwelliger Einstrahlung (ShortIn) und Index der gefühlten Temperatur UTCI

Abb.5: Streudiagramm zum Verhältnis von Lufttemperatur und Index der gefühlten Temperatur UTCI

Diskussion

Wie bereits oben angesprochen, gibt es bei einigen Graphen in Abbildung 3 einige Abweichungen vom annähernd stetig ansteigenden Graph, das kann mehrere Ursachen haben. Einer der Hauptgründe für starke Unterschiede zwischen Luft und Bodentemperatur kann eine zwischenzeitliche Verschattung der Messstandorte oder ein Nachtzeitraum sein. Durch den Schatten wird die eingebrachte Energie durch die kurzwellige Strahlung in die Oberfläche reduziert, wodurch die Bodenerwärmung stagniert, die Lufttemperatur aber durch Beeinflussung aus der Umgebung weiter steigt. Ähnlich verhält es sich nachts, da dann kurzwellige Einstrahlung weitestgehend fehlt. Da mehrere Gruppen auf Messgängen die Daten erhoben haben und der Grad der Verschattung am Humve nicht durchlaufend dokumentiert wurde, können die verwendeten Daten die Qualität eines Ursachenbeweises nicht liefern, da die Strahlungswerte zur Vergleichbarkeit des UTCI von der BIOMET Station entnommen wurden. Ihr grundsätzlicher Nutzen sollte aber aufgrund der deutlich erkennbaren Zusammenhänge nicht in Frage gestellt werden (siehe Korrelationskoeffizient und Abb.3).

Wie schon im Ergebnis angesprochen, unterscheidet sich der Zusammenhang von UTCI mit jeweils kurzwelliger Strahlung und Lufttemperatur. Die differenzierte Ausprägung der beiden Graphen lässt sich vor allem durch die Eigenschaften der Klimaelemente erklären. Während kurzwellige Strahlung stark von der Exposition des Ortes zur Sonne abhängig ist, vermischt sich die Lufttemperatur durch Luftbewegung wesentlich homogener. Damit lässt sich die größere Streuung bei Abbildung 5 erklären. Zwar wurden sowohl beim Humve, als auch beim Biomet die Daten von Luftbewegungen erfasst, aber aufgrund der Koalition der Daten aus Humve und Biomet lassen sich diese nicht als allgemeingültiger Faktor zuteilen. Daraus folgt auch, dass die kurzwellige Strahlung eher geeignet ist, um daraus den UTCI abzuleiten, als die Lufttemperatur (vgl. Abb.4, Abb. 5).

Zum Ende der Messungen hin gab es eine konkrete Unwetterwarnung des Deutschen Wetterdienstes. Die Lufttemperaturen in diesen Stunden sanken stark, die Bodenoberflächentemperaturen stiegen weiter an. Zu diesen Zeitpunkten gab es also eine große Differenz zwischen Luft- und Bodenoberflächentemperaturen, deren Ursache hier nicht genau erklärt werden kann, die jedoch mitverantwortlich für die „Ausreißer“ in den Streudiagrammen (Abb. 3) ist. Die Unwetterwarnung war der Grund, weshalb die Messungen frühzeitig abgebrochen werden mussten, insgesamt war der Messzeitraum deshalb recht kurz. Hätte man die Messungen über einen längeren Zeitraum fortgesetzt, hätte man unsere anfangs formulierten Hypothesen auch über diesen Zeitraum überprüfen können.

Unser vermuteter statistischer Zusammenhang von Bodenoberflächentemperatur, Lufttemperatur und gefühlter Temperatur hat sich also teilweise als richtig erwiesen. Die Korrelation von Zusammenhang Bodentemperatur und Lufttemperatur ist eindeutig, wohingegen der Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und gefühlter Temperatur nicht so stringent ist. Für die gefühlte Temperatur ist vor allem die kurzwellige Strahlung von Bedeutung, die einerseits durch Eintreffen auf den Boden und dessen Wärmeabstrahlung, sowie direkt auf den menschlichen Körper treffend bedeutsam ist.

Schlussfolgerung

Man kann also sagen, dass es grundsätzlich tagsüber einen Zusammenhang von Bodenoberflächentemperatur und Lufttemperatur gibt, jedoch mit geringen Abweichungen. Der Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und gefühlter Temperatur (UTCI) ist jedoch nicht so stringent erkennbar, dafür hingegen der Zusammenhang zwischen der eintreffenden kurzwelligen Strahlung und der gefühlten Temperatur. Diese Erkenntnisse sind insofern relevant, da im Zuge der zunehmenden Erwärmung von Städten neue Möglichkeiten gesucht werden, um einer Verstärkung der städtischen Wärmeinsel entgegenzuwirken. Man könnte noch weiterführende Studien durchführen, die beispielsweise untersuchen, welche Bodenoberflächenmaterialien sinnvoll wären, um eine weitere Stadterwärmung einzugrenzen.

Quellenverzeichnis

Literatur

HEITRONICS (Hrsg.) (1994): Strahlungspyranometer KT19. URL: https://www.isis.tu-berlin.de/2.0/pluginfile.php/29305/course/section/10679/KT_19_Manual_1.PDF (Zugriff am 07.07.14)

HUPFER, P., KUTTLER, W., 2006: Witterung und Klima: Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. 12. Aufl., B. G. Teubner Verlag: Wiesbaden, 554 S.

Institut für Ökologie, TU Berlin (2012): Human Meteorological Vehicle (HUMVE). http://www.klima.tu-berlin.de/index.php?show=lehre_E-Learning_humve&lan= (Zugriff am 04.07.14)

WEISCHET, W., ENDLICHER, W. (2008): Einführung in die Allgemeine Klimatologie. 7. Aufl., Gebr. Borntraeger: Berlin, Stuttgart, 342 S

ZMARSKY, E., KUTTLER, W., PETHE, H. (2007): Meterologisch-klimatologisches Grundwissen. 3. Aufl., Ulmer: Stuttgart, 182 S.

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (VDI) Richtlinien 3787 Blatt 2 (1998): Umweltmeteorologie,Methoden zur Humanbiometeorologischen Bewertung von Klima und Lufthygiene für die Stadt- und Regionalplanung. Teil 1: Klima.

MILLS, G. (2008): Luke Howard and the Climate of London, Weather Vol. 63, No. 6.

DEUTSCHER WETTERDIENST (DWD) (Hrsg.) (2007): Biometeorologie des Menschen. Online in Internet:http://www.dwd.de/bvbw/generator/DWDWWW/Content/Oeffentlichkeit/PB/PBFB/Periodika/Promet/PDF/promet__33__3-4,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/promet_33_3-4.pdf (Zugriff am 20.07.2014)

Abbildungen

Abb.1 Institut für Ökologie, TU Berlin (2012): Human Meteorological Vehicle (HUMVE). http://www.klima.tu-berlin.de/index.php?show=lehre_E-Learning_humve&lan= (Zugriff am 04.07.14)

Abb.2 nach Google Maps https://www.google.de/maps/@52.5109939,13.3271905,17z (Zugriff am 29.06.14)

Abb.3 eigene Darstellung mit R Software und ggplot2 Package

Abb.4 eigene Darstellung mit R Software

Abb.5 eigene Darstellung mit R Software


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