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)

Planungsrelevante Bewertung des Stadtklimas am Beispiel von Freiburg im Breisgau (MATZARAKIS, A. ET AL.)

Eine Zusammenfassung und Erläuterung der Analysen, die im oben genanntenArtikel vorgenommen wurden; und eine Vertiefung in das Thema Kaltluftwinde und ihre Bedeutung für das Stadtklima.

Autorin: Lisa Cory

Einleitung

Im Sinne des Studienprojektes Grundlagenprojekt Ökologie: Stadt, Land… Klima! (SS14), in dem sich mit dem Phänomen der städtischen Wärmeinsel befasst wird, wurde im Mai 2014 eine Reihe an Referaten zu diversen Themen der Stadtökologie gehalten. Darunter befand sich eine Zusammenfassung des Artikels „Planungsrelevante Bewertung des Stadtklimas am Beispiel von Freiburg im Breisgau“ von A. MATZARAKIS ET AL. , erschienen in Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft (Ausg. 68, 7/8 2008).

Motivation der Stadt Freiburg

Der Artikel befasst sich mit der Stadtklimaanalyse der Stadt Freiburg im Breisgau. Es wird besonders auf die Lufthygiene und den thermischen Wirkungskomplex der Stadt Wert gelegt. Die Analyse mitsamt Messungen, Verarbeitung und Auswertung wurde im Auftrag der Stadt vorgenommen u.a. vom Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, iMA Richter & Röckle (Freiburg) und Umweltuntersuchungen GbR (Freiburg). Der Zweck der Untersuchungen ist die Einbindung der Ergebnisse in die Planungsgrundlage 2020 der Stadt Freiburg, um eine Verbesserung des Humanbioklimas der Stadt zu ermöglichen.

Die Stadt Freiburg liegt im Südwesten Baden-Württembergs, nahe der Grenze zu Frankreich. Sie befindet sich in einem hügeligen Relief mit Höhenunterschieden von bis zu 1000 Metern innerhalb der Stadtgrenzen. Die Lage bewirkt eine überdurchschnittliche Temperatur, verglichen mit dem Mittel Deutschlands, und lokale Kaltluftphänomene. Da es das Ziel Freiburgs ist, das Humanbioklima der Stadt aufzuwerten, wird im Folgenden der Begriff der Humanbioklimatologie nach MATZARAKIS erklärt.

Humanbioklimatologie

„Humanbiometeorologie ist die Analyse der Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen der atmosphärischen Umwelt und der Gesundheit, beziehungsweise dem Wohlbefinden von Menschen, hauptsächlich unter Berücksichtigung der thermischen und lufthygienischen Wirkungskomplexe.„ [nach MATZARAKIS ET AL., 2008]

Ebenfalls wichtig bei der Stadtklimaanalyse ist es, auf die geographischen Besonderheiten und die durch sie verursachten, wichtigen Phänomene einzugehen. Im Falle Freiburg handelt es sich bei den lokalen Phänomenen um Kaltluftabflüsse. Die Voraussetzungen zur Entstehung von Kaltluft sind wolkenarme, windschwache Nächte, da sich aufgrund der nächtlichen negativen Strahlungsbilanz der Erdboden abkühlt. Die darüber liegende Luftschicht wird somit ebenfalls abgekühlt. Mit fallender Temperatur, steigt die Dichte von Luft, sodass Kaltluft sich gegenüber der darüber liegenden, wärmeren Luftschicht absetzt. [VAN DER PÜTTEN, 2011]

In der o.g. Entstehung von Kaltluft ist der Erdboden eben. Entsteht Kaltluft über geneigten Flächen, fließt sie auf Grund ihrer Dichte hangabwärts. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Hanges kann der Kaltluftabfluss mehr oder weniger stark gebremst werden, dies bestimmt über die Geschwindigkeit, mit der er in das Tal fließt. Die im Tal gesammelte Kaltluft kann entweder als Kaltluftsee im Tal verweilen, oder als Talwind entlang des Gefälles abfließen. [VAN DER PÜTTEN, 2011]

Untersucht wurden die Kaltluftentstehung und die Kaltluftabflüsse mittels Kaltlufftmodelle, Durchlüftungsanalysen und Tracergasversuchen.

Ein Kaltluftmodell ist ein physikalisches Strömungsmodell zur Berechnung von Kaltluftentstehung und -strömung. Da es auf physikalischen Grundlagen basiert, ist es zuverlässig berechenbar und vielseitig anwendbar, sowie übertragbar und vergleichbar. (WICHMANN-FIEBIG, 1999) In diesem Fall wurde eine Simulation für eine für Freiburg typische Strahlungswetterlage erzeugt. Die Ergebnisse zeigen, dass der bereits bekannte 'Höllentäler', der in 60% aller Nächte auftritt, die Umgebung Freiburgs und den Nord-Westen des Tals beeinflusst. Obwohl er an manchen Orten erst später spürbar wird, gibt es im gesamten Umland Kaltluftabflüsse, die ab den Abendstunden auftreten, der bedeutendste bleibt aber der 'Höllentäler'.

Ähnlich wie das Kaltluftmodell wurde die Durchlüftungsanalyse anhand eines numerischen Strömungsmodells durchgeführt. Als Grundlage wurde ein Gebäudekataster der Stadt Freiburg gewählt und die Hauptwindrichtung verwendet. Anhand des Modells wird analysiert, wie das Relief der Stadt Winde passieren lässt, oder abbremst. Die Analyse zeigt, dass durch die städtische Struktur, wie hohe und starke Bebauung die Belüftung stark gehemmt wird. Ausnahmen gibt es an Belüftungsbahnen, wie Gleisanlagen, an denen der Wind nur schwach abgebremst wird. Allgemein wird die Stadt als eher schlecht belüftet bewertet.

Ein Verfahren zur Ermittlung von Luftbewegungen sind Tracergasversuche mit Schwefelhexafluorid (SF6). Eine Menge des unsichtbaren, geruchsneutralen, ungiftigen Gases wird in die Atmosphäre freigegeben. Anschließend wird an umliegenden Orten die Konzentration des Gases gemessen, um Luftströmungen zu ermitteln. In Freiburg wurde das Experiment in den Abend- und Nachtstunden durchgeführt, da während dieser Zeit häufig Kaltluftabflüsse in Form eines Talwindes auftreten, demsogenannten 'Höllentäler'. Die Ergebnisse dieser Messung stimmen mit denen der Kaltluftmodelle größtenteils über ein. Ergänzende Methoden, die bei der Klimaanalyse Freiburg angewandt wurden, um auf die Temperaturen inner- und außerhalb der Stadt einzugehen, sind Thermalscannerbefliegungen, eine Bodenmesskampagne und eine Durchlüftungsanalyse.

Bei einer Thermalscannerbefliegung wird die Strahlungstemperatur des Boden von der Luft aus aufgenommen. Mit dieser Methode wird die langwellige Bodenstrahlung bemessen. Die Flüge fanden einmal nachmittags am 08. Juli 2001, dem Zeitpunkt der größten Aufheizung, und ein weiteres Mal kurz vor Sonnenaufgang am 09. Juli 2001, dem Zeitpunkt der größten Abkühlung, statt. Die Messungen ergaben, dass der innerstädtische Raum im Vergleich mit der Umgebung der Stadt sowohl tags, als auch nachts eine deutlich höhere Strahlungstemperatur aufweist. Im städtischen Raum selbst sind die Strahlungstemperaturen der Dächer geringer, als die der Straßen, was auf eine stärkere Streuung der langwelligen Strahlung auf den Dächern, als in den Straßenschluchten hinweist.

Bodenmesskampagne

Die Bodenmesskampagne wurde parallel zu den Thermalscannerbefliegungen in einer 24- stündigen Messung durchgeführt. Es wurden die Lufttemperatur, Luftfeuchte, die Windrichtung und die Windstärke ermittelt. Die Ergebnisse bilden eine Datengrundlage der humanbioklimatischen Verhältnisse des Stadtgebiets. Zum Beispiel wurde ermittelt, dass der Stadtkern am Tage ca. 2,5°C wärmer ist, als die Wiesenflächen des ruralen Gebiets. Bei Nacht steigt die Temperaturdifferenz auf 5,5°C.

Lufthygieneuntersuchung

Für die Feststellung der Lufthygiene wurde eine Berechnung der Luftschadstoffbelastung durch den Hauptemittenten, Kfz-Verkehr, durchgeführt. Die Belastung wird besonders an den Hauptverkehrsstraßen als 'schwer' eingestuft, ansonsten ist die Belastung eher gering, Tendenz sinkend, auf Grund modernerer Fahrzeugtechnik. Die Auswertung erfolge mittels einer bioklimatischen Kartierung, die auf Grundlage der Basisdaten, wie z.B. Stadtrelief, Oberflächenbeschaffenheit, und der Mess- und Analyseergebnisse erstellt wurde.

[1] Kartierung der PET von Freiburg (MATZARAKIS ET AL. 2008)

Die Karte vermittelt die Hitzebelastung der Stadt und des Umlandes mit Hilfe der Physiologisch Äquivalenten Temperatur (PET). „Die […] Physiologisch Äquivalente Temperatur PET ist für eine beliebige Stelle im Freien definiert als diejenige Lufttemperatur, bei der in einem typischen Innenraum die Wärmebilanz eines Menschen bei gleichen Werten der Haut- und Kerntemperatur ausgeglichen ist wie die Bedingungen im Freien.“ [VDI 3787 Blatt 2] Die Kartierung zeigt, dass im innerstädtischen Raum die PET hoch ist, was einen starken bis sehr starken Hitzestress zur Folge hat. Die PET-Werte steigen mit dem Grad der Versiegelung von Flächen und ist besonders gering im Süd-Osten, wo es überwiegend Waldflächen gibt und der 'Höllentäler' den stärksten Einflussbereich hat.

Die Bewertung der Hitzebelastung ist nicht nur abhängig von der PET, sondern auch vom Grad der Betroffenheit von Menschen. Da die Innenstadt besonders dicht besiedelt ist, wird die Situation als „stark“ bis „sehr stark“ eingestuft. Die Ergebnisse der thermischen Stadtanalyse wurden in der Auswertung mit denen der Lufthygieneuntersuchung und der Strömungsmodelle in einer Klimafunktionskarte zusammengeführt.

[2] Klimafunktionskarte, Legende siehe unten [MATZARAKIS ET AL.]

[3] Legende der Planungshinweiskarte [RICHTER & RÖCKLE, STEINECKE & STREIFENEDER 2001]

Die Karte beinhaltet alle planungsrelevanten Aspekte des Freiburger Stadtklimas: thermisch-lufthygienische Belastung und Ausgleichsfunktion (in Grünabstufungen, dunkel 150 bedeutet günstig), besondere Schadstoffbelastung (rosafarbene Schraffur), sowie die Kaltluftabflüsse (blau dargestellte Pfeile). Es wird deutlich, dass der Freiburger Osten eine sehr gute klimatische Ausgleichsfunktion besitzt, hingegen in der Innenstadt thermischen und lufthygienischen Belastungen eher schlecht ausgeglichen werden. Die Belüftungsbahnen verlaufen in Nord-Süd-Richtung, orthogonal zur Hauptwindrichtung und liegen somit ungünstig, um Kaltluftabflüsse durch die Stadt leiten zu können.

Diskussion

Durch die Vertiefung in die humanbioklimatischen Analysen der Stadt Freiburg stellt sich nun die Frage, wie die Vorgehensweise der Analysten und die Schlussfolgerungen zu bewerten sind.

Zu Beginn wurde der Zweck der Untersuchungen festgelegt und die dafür geeigneten Methoden gewählt. Hierbei wurde ein weites Spektrum an Analysen ausgesucht. Die Menge an Methoden ist bei diesem Beispiel eine gute Wahl, da eine tiefgründige Untersuchung so ermöglicht wird, die auch Besonderheiten eines Gebietes, in dem Fall die lokalen Kaltluftabflüsse, hervorhebt und analysiert. Des Weiteren ergänzen und bestätigen sich die Methoden, da die Messergebnisse sich decken.

Ein Mängel könnte der Zeitpunkt der Messungen sein. Sie wurden auf einen Tag beschränkt und untersuchen nur eine Tag-Nacht-Folge eines Sommertages. Weitere Messungen wären sicherlich für tiefgründigere Untersuchungen von Vorteil gewesen, allerdings sind die Aussagen, die aus einer einzelnen Messung gezogen werden können, ausreichend für die Untersuchung. Sie bieten der Planung genügend Aufschluss über die allgemeine Hitzebelastung der Stadt und die Differenzen zum ruralen Gebiet.

Die Darstellung der Hitzebelastungskarte mittels der PET ist günstig. Sie ist einfach zu verstehen und ermöglicht Rückschlüsse auf lokale Klimaphänomene. Zudem ist sie mit anderen Humanbioklimakartierung vergleichbar, die ebenfalls mit der PET dargestellt werden.

Einer Verbesserung würdig ist die Klimafunktionskarte. Zwar bietet sie eine große Bandbreite an Informationen und umfasst die Ergebnisse und Bewertungen sämtlicher Analysen, allerdings ist sie durch die Menge an Informationen in ihrer Lesbarkeit eingeschränkt. Besonders im Bereich des Stadtzentrums überlagern sich viele Faktoren. Es hätte hierbei womöglich genügt, sich auf eine Auswahl an Informationen zu beschränken, oder sie vereinfacht darzustellen.

Ein Mangel besteht in den Vorschlägen zur Verbesserung des Stadtklimas. Es wurden lediglich zwei konkrete Maßnahmen genannt: das Pflanzen von Bäumen und die Freihaltung des Belüftungsbahnen. Weitere Möglichkeiten, die auf Freiburg übertragbar wären, sind die Planungsvorschläge der niederländischen Stadt Ondiep [KLEEREKOPER, 2012]. Für Ondiep wurde vorgeschlagen, dass jeder Wohnraum eine maximale Entfernung von 200 Metern zur nächsten Grünfläche haben soll. Ein weiterer Ondieper Vorschlag ist es, die Streufähigkeit der Straßen zu erhöhen, indem die Straßen geweitet werden. Zusätzlich zu dieser Maßnahme können Schrägdächer die Durchlüftung vom Dachniveau in die Straße leiten. In Freiburg könnten breitere Straßen mit intensivierter Luftzirkulation in Hauptwindrichtungdes 'Höllentälers' die Belüftung der Innenstadt verbessern, indem sie als zusätzliche Belüftungsbahnen agieren. Die Begrünung der Stadt kann nicht nur horizontal in Form von Bäumen stattfinden, sondern zusätzlich vertikal an Grünfassaden umgesetzt werden.

Schlussfolgerung

Da die Untersuchungen in Anlehnung an die Planungsgrundlage 2020 der Stadt Freiburg durchgeführt wurden, lässt sich aus ihnen eine Reihe an Planungsmaßnahmen schlussfolgern. Möglichkeiten zur klimatischen Entlastung der Stadt sind die Freihaltung der Belüftungsbahnen und kleinräumige Modifizierungen, die besonders auf die thermische Belastung eingehen sollen, wie Pflanzung schattenspendender Bäume, oder Erhöhung des Strahlungsreflexionsvermögens, der Albedo, durch Oberflächenmaterialien. Die Stadt soll kein eineitliches Klima besitzen, sondern eine breite Klimavielfalt bieten, um gute Bedingungen für Freizeitaktivitäten aller Art bieten zu können. Im Allgemeinen soll jedes zukünftige Bauvorhaben auf klimatische Relevanz oder auch mögliche Störfaktoren untersucht werden. Hervorgehoben wird die Relevanz der Stadtklimaanalyse für die Politik. Fachliches Wissen, auf denen zum Beispiel diese Studie basiert, sollte bei der Planung von Ballungsräumen stets vorhanden sein und auch genutzt werden und keinen Alibifaktor darstellen.

Quellenverzeichnis

KLEEREKOPER, VAN ESCH, SALCEDO (2012): How to make a city climate-proof, adressing the urban heat island effect; Resources, Conservation and Recycling (Ausg. 64, SS. 30-38)

MATZARAKIS ET. AL. (2008): Planungsrelevante Bewertung des Stadtklimas am Beispiel von Freiburg im Breisgau; Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft (Ausg. 68, 7/8 2008)

VAN DER PÜTTEN, N. (2011): Geruchsausbreitung in Kaltluftabflüssen; HLUG Jahresbericht 2011

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (1998): VDI RICHTLINIE 3787 Blatt 2 Part 2

WICHMAN-FIEBIG, M. (1999): Determing Annual Mean Concentration Values In Complex Terrain - An Inter-Comparison Of Modelling Methods

Abbildungsverzeichnis

[1] Kartierung der PET von Freiburg (MATZARAKIS ET AL. 2008)

[2] Klimafunktionskarte Freiburg (MATZARAKIS ET. AL., 2008: Planungsrelevante Bewertung des Stadtklimas am Beispiel von Freiburg im Breisgau; Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft (Ausg. 68, 7/8 2008))

[3] Legende Klimafunktionskarte (RICHTER & RÖCKLE, STEINECKE & STREIFENEDER 2001, http://www.klima-luft.de/klima-luft/referenzen/beispiele/freiburg


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