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)

Untersuchungen zur städtischen Wärmeinsel im Rahmen des Projektes „Klimawandelgerechte Metropole Köln“

Autor: Vitali Tamorko

Einleitung

„Klimawandelgerechte Metropole Köln“ ist ein Projekt des Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein Westfalen, das sich in Zusammenarbeit mit dem deutschen Wetterdienst und der Stadt Köln mit der besonderen Anfälligkeit der verdichteten, stark versiegelten und oft vegetationsarmen Großstädte für die Folgen des Klimawandels beschäftigt. Neben der Zunahme von Extremwetterereignissen setzt sich das Projekt mit der Problematik der städtischen Wärmeinsel und der daraus resultierenden Belastung auf den Menschen auseinander. Ziel des Projektes ist es, basierend auf den gesammelten Daten, aktuelle und zukünftige Folgen des Klimawandels aufzuzeigen und bewerten zu können. Ausgehend davon entstand ein Empfehlungskatalog für die Stadtplanung und Stadtentwicklung mit Anpassungsmaßnahmen zur Verminderung und Vermeidung der negativen Folgen des Klimawandels in urbanen Räumen zur Sicherung eines verträglichen und gesunden Stadtklimas. (LANUV NRW 2013)

Nach Endlicher besteht selbst im gemäßigten Klima Mitteleuropas ein enger Zusammenhang zwischen thermischem Komfort (Behaglichkeit) bzw. thermischem Diskomfort (Belastung) und menschlicher Gesundheit. So haben Kältestress und Hitzebelastung negative Auswirkungen auf die Gesundheit. (ENDLICHER 2012)

Im Folgenden wird der Teil des Projektes näher beleuchtet, der sich mit den erhöhten thermischen Belastungen auf den menschlichen Organismus innerhalb der Großstädte und Ballungsräume beschäftigt. Dabei sollen die Methoden der Datenerhebung, die Ergebnisse und die darauf aufbauenden Empfehlungsmaßnahmen vorgestellt und anschließend diskutiert werden.

Hauptteil

Mit Hilfe von 17 Wetterstationen wurden Daten zu Lufttemperatur, Niederschlag, Wind, Luftfeuchte und Strahlung über einen Zeitraum von zwei Jahren gesammelt. Dabei standen vier Stationen des LANUV (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz), zwei bestehende Stationen des DWD (Deutscher Wetterdienst) und elf zusätzlich temporär eingerichtete Messstationen des DWD für die Durchführung zur Verfügung. Neben einer möglichst großen Verteilung im Stadtgebiet wurde auch darauf geachtet, die Messstationen in verschiedenen Flächennutzungen und Bebauungsstrukturen zu platzieren. Somit sollten neben den Unterschieden zwischen urbanen und ruralen Stadtbereichen auch die klimatischen Differenzen zwischen unterschiedlich stark versiegelten und verdichteten Stadtbereichen erfasst werden. So befanden sich die Stationen beispielsweise auf Schulhöfen, in einer lockeren Reihenhausbebauung, in direkter Nähe des Kölner Doms oder im Botanischen Garten der Stadt. (LANUV NRW 2013)

Abbildung der Verortung der stationären Messaufbauten (http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/fachberichte/fabe50/fabe50.pdf, S.25, Stand 12.05.2014)

Ergänzend zu den stationären Messungen kamen Messfahrzeuge der mobilen Messeinheit (MME) des DWD zum Einsatz. Diese sind jeweils mit zwei Temperaturmessfühlern (in 1,90m und 0,70m Höhe) zur Erfassung der trockenen und feuchten Lufttemperatur ausgestattet. Zusätzlich befindet sich in 1,90m Höhe ein Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchte. Befahren wurden drei Messrouten mit Start- und Endpunkt im Stadtzentrum an der Aufzeichnungsstation Agrippabad. Die ersten beiden Messstrecken verliefen im rechtsrheinischen und linksrheinischen Teil der Stadt. Mit dem Verlauf vom Stadtzentrum an den Stadtrand und wieder zurück wurde versucht möglichst viele urbane und rurale Flächennutzungen abzudecken, um die Temperaturunterschiede zwischen diesen breit? vergleichen zu können. Die Messfahrten starteten eine Stunde vor Sonnenaufgang. Aus vorhergehenden Untersuchungen ist bekannt, dass im Sommer zu dieser Zeit die größten Temperaturunterschiede zwischen den innerstädtischen und den peripheren Gebieten zu erwarten sind. Um die gemessenen Werte räumlich genau zuordnen zu können, wurden die Fahrten mittels GPS registriert. Bei allen Messungen wurde vorwiegend auf optimale Bedingungen (austauscharme, wolkenlose und windschwache Wetterlagen) geachtet. Eine Maximalgeschwindigkeit von 30km/h hatte zur Folge, dass auf 8m Strecke je ein Datensatz zur Verfügung stand. (ebda.)

Messrouten im links- und rechtsrheinischen Teil der Stadt beginnend ca.1h vor Sonnenaufgang. (http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/fachberichte/fabe50/fabe50.pdf, S.30, Stand 12.05.2014)

Die dritte Messfahrt beschränkte sich ausschließlich auf das Stadtzentrum und wurde direkt nach Sonnenuntergang durchgeführt und zwei Stunden später wiederholt. Das Ziel war es, die Temperaturverteilung zu Beginn der Nachtruhe und der Erholungsphase zu erfassen. Um die fortschreitende nächtliche Abkühlung während der mobilen Messfahrten zu berücksichtigen, wurden alle gemessenen Werte auf einen Zeitpunkt korrigiert. Grundlage war die mittlere Abkühlungsrate der Klimastation im Stadtkern Agrippabad. (ebda.)

Innerstädtische Messroute 3 für Messungen direkt nach Sonnenuntergang, nur Sommermonate (http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/fachberichte/fabe50/fabe50.pdf, S.30, Stand 12.05.2014)

Die Auswertung der Daten aus den stationären Messungen zeigen klar den Effekt der städtischen Wärmeinsel, der zum ersten Mal von Luke Howard beobachtet wurde. Er beschreibt die Temperaturunterschiede zwischen den urbanen und ruralen Flächen und lässt sich durch ΔTu-r beziffern. (MILLS 2008) So beträgt im Jahr 2011 der mittlere Temperaturunterschied (mittlere Wärmeinseleffekt) zwischen dem Stadtkern (Höchstwert Jahresmittel: 13,1°C) und der Peripherie (niedrigster Wert Jahresmittel: 11,0°C) 2°C. Im folgenden Aufzeichnungsjahr liegt der mittlere Wärmeinseleffekt bei 2,2°C. Den höchsten Jahresmittelwert liefern dabei zwei Stationen in der Innenstadt mit 12,4°C. Den niedrigsten Wert der Jahresmitteltemperatur liefert wie auch im Vorjahr die Station Dellbrück am Stadtrand mit 10,2°C. Der maximale Wärmeinseleffekt (Temperaturunterschied am Ende eines heißen Sommertages) kann in Köln im Untersuchungszeitraum sogar mit bis zu 10°C beziffert werden. (LANUV NRW 2013)

Als weiteres Bewertungskriterium wurde das Auftreten von so genannten Temperaturkenntagen betrachtet. Gezählt wurde das Aufkommen von Sommertagen (Temperaturmaximum von mindestens 25°C), heißen Tagen (Temperaturmaximum von mindestens 30°C) und tropischen Nächten (Temperaturminimum 20°C). (LANUV NRW 2010) Dabei konnte bei allen drei Kriterien in beiden Jahren die deutlich abnehmende Tendenz vom Stadtkern zur Peripherie nachgewiesen werden. Die Maximaldifferenz der Sommertage liegt dabei bei 19 Tagen, bei den heißen Tagen sind es 11 Tage und bei den Tropennächten wurde ein Unterschied von 9 Nächten zwischen dem Höchstwert im Stadtkern und dem Tiefstwert am Stadtrand verzeichnet. (LANUV NRW 2013) Zusätzlich wurden für die Sommermonate im Messzeitraum das Aufkommen von Hitzewarntagen und die Wärmebelastung berechnet. Beschrieben werden diese Größen durch die gefühlte Temperatur (GT), die mit dem Klima-Michel-Modell bestimmt wird. (ebda.) Das Modell greift die Behaglichkeitsgleichung von Fanger auf und koppelt diese mit dem kurz- und langwelligen Strahlungshaushalt. (HORBERT 2000) Somit entsteht ein vollständiges Wärmehaushaltsmodell für den Menschen zur Bewertung der thermischen Umgebungsbedingungen. (DWD 2014a)

Abbildung Klima-Michel-Modell (http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index.htm?ID=K&DAT=Klima-Michel-Modell, Stand 27.06.2014(b))

Die unten stehende Tabelle führt neben den Temperaturkenntagen das Aufkommen von Tagen mit starker Hitzebelastung(GT>=32°C) und Hitzewarntagen (GT>=32°C aktueller und nachfolgernder Tag ohne ausreichende nächtliche Abkühlung) für den Auswertungszeitraum vom 01.07.2013 bis 04.08.2013. (LANUV NRW)

Noch deutlicher als bei den Temperaturkenntagen lässt sich bei den Hitzewarntagen und den Tagen mit starker Wärmebelastung der Rückgang der Anzahl mit der Entfernung vom Stadtzentrum (Stationen Museum Ludwig, Agrippabad) beobachten.

Auftreten von Temperaturkenntagen, Hitzewarntagen und Tagen mit erhöhter Wärmebelastung mit Entfernung vom Stadtzentrum für den Zeitraum 01.07.- 04.08.13 (http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/fachberichte/fabe50/fabe50.pdf, S.59, Stand 26.06.2014)

Somit konnte bei allen fünf Kriterien die abfallende Tendenz Stadtzentrum hin zum Stadtrand und Umland nachgewiesen werden.

Die Ergebnisse aus den Messfahrten zeigen ebenfalls deutlich die Auswirkungen des städtischen Wärmeinseleffekts. So konnten auf den links- und rechtsrheinischen Messrouten Unterschiede zwischen der Innenstadt und der Peripherie von 6-7°C nachgewiesen werden. Neben diesen großräumig verteilten Temperaturunterschieden, konnten auch Differenzen auf benachbarten Flächen bzw. innerhalb eines Stadtteils aufgezeigt werden. Hierbei wurden Temperaturgefälle von bis zu 5°C auf einer Strecke von nur 2km zwischen dichten und versiegelten Bereichen und Frei- und Grünflächen innerhalb eines Stadtbezirkes festgestellt. (ebda.) Die gesammelten Daten, der sich nur auf das Stadtzentrum begrenzenden dritten Messroute, sollten die unterschiedlichen Belastungen zu Beginn der wichtigen nächtlichen Erholungsphasen aufzeichnen. Dabei sind klare Unterschiede innerhalb des Stadtkerns erkennbar. Zwischen dichter Bebauung und größeren Grünanlagen treten Temperaturunterschiede von 3-4°C auf. Noch deutlicher ist dieser Effekt im dem zwei Stunden später aufgezeichneten Temperaturprofil erkennbar. Hier liegen die Unterschiede sogar zwischen 4 bis 4,5°C. (ebda.) Bedingt wird dies durch die schnellere Abkühlung der großen Grünflächen im Vergleich zu den wärmespeichernden versiegelten Oberflächen der Innenstadt. Somit konnten durch die Profilfahrtmessungen nicht nur die Temperatur- und Belastungsunterschiede zwischen Innenstadt und Peripherie, sondern auch kleinräumige Unterschiede zwischen dicht versiegelten Flächen und begrünten Freiflächen bekräftigt werden. Die wichtige Bedeutung der Vegetation als kühlendes Stadtelement wird dabei in beiden Betrachtungsebenen klar deutlich. Ebenfalls konnte die geringe Abkühlungsrate der versiegelten und dichten Stadtflächen aufgezeigt werden.

Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse wurden Empfehlungsmaßnahmen für die Stadtentwicklung formuliert, um die städtische Wärmeinsel planerisch zu begrenzen. Die wichtigsten sind im Folgenden zusammengefasst. So sollen Kaltluft- und Frischluftschneisen bei zukünftigen Planungen berücksichtigt werden. Dabei sollen bestehende erhalten bleiben bzw. neue angelegt werden. Sie sind in der Planungshinweiskarte dargestellt. Diese ist ein Ergebnis des im Projekt eingesetzten MUKLIMO_3 Simulationsmodells. Abgebildet sind die laut Simulation zu erwartenden Bereiche mit erhöhter Hitzebelastung für den Zeitraum 2021-2050.

(http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/fachberichte/fabe50/06_Planungsempfehlungen.pdf, S.118, Stand 26.06.2014)

Desweiteren soll eine Oberflächenentsiegelung durch das Anlegen von Rasenflächen in Hinterhöfen oder durch eine Teilbegrünung von Parkplätzen erzielt werden. Ein höherer Reflektionsgrad von Fassaden und die Verwendung von Bausubstanz mit einem geringeren Wärmespeichervermögen dienen dem Schutz der Gebäude vor Aufheizung. Geschlossene Blockrandstrukturen sollen nach Möglichkeit unterbrochen und Bebauungsgrenzen festgelegt werden. Eine verstärkte Vegetationsverwendung in Form von Dachbegrünung, Straßenbepflanzung oder neuen Parkanlagen, hilft die städtischen Flächen schneller abzukühlen bzw. durch Verschattung einer übermäßigen Aufwärmung entgegenzuwirken und Erholungsräume zu bieten. (ebda.)

Diskussion

Bei genauerer Auseinandersetzung mit den stationären Messungen fällt auf, dass die Daten mit drei verschiedenen Stationstypen erhoben wurden (LANUV, DWD bestehende und temporäre). Auf eine Abstimmung oder Eichung der Messinstrumente zur Schaffung vergleichbarer Datensätze wird im Projektbericht nicht eingegangen. Im Gegenteil wird angeführt, dass es bauliche Unterschiede gab. So befanden sich zwei der Stationen in Messcontainern. Genau diese beiden lieferten auch in beiden Untersuchungsjahren deutlich die höchsten Jahresmittelwerte. Sie befinden sich zwar in hoch frequentierten Straßenschluchten urbaner Lage, in wie fern jedoch die unterschiedliche Bauweise dieser Stationen Einfluss auf die Messergebnisse hat, bleibt offen und nicht mehr nachvollziehbar.

Die rein punktuelle stationäre Methode wurde durch die Aufzeichnungen der Profilfahrten ergänzt, die eine Kette aus eng beieinander liegenden Messpunkten bilden. Diese hat den Vorteil, dass sie zumindest entlang der Messrouten eine genauere Betrachtung im kleinräumigen Maßstab erlaubt. Hierbei konnten, deutlicher als mit den festinstallierten Stationen, die Temperaturunterschiede eng zusammenliegender unterschiedlicher Flächennutzungsformen dokumentiert werden. Die Bedeutung von Vegetation und Vegetationsflächen wird ebenfalls durch diese Methode deutlicher, da in kleinen räumlichen Abständen beachtliche Temperaturunterschiede zwischen Grünflächen und versiegelten Flächen dargestellt werden konnten. Damit zeigt sich die große Bedeutung von ausreichender Bepflanzung innerhalb der Innenstadtbereiche zur Schaffung eines verträglichen und gesunden Klimas.

Als Nachteile dieses Verfahrens müssen die Störfaktoren durch den Verkehr diskutiert werden. Ampeln und andere Verkehrsteilnehmer, behindern eine kontinuierliche Fahrt bei gleichbleibender Geschwindigkeit und somit auch gleichbleibende Bedingungen. Ähnlich haben auch Tunnelfahrten und die Wärmeausstrahlung anderer Pkws eine verfälschende Wirkung auf die Messwerte. Diese Daten wurden nachträglich herausgefiltert wie beispielsweise auch in der Studie „Analyse der Urbanen Luftqualität mittels mobiler Messungen“ von Kuttler und Wacker aus dem Jahr 2001. (KUTTLER UND WACKER 2001) Dabei sind die Aufzeichnungen auf Plausibilität überprüft und Artefakte entfernt worden. Resultierend daraus ist die lückenlose Aufzeichnung einer Profilfahrt nicht möglich. Angaben über das Maß der Vollständigkeit der jeweiligen Datensätze nach dem Filterungsprozess bzw. über das Volumen der entfernten Daten finden sich im Projektbericht nicht. Damit sind die im Ergebnisteil als vollständig dargestellten Temperaturprofile angreifbar.

Die fortschreitende Abkühlung im Verlauf der Messfahrtdauer von ca. eineinhalb Stunden wurde mit Hilfe einer mittleren Abkühlungsrate korrigiert. Dieser Wert stammt von der Messstation Agrippabad. Dabei handelt es sich um einen stark urbanen Standort und somit um eine geringe Abkühlungsrate verglichen mit ruralen Standorten oder jenen mit großem Grünflächenanteil. Für eine genauere Korrektur empfiehlt sich zumindest ein zweiter Wert, der die Rate weniger versiegelter Flächen bzw. vegetationsreicherer Räume wiederspeigelt.

Die gemachten Handlungsempfehlungen für die Stadtplanung basieren auf dem Handbuch Stadtklima des Bundeslandes Nordrhein-Westfalen (STEINBRÜCKE UND SNOWDON 2010), dass auch Endlicher (2012:240) für die Anpassungsmöglichkeiten der Städte an die zunehmende Hitzebelastung als Grundlage dient. Dabei ist festzustellen, dass es sich bei den meisten Maßnahmen um mittel- oder langfristig zu planende handelt. (ENDLICHER 2012)

Hierbei wäre eine verpflichtende Wirkung der Empfehlungen für sämtliche zukünftigen Stadtentwicklungspläne beziehungsweise private Bauvorhaben innerhalb des Stadtgebietes zu diskutieren.

Schlussfolgerung

Trotz der zuvor gehend beschriebenen möglichen Ungenauigkeiten bei den Messungen, ist es im Rahmen des Projektes gut gelungen, die Ausmaße des städtischen Wärmeinseleffektes und die damit verbundenen zusätzlichen Belastungen für die menschliche Gesundheit festzuhalten. Die besondere Rolle der Freiflächen und die Bedeutung von Vegetation für die Stadtklimaverbesserung werden an Hand der Ergebnisse klar verdeutlicht. Neben den zunehmend diskutierten Möglichkeiten der Fassaden- und Dachbegrünung, ist es Aufgabe der Freiraumplanung für genügend grüne Freiräume in der Stadt zu sorgen. In der Landschaftsarchitektur wird häufig unter dem Aspekt der Angemessenheit über Entwurfsqualitäten argumentiert. Entwürfe für Plätze in Stadtzentren beispielsweise erhalten auch oft dementsprechend einen urbanen Charakter. Laut DIMOUDI UND NIKOLOPOULOU (zit. in HAGEN, STILES UND TRIMMEL) findet die größte Verminderung in der Lufttemperatur in Städten durch Erhöhung des Grünanteils statt. Gerade bei den oben beschriebenen Räumen sollte also das Grün in der Entwurfsplanung nicht vernachlässigt werden. Die erstellten Empfehlungen sind allgemein als positiv zu bewerten. Jedoch wird nicht nur für die Stadt Köln eine verpflichtende Funktion dieser Maßnahmen erforderlich werden, um auch bei fortschreitender Entwicklung der Urbanisierung und des Klimawandels, ein verträgliches und gesundes Stadtklima zu gewährleisten.

Quellenverzeichnis

DEUTSCHER WETTERDIENST (DWD) (Hrsg.), 2014a: Wetterlexikon. Online in Internet: URL: http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/. [Stand 12.05.2014]

DEUTSCHER WETTERDIENST (DWD) (Hrsg.), 2014b: Wetterlexikon. Online in Internet: http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index.htm?ID=K&DAT=Klima-Michel-Modell. [Stand 12.05.2014]

ENDLICHER, W., 2012: Einführung in die Stadtökologie: Grundzüge des urbanen Mensch- Umwelt-Systems. Ulmer: Stuttgart, 272 S.

HAGEN, K., STILES, R. UND TRIMMEL, H., BUNDESMINISTERIUM FÜR VERKEHR, INNOVATION UND TECHNOLOGIE (HAGEN, STILES UND TRIMMEL) (Hrsg.), 2010: Wirkungszusammenhänge Freiraum und Mikroklima. Wirkungszusammenhänge Freiraum und Mikroklima. Online in Internet: URL: http://www.nachhaltigwirtschaften.at/hdz_pdf/aspernplus_freiraum-mikroklima.pdf. [Stand 26.06.2014]

HORBERT, M., 2000: Klimatologische Aspekte der Stadt- und Landschaftsplanung. Schriftenreihe Landschaftsentwicklung und Umweltforschung der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt – der Technischen Universität Berlin, 330 S.

KUTTLER, W. UND WACKER , T.D., INSTITUT FÜR ÖKOLOGIE, ABT. ANGEWANDTE KLIMATOLOGIE UND LANDSCHAFTSÖKOLOGIE (KUTTLER UND WACKER) (Hrsg.), 2001: Analyse der urbanen Luftqualität mittels mobiler Messungen. Online in Internet: URL: https://www.uni-due.de/imperia/md/content/geographie/klimatologie/kuttler_wacker_2001.pdf. [Stand 26.05.2014]

LANDESAMT FÜR NATUR, UMWELT UND VERBRAUCHERSCHUTZ NORDRHEIN-WESTFALEN (LANUV NRW) (Hrsg.), 2010: Klimabericht 2010. Online in Internet: URL: http://www.klimaatlas.nrw.de/site/nav2/Temperatur.aspx?P=3&M=2 . [Stand 12.05.2014]

LANDESAMT FÜR NATUR, UMWELT UND VERBRAUCHERSCHUTZ NORDRHEIN-WESTFALEN (LANUV NRW) (Hrsg.), 2013: Klimawandelgerechte Metropole Köln Abschlussbericht Fachbericht 50. Online in Internet: URL: http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/fachberichte/fabe50/fabe50start.htm. [Stand 12.05.2014]

MILLS, G., 2008: Luke Howard and the climate of London. Online in Internet: URL: https://www.isis.tu-berlin.de/2.0/pluginfile.php/80525/mod_page/content/29/Mills_2008.pdf. [Stand 26.05.2014]

STEINRÜCKE, M. UND SNOWDON, A., MINISTERIUMS FÜR UMWELT UND NATURSCHUTZ, LANDWIRTSCHAFT UND VERBRAUCHERSCHUTZ DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN (STEINRÜCKE UND SNOWDON) (Hrsg.), 2010: Handbuch Stadtklima Maßnahmen und Handlungskonzepte für Städte und Ballungsräume zur Anpassung an den Klimawandel. Online in Internet: URL:http://www.umwelt.nrw.de/umwelt/pdf/klimawandel/handbuch_stadtklima/kapitel4_S155-228.pdf. [Stand 12.05.2014]


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