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)

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Prognose- und Diagnoseverfahren zur Verbesserung des Stadtklimas

Stadtklimatische Untersuchungen zur thermischen Belastung unter Berücksichtigung des Klimawandels am Beispiel der Stadt Oberhausen

Autorin: Kathy Börner

Einleitung

Anhand von Modellsimulationen wird untersucht, ob durch die virtuelle Erhöhung verdunstungsaktiver Flächen in der Stadt die thermische Belastung für den Menschen reduziert werden kann (KUTTLER, W. et al. 2012). In diesem Rahmen wird die städtische Wärmeinsel als Ursache für erhöhte thermische Belastungsrisiken beschrieben: Die Stadt weist aufgrund einer hohen Versiegelungs-, Bebauungs- und Siedlungsdichte eine erhöhte Lufttemperatur, geringere Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit auf. Hierbei spielen die Einflüsse des thermischen Wirkungskomplexes eine wesentliche Rolle, welche das Humanbioklima und damit den Wärmehaushalt des Menschen erheblich beeinflussen. Demnach können kurz- und langwellige Strahlungsverhältnisse, abgeschwächte Windgeschwindigkeiten sowie geringere Luftfeuchtigkeit und steigende Temperaturen das thermische Belastungsrisiko für den Menschen in der Stadt deutlich erhöhen (VDI-Richtlinie 3787 1998). Einflussgrößen des thermischen Wirkungskomplexes können anhand der physiologisch äquivalenten Temperatur (PET) bewertet werden. In diesem Rahmen kann mit Hilfe einer mehrstufigen Skala das thermische Empfinden des Menschen nachvollzogen werden. Dabei orientiert man sich an dem Behaglichkeitsempfinden, welches in Abhängigkeit von Aktivität und Kleidung differenziert wahrgenommen wird. Hierbei entstehende Abweichungen können zu thermischen Belastungen wie z.B. Hitzestress führen, von denen Gesundheitsgefahren ausgehen. Die mit der Klimaveränderung einhergehende Veränderung des Strahlungshaushaltes führt zu einem globalen Temperaturanstieg, woraus erforderliche Klimaschutz- und Adaptionsmaßnahmen resultieren. Diese tragen dazu bei, klimatischen Veränderungen entgegenzuwirken sowie Anpassungsmöglichkeiten zu entwickeln (Vgl. ENDLICHER, W. 2012). In diesem Rahmen liefern klimatische Modellsimulationen entscheidende Lösungsansätze zur Reduktion der Temperaturen in der Stadt. Mit dem in diesem Kontext verwendeten Begriff Plan-Szenarium werden klimatische Entwicklungen der Temperaturen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Oberflächenstrukturen in der Stadt simuliert. In diesem Zusammenhang spielt die Verdunstungsaktivität - bedingt durch die Transpiration der Pflanzen - eine wesentliche Rolle. Die hiermit verbundene Abkühlung der Oberflächentemperaturen resultiert aus der Umwandlung von sensibler in latente Wärmeenergie und kann das Stadtklima günstig beeinflussen (Vgl. ERELL, E. et al. 2011).

Vorstellung des Projektes

Die Modellsimulationen wurden im Rahmen des BMBF-finanzierten Verbundprojektes dynaklim durchgeführt. Dabei wurden in der Modellstadt Oberhausen im Zeitraum vom 01.08.2010-31.07.2011 Plan-Szenarien realisiert. Hierbei wurde die Verdunstungsaktivität für verschiedene städtische Flächennutzungsstrukturen untersucht. In diesem Zuge fand man heraus, dass die thermische Beanspruchung in Abhängigkeit des Versiegelungsgrades ausgewählter Standorte unterschiedlich ausfiel. Der Schwerpunkt der Plan-Szenarien liegt dennoch auf den klimatischen Analysen der hochversiegelten Innenstadt, da diese die größten thermischen Belastungen aufweist. Die Simulationen fanden mit dem Energiebilanzmodell ENVI-met statt, bei dem die Realität abstrahiert wird. Oberflächenstrukturen wie Vegetation, Boden, Bebauung und Atmosphäre werden hierbei in dreidimensionale Raumgitterzellen zerlegt. Für die einzelnen sowie benachbarten quadratischen Einheiten werden klimatologische Faktoren wie Windverhältnisse, Luftfeuchtigkeit und -temperatur berechnet. Das daraus resultierende Beziehungsgefüge virtueller Daten unterschiedlicher Teilmodelle erlaubt die Darstellung atmosphärischer Vorgänge. Die modellhaften Simulationen konnten ausschließlich auf der Grundlage der Ermittlung realer Messdaten ausgeführt werden. In diesem Rahmen wurden Lufttemperatur und -feuchte, Windgeschwindigkeit und -richtung, Strahlungsbedingungen sowie die physiologische äquivalente Temperatur (PET) erhoben. Diese klimatologischen Parameter wurden an acht verschiedenen Standorten ermittelt, die eine differenzierte Verdunstungsaktivität aufweisen. In diesem Rahmen wurden die hochversiegelte Innenstadt, Innenstadt, Park, Gewerbe, Stadtrand, Gewässer, Wald und Freiland untersucht. Folglich wurde die Verdunstungsaktivität der realen Klimatope mit der virtuellen Erhöhung des verdunstungsaktiven städtischen Flächenanteils verglichen. Dieser Vergleich erfolgte modellhaft durch die Gegenüberstellung der Ist- und Plan-Zustände (KUTTLER, W. et al. 2012). Die daraus resultierenden Unterschiede der Verdunstungseffekte und die Einflüsse auf die human-biometeorologische Situation werden im Folgenden diskutiert:

Diskussion

Die Modellsimulationen des Ist-Zustandes zeigen, dass die Verdunstungsaktivität in städtischen Zentren geringer ausfällt (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012). Dies ist bedingt durch lokalklimatische Bedingungen in der Stadt. Dichte Bebauungsstrukturen sowie eine hohe Versiegelungsdichte führen zu einer verstärkten Absorption von kurzwelliger Solarstrahlung und langwelliger terrestrischer Strahlung. Temperaturerhöhungen entstehen demnach durch die Umwandlung von Strahlungs- in Wärmeenergie. Selbst nachts fällt der Verlust langwelliger Strahlung in städtischen Gebieten gering aus, wodurch in den Sommermonaten eine kontinuierliche Wärmespeicherung erfolgt (Vgl. BÖER, W.1954). Diese lokalklimatischen Facetten der städtischen Wärmeinsel treten insbesondere an strahlungsreichen und austauscharmen Tagen auf (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012). Weiterhin wird durch feste Oberflächenstrukturen wie versiegelte Flächen die Aufnahme von Niederschlag verhindert. Demnach führt der beschleunigte Abtransport des Wassers zu einer verminderten Verdunstung, wodurch ebenso Temperaturerhöhungen in der Stadt entstehen (Vgl. BÖER, W.1954). Die im Rahmen der städtischen Wärmeinsel verstärkten Strahlungseffekte und sensiblen Temperaturerhöhungen können dazu führen, dass die Thermoregulation des Menschen aus dem Gleichgewicht gerät (Vgl. VDI-Richtlinie 3787 1998). Allerdings kann die Strahlungsbilanz sowie die latente und fühlbare Wärme durch planerische Maßnahmen beeinflusst werden, wodurch eine Minimierung des Gesundheitsrisikos gefährdeter Personengruppen in der Stadt erreicht werden kann (Vgl. ENDLICHER, W. 2012). In der folgenden Abbildung wird die Abhängigkeit der thermischen Belastung anhand des PET mit dem versiegelten Flächenanteil und der Windgeschwindigkeit in der Modellstadt Oberhausen dargestellt (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012):

Abb. 1 Abhängigkeit der PET vom versiegelten Flächenanteil

Hierbei zeigt die Simulation des Ist-Zustandes, dass die thermische Beanspruchung - dargestellt anhand der PET - mit der Abnahme der versiegelten Fläche und einer höheren Windgeschwindigkeit abnimmt. Anhand dieses Beziehungsgefüges können wichtige Schlussfolgerungen hinsichtlich einer Verbesserung der humanbioklimatischen Situation getroffen werden. Die folgende Abbildung zeigt anhand der Modellsimulationen der Plan-Zustände, dass die Erhöhung verdunstungsaktiver Flächenanteile in der hochversiegelten Innenstadt zu einer Reduktion der thermischen Belastung führen (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012).

Abb. 2 Wirkungen einzelner Plan-Szenarien in Oberhausen auf die PET

Hierbei ist erkennbar, dass unterschiedliche Vegetationsarten differenzierte Kühlungswirkungen aufweisen. Wald-, Gras- und Parkflächen veranlassen nachts eine gleichmäßige Reduktion der PET. Tagsüber wird die thermische Belastung am stärksten durch größere Waldflächen reduziert. Diese weisen im Gegensatz zu weiteren Vegetationsformen die höchste Verdunstungsaktivität auf. Einerseits ist die Transpirationsoberfläche der Pflanzenstrukturen im Wald wesentlich größer und andererseits kann das Niederschlagswasser im Boden versickern, wodurch mehr Flüssigkeit verdunsten kann. Demnach können im Wald deutlichere Kühlungseffekte erreicht werden. Die Reduktion der PET resultiert ebenso aus der Reichweite der Kühlungswirkung von Waldgebieten bis zu 100 Metern. Allerdings können Verdunstungsvorgänge der Vegetation ausschließlich durch eine ausreichende Wasserversorgung stattfinden (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012). Eine Abkühlung der Temperaturen wird ebenso erreicht, indem die direkte Sonnenstrahlung durch die Größe der Baumkronen und Dichte der Baumbestände abgeschirmt wird (Vgl. BÖER, W.1954). Die Verbesserung der human-biometeorologischen Situation kann in der Stadt ebenso durch Wasserflächen erreicht werden. Allerdings ist dieser Effekt nur realisierbar, wenn es sich um ein dynamisches Gewässer handelt. Außerdem sorgen minimale Windgeschwindigkeiten für den Transport des Wassers in die nähere Umgebung, sodass unter diesem Umstand ebenso eine Kühlungswirkung über die Wasserfläche hinaus entsteht (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012). Je mehr Verdunstungsaktivität stattfindet, desto effektiver können thermische Belastungen in der Stadt reduziert werden. Dieses Wirkungsgefüge spielt hinsichtlich des Klimawandels eine entscheidende Rolle, da anthropogen verursachte globale Temperaturerhöhungen das Phänomen der städtischen Wärmeinsel verstärken (Vgl. ENDLICHER, W. 2012). Daher stellen die Modellsimulationen klimawirksamer Strategien einen entscheidenden Schritt zur Verbesserung mikroklimatischer Bedingungen in der Stadt dar (KUTTLER, W. et al. 2012). Allerdings stellt sich die Frage, ob die Begriffe Prognosen und Minderungsstrategien im Kontext des Klimawandels korrekt verwendet werden. Meiner Meinung nach beziehen sich die Verfasser der dynaklim-Publikation mit dem Begriff „Prognose“ auf die Temperaturentwicklung in städtischen Wärmeinseln. Dies geschieht unter Berücksichtigung von Minderungsstrategien, die im Rahmen der Erhöhung verdunstungsaktiver Flächen zu Temperaturreduktionen in der Stadt führen. Allerdings sind die Begrifflichkeiten „Prognose“ und „Minderungsstrategien“ auf den Klimawandel begrenzt anwendbar. In der Überschrift der Publikation wird der Eindruck erweckt, dass die Ursachen der städtischen Wärmeinsel ausschließlich durch den Klimawandel hervorgerufen und dass demnach Maßnahmen ergriffen werden, die diesem entgegenwirken. Die Minderungsstrategien beeinflussen jedoch die lokalklimatischen Ursachen in der Stadt bedingt durch dichte Siedlungs- und Bebauungsstrukturen.

Schlussfolgerungen – Bewertung des Simulationsmodells ENVI-Met

Bei dem Simulationsverfahren von ENVI-met handelt es sich um ein dynamisches numerisches Modell, welches ausschließlich atmosphärische Strömungsprozesse auf der Grundlage realer Klimadaten berechnet, wodurch regionalklimatische Vorgänge zuverlässig dargestellt werden können. Je feiner die Auflösung des Klimamodells ist, desto aufwendiger ist die Berechnung atmosphärischer Vorgänge. Allerdings werden für die Simulationen regionaler Modelle klimatologische Eingangswerte globaler Modelle genutzt (Vgl. KASANG, D. 2014). Demnach stellen diese Simulationsverfahren ein bedeutendes Fundament für die Darstellung mikroklimatologischer Prozesse in regionalen Szenarien dar. Durch die Abstraktion realer Oberflächen und atmosphärischer Zustände in Simulationsmodellen findet lediglich eine Annäherung an die Wirklichkeit statt. Glaubhaftigkeit regionaler Plan-Szenarien kann durch die Darstellung der Teilmodelle Vegetation, Boden, Bebauung und Atmosphäre sowie der Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenstrukturen und atmosphärischen Zuständen erreicht werden. Atmosphärische Zustände wie Lufttemperatur, -feuchte, -druck und Wind sowie dessen Interaktionen werden in Raumgitterzellen dargestellt. (Vgl. KUTTLER, W. et al. 2012). Diese skaligen Prozesse können mit einer feinen Auflösung präsentiert werden. Problematisch ist die Abbildung von subskaligen klimatischen Prozessen wie z.B. turbulenten Austauschprozessen von Wasserdampf zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre, Niederschlagsbildung und Strahlungstransporte. Aufgrund der groben Auflösung können diese meteorologischen Vorgänge nicht in einer modellhaften Raumgitterzelle dargestellt werden, weshalb diese parametrisiert werden. In diesem Zusammenhang werden subskalige anhand von skaligen Vorgängen unter Berücksichtigung empirischer Zusammenhänge in Raumgitterzellen beschrieben (Vgl. KAPPAS, M. 2009). Für die korrekte Ausführung der Parametrisierung erfolgt hierbei eine Skalentrennung, bei der skalige und subskalige Vorgänge separat voneinander erfasst werden (Vgl. DWD 2014). Die fehlende Darstellung kleinräumiger Zustände in Raumgitterzellen sorgt für Ungenauigkeiten in der modellhaften Gesamtdarstellung atmosphärischer Vorgänge. Die daraus resultierenden Lösungsvorschläge hinsichtlich der Entwicklung einer feineren Auflösung stellen eine technische Herausforderung dar (KAPPAS, M. 2009). Eine detaillierte Erfassung mikrometeorologischer Prozesse könnte in diesem Rahmen zu einer verbesserten Darstellung von skalierten Vorgängen führen aufgrund vorhandener Wechselbeziehungen. Trotz der aufgeführten Schwächen dienen Modellsimulationen dazu, die meteorologischen Veränderungen im Zuge des Klimawandels auf globaler und regionaler Ebene sowie dessen humanbioklimatische Folgen zuverlässig zu prognostizieren. In diesem Rahmen kann die Formulierung von Klimaschutz- und Anpassungszielen formuliert werden (Vgl. ENDLICHER, W. 2012). Dies ist besonders wichtig, da sich die Gesellschaftsstruktur aufgrund des Bevölkerungswachstums und demographischen Wandels verändern wird. Die damit einhergehende Erhöhung des thermischen Belastungsrisikos in der Stadt stellt ein entscheidendes klimatologisches Grundproblem dar. Entsprechende Handlungsschwerpunkte sollten in der Politik und Umweltplanung thematisiert werden. Demnach liefern die in den regionalen Modellsimulationen prognostizierten Minderungsstrategien entscheidende Lösungsvorschläge zur Reduktion thermischer Gesundheitsrisiken in städtischen Gebieten. Die praktische Umsetzung von klimatischen Anpassungsmaßnahmen erfolgt in der räumlichen Gesamtplanung auf der Ebene der Bauleitplanung, wodurch bedeutende Anwendungsbereiche des Studienganges Ökologie und Umweltplanung aufgeführt werden. Ergänzend sollten in die bisherigen Simulationen Teilmodelle, die komplexere atmosphärische Prozesse wie den Kohlenstoffkreislauf darstellen, integriert werden (KAPPAS, M. 2009). Dadurch könnten die Prognosen hinsichtlich des Klimawandels genauer und abgeleitete städteklimatische Zielsetzungen detaillierter erfolgen.

Quellenverzeichnis

BÖER, W. (1954): Klimaforschung im Dienste des Städtebaues. Deutsche Bauakademie: Berlin.

DEUTSCHER WETTERDIENST (2014): Klima und Umwelt – Parametrisierungen und Skalentrennung. Online im Internet unted.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?. . [Zuletzt abgerufen am: 25.05.2014].

ENDLICHER, W. (2012): Einführung in die Stadtökologie - Grundzüge des urbanen Mensch-Umwelt-Systems. Euger Ulmer UTB: Stuttgart.

ERELL, E. et al. (2011): Urban microclimate – designing the spaces between buildings. KAPPAS, M. (2009): Klimatologie – Klimaforschung im 21. Jahrhundert – Herausforderung für Natur- und Sozialwissenschaften. Spektrum Akademischer Verlag: Heidelberg.

KASANG, D. (2014): Regionale Klimamodelle. Online im Internet unter: http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Regionale_Klimamodelle [Zuletzt abgerufen am: 24.05.2014].

KUTTLER, W. et al. (2012): Prognose- und Diagnoseverfahren zur Verbesserung des Stadtklimas – Stadtklimatische Untersuchungen in Oberhausen und Simulation verschiedener Minderungsstrategien zur Reduktion der thermischen Belastung im Hinblick auf den Klimawandel. Dynaklim-Publikation, No.25

UMWELTBUNDESAMT 2013: Klima und Treibhauseffekt. Online im Internet unter: http://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimawandel/haeuf [Zuletzt abgerufen am: 19.06.2014].

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


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