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)

Bioklimatische Belastung einer Stadt -Am Fallbeispiel der Stadtklimaanalyse Mannheim 2010

Autor: Paul Stolz

Einleitung:

Die Stadt stellt durch die Bevölkerungsdichte und die damit verbundenen Aktivitäten den massivsten anthropogenen Eingriff in das Regionalklima dar. Laut der World Meterological Organisation (WMO) ist das Stadtklima „das durch Wechselwirkungen mit der Bebauung und deren Auswirkungen modifizierte Klima“ (World Meteorological Organization WMO, 1981). Der bekannteste nachweisbare Stadtklimaeffekt ist die Temperaturerhöhung gegenüber dem Umland, der sogenannten „städtischen Wärmeinsel“, bei der die Intensität in Richtung Zentrum zunimmt. Dieser Effekt wird u.a. verursacht durch sehr dichte Bebauung, fehlende Vegetation oder Abwärme durch Autos oder Fabriken. Zudem kann das Stadtklima gesundheitliche Schäden und Veränderungen der Flora und Fauna verursachen oder verschlimmern (HORBERT, M, 2000). Die atmosphärischen bzw. klimatologischen Gegebenheiten haben jedoch auch Einwirkungen auf den menschlichen Organismus. Das sogenannte Humanbioklima und deren Gegebenheiten lassen sich nach Art ihrer Wirkung in drei Wirkungskomplexe zusammenfassen:

• Der Lufthygienische (Luftbeimengungen und Immisionsbedingungen), • Der aktinische (Sichtbarer und UV-Bereich der Strahlung, welche biologische Wirksamkeit hat) und • Der thermische (physiologischer Wärmehaushalt, Temperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Strahlungsbilanz) Wirkungskomplex.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass alle Belastungsfaktoren auf den Menschen vom Alter, der Gesundheit und der Akklimatisierung der jeweiligen Person abhängen (SCHÖNWIESE, C.-D., 2013).

Um zu untersuchen, wie sich das Klima auf die Stadt und die in der Stadt lebenden Menschen auswirkt, wurde das Büro ÖKOPLANA von der Stadtverwaltung Mannheim beauftragt, eine Stadtklimaanalyse in Mannheim durchzuführen. Bevor jedoch Daten erhoben werde konnten, musste man sich zuerst mit den vorliegenden Gegebenheiten Mannheims auseinandersetzen, die zudem der Stadtverwaltung den Anreiz gab, ÖKOPLANA zu beauftragen, eine Klimaanalyse durchzuführen. Zu diesen Gegebenheiten zählt dass Mannheim eine heterogene Flächennutzungsstruktur im Stadtgebiet hat (u.a. dichte Citybebauung, lockere Gartenstadtbebauung, Wald- und Ackerflächen), was zu einem kleinräumig stark variierenden Stadtklima führt (ÖKOPLANA, 2010 S. 1). Das Windfeld der Stadt und somit die bioklimatische/lufthygienische Situation wird durch regionale und lokale Luftzirkulationen wie z.B. Luftaustausch zwischen Freiräumen (klimaökologische Ausgleichsräume) und die Bebauung (klimaökologische Wirkungsräume) bestimmt (ÖKOPLANA, 2010 S. 1). Zudem sollte das Schutzgut Klima/Luft, auf Grundlage flächenbezogener Fachinformationen, sachgerecht beurteilt werden und entsprechende Schutz- und Entwicklungsmaßnahmen aus der Analyse abgeleitet werden. Ebenfalls wurde verstärkt auf die Sicherung, Entwicklung und Wiederherstellung klima- und immissionsökologisch wichtiger Oberflächenstrukturen geachtet, die somit auf die Erhaltung und Verbesserung günstiger bio- klimatischer Verhältnisse, die Unterstützung gesundheitlich unbedenklicher Luftqualität und dem Angebot besonderer Lokalklimate abzielen (ÖKOPLANA, 2010 S. 1).

Mannheim ist naturräumlich der Oberrheinischen Tiefebene zuzuordnen, die im Osten vom Odenwald und im Westen vom Pfälzer Wald begrenzt wird, wodurch sich die Stadt in einer geschützten Lage befindet (ÖKOPLANA, 2010 S. 5). Das örtliche Landschaftsbild wird wesentlich von Flussläufen des Rheins und des Neckars geprägt. Im Stadtgebiet von Mannheim, ausgehend vom Rhein, ergibt sich eine maximale Höhendifferenz von ca. 15 m (ÖKOPLANA, 2010 S. 5). Im Jahr 2008 bestanden 57% der Flächen Mannheims aus Siedlungs- und Verkehrsflächen, 25% aus Landwirtschaftsflächen, 13% aus Waldflächen und 5% aus Wasserflächen. Im Jahr 20009 hatte Mannheim eine Einwohnerzahl von 323.787, wobei der Anteil der über 65-jährigen und unter 6-jährigen, die besonders sensibel auf bioklimatische/lufthygienische Belastungen reagieren, 19% bzw. 5% betrugen. Das Stadtgebiet befindet sich (nach KÖPPEN) in einer warmgemäßigten Klimazone (ÖKOPLANA, 2010 S. 6). Im Sommerhalbjahr ergeben sich zwischen Stadtrand und Stadtzentrum in ca. 32% der Strahlungsnächte bezüglich der Temperaturminima Differenzen von mehr als 4.5 K, das Stadtzentrum ist demnach deutlich überwärmt (ÖKOPLANA, 2010 S. 7).

Methodik

Bereits im Jahr 2000 und 2001 wurden Lufttemperaturmessfahrten und Infrarotbefliegungen unternommen, um flächendeckende Thermal-, Klimatop- und Isothermenkarten für das Stadtgebiet zu erarbeiten, die dann im Jahr 2009 fortgeschrieben und ergänzt werden sollten (ÖKOPLANA, 2010 S. 8). Bei Infrarotbefliegungen wird flächenhaft die Oberflächenstrahlungstemperatur aufgenommen, die Temperatur wird dabei über die von ihr ausgehenden langwelligen Strahlung gemessen. Somit darf die Temperatur der Thermalbilder nicht mit der Lufttemperatur gleichgesetzt werden (ÖKOPLANA, 2007 S. 35). Neben diesen Messungen, gab es im Vorfeld zwei Termine zur Messung der Lufttemperatur ( 6.-7.8.09 und 18.-19.8.09). Die eigentlichen Messungen fanden in der Nacht vom 31.8- 1.9.09 zu zwei Uhrzeiten (22 Uhr und 5 Uhr MEZ) statt (ÖKOPLANA, 2010 S. 16). Voraussetzung für die Ermittlung der flächenhaften Verteilung des städtischen Lufttemperaturfeldes ist eine geeignete Auswahl von Messstrecken zu einem möglichst dichten Netz. Dabei wird auf folgende Grundforderungen geachtet: • Erfassung unterschiedlich repräsentativer Bebauungs- und Flächennutzungsstrukturen • Dauer der Messfahrt darf 2h nicht überschreiten (ÖKOPLANA, 2010 S. 8). Die Messungen erfolgten mit Hilfe von vier Fahrzeugen, die jeweils geplante Messstrecken abfuhren, Punktmessungen temporärer Klimastationen, in der Innenstadt installierten Messinstrumenten sowie Messungen von Referenzstationen. Um die gemessenen Daten später flächenhaft darzustellen, wurden diese mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems grafisch aufbereitet (ÖKOPLANA, 2010).

Ergebnisse:

Die Isothermenkarten in Abbildung 1 vom 31.08.2009 22 Uhr (links) und 01.09.2009 5 Uhr (rechts) zeigen deutlich, dass die tiefsten Temperaturen über Flächen außerhalb der Stadt gemessen wurden (Wiesen und landwirtschaftlich genutzten Flächen). Um 22 Uhr beträgt die tiefste Temperatur im Norden Mannheims 15°C (grau), die höchste Temperatur erreicht einen Wert von 23,5°C und wurde im unmittelbaren Stadtgebiet (den sog. Mannheimer Quadraten) gemessen (dunkelrot).Somit ergibt sich eine Temperaturdifferenz von bis zu 8,5°C, was eindeutig auf eine Überwärmung des Stadtgebiets hinweist. Um 5 Uhr wurde wahrend der Messfahrten ebenfalls Lufttemperaturunterschiede von bis zu 8,5° C gemessen (ÖKOPLANA, 2010 ). Innerhalb der innerstädtischen Wärmeinsel befinden sich jedoch größere Grünflächen und Parkanlagen, die als sogenannte Kälteinseln dienen. Den Messungen zufolge wurden dort ca. 1,6°C niedrigere Temperaturen gemessen, wobei die Positiveinwirkungen der Kälteinseln bis weit in die Oststadt hinein reichen.

Abb. 1: Isothermenkarten 31.08.2009 22 Uhr (links) und 01.09.2009 5 Uhr (rechts) (ÖKOPLANA, 2010 Karte 2 und Karte 3a)

Bei der Betrachtung der thermischen Umgebungsbedingungen Mannheims stellte sich heraus, dass sich der Anteil der weniger günstigen bis sehr ungünstigen thermischen Umgebungsbedingungen im Stadtgebiet von 29,2 % (1985) auf 35,6 % (2009) erhöhte, was nahezu ausschließlich an der Erschließung zahlreicher neuer Baugebiete liegt, durch die in diesem Zeitraum größere Teile der klimaökologischen Ausgleichsräume Mannheims verloren gingen. Unter einem klimaökologischen Ausgleichsraum wird ein Freiraum verstanden, der einem benachbarten, zur Belastung neigenden Wirkungsraum zugeordnet ist (ÖKOPLANA, 2010 S. 66). Innerhalb der Stadtklimaanalyse 2010 sind, auf der Basis einer Nutzungstypisierung, erstmals auch die bioklimatischen Umgebungsbedingungen bewertet worden. Dafür wurden beispielsweise die Kaltluftproduktionsraten ermittelt. So zeigte sich, dass vor allem landwirtschaftlich genutzte Flächen und Grünflächen mit einem geringem Gehölzbestand besonders aktive Kaltluftentstehungsgebiete darstellen, denn während der nächtlichen Ausstrahlungsbedingungen ist die Kaltluftproduktion über Flächen mit guten Abkühlungsmöglichkeiten ( d.h. geringe Horizontüberhöhung und eine hohe Verdunstungsleistung) besonders ausgeprägt (ÖKOPLANA, 2010 S. 58). So können für die eben erwähnten Flächen nach Angaben des DWD (2005) eine durchschnittliche Kaltluftproduktionsrate von ca. 12- 15 m3 /m 2. Std. angenommen werden, womit eine sehr hohe Kaltluftproduktionsrate vorliegt. Durch ihre geringe Oberflächenrauhigkeit ist auch ihre Eignung als Kaltlufttransportbahn als sehr gut zu bewerten. Die Ergebnisse der Lufttemperaturmessfahrten und Thermalbefliegungen ermöglichen, zusammen mit der Klassifizierung der baulichen Nutzungstypen und Baustrukturen, eine Bewertung der bioklimatischen Verhältnisse innerhalb der Bebauung, die in Abbildung 2 zu sehen ist. Die Bewertung des immanenten Wärmepotenzials bezogen auf verschiedene Baustrukturen, wird in der Klimaanalyse auf Seite 63 Tabelle 10 näher erläutert (ÖKOPLANA, 2010 S. 63).

Nachdem jede Baustruktur einer thermischen Belastungszone zugeordnet wurde, erfolgte – durch Mittelbildung der Wertigkeiten Wärmepotenzial und Lufttemperaturverhältnisse – die Berechnung der bioklimatischen Belastung.So ergab sich, dass sich sehr starke bioklimatische Belastung vor allem in den Innenstadtbereichen (u.a. Mannheimer Quadrate) befindet, wohin gegen sich in den Außenstadtbereichen ein bioklimatisch günstiges Klima eingestellt hat (ÖKOPLANA, 2010) Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, hat ebenfalls die Effektivität der Kaltluftleistung im Bezug auf die bioklimatische Belastung eine große Bedeutung, denn ausschließlich in Gebieten, die eine hohe Kaltlufteffektivität aufweisen (Stadtrand und Umland), hat sich ein mäßige bis geringe bioklimatische Belastung gebildet. Verglichen mit der Innenstadt kann gesagt werden, dass dort nur eine geringe Effektivität an Kaltluft vorherrscht und das auch Auswirkungen auf den Grad der bioklimatischen Belastung hat.

Bilanziert man nun noch die bioklimatische Belastung, so ergibt sich folgendes Bild (angegeben in % der bebauten Fläche):

•Bioklimatisch gering bis sehr gering belastet: 20,7%

• Bioklimatisch mäßig und mittel belastet: 25,5%

• Bioklimatisch leicht erhöht bis erhöht: 28,5%

• Bioklimatisch stark bis sehr stark erhöht: 25,3% (entspricht 11% des Stadtgebietes)

Abb. 2: Bioklimatische Belastung innerhalb von klimaökologischen Wirkungsräumen (ÖKOPLANA, 2010)

Diskussion:

Für die Messfahrten standen vier Fahrzeuge zur Verfügung, die jeweils mit einem elektrisch ventilierten Psychrometer (THERM 2286-2, Fa. Ahlborn) ausgestattet wurden. Diese reagieren schnell auf Temperaturänderungen und wurden in einer Messhöhe von 1,80m ü.G. angebracht. Des Weiteren wurden, auf Grund der komplexen klimaökologischen Situation Mannheims, sogenannte Punktmessungen mit Hilfe von temporären Klimastationen durchgeführt.

Zusätzlich kam es zu einer Installation von Messinstrumenten in der Mannheimer Innenstadt, um den Grad der städtischen Überwärmung zu dokumentieren. (ÖKOPLANA, 2010 S. 9). Als Referenzdaten wurden zudem die Klimadaten des Großkraftwerkes Mannheim (GKM) und der LUBW- (Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg) Luftmessstationen herangezogen. Die Standorte der jeweiligen Stationen sind der Abb. 8.6 „Standorte der LUBW- Luftmessstationen in Mannheim“ zu entnehmen (ÖKOPLANA, 2010 S. 169).

Das Prinzip der Stadtklimaanalyse Mannheims war es, Punktmessungen in eine Fläche zu bringen und diese dann mit Hilfe eines Geografischen Informationssystems zu analysieren und zu bewerten. So wurden mit Hilfe dieses Programms u.a. die Isothermenkarten der beiden Messfahrten, Vergleiche der Ergebnisse mit früheren Messfahrten, Windrosenkarten und Bewertungskarten des thermischen Niveaus aufbereitet und bereitgestellt ÖKOPLANA, 2010 S. 2). Die Studie bezieht sich während der Messungen hauptsächlich auf die Lufttemperatur sowie die Windgeschwindigkeit und – richtung und die daraus resultierende Kaltluftentstehung. Es wird untersucht, welchen Einfluss u.a. versiegelte Flächen, eine hohe Anzahl von Gebäuden und Abwärme auf das Stadtklima, und besonders auf die bioklimatische Belastung haben. Die Messungen erfolgten an vielen verschiedenen Standpunkten, von denen jeder eine unterschiedliche Bebauungs- und Nutzungsstruktur aufweist.

Auf Grund der Verwendung von Daten aus den Jahren 1985, 2000 und 2001 war es möglich, Vergleiche mit den erhobenen Daten von 2009 darzustellen und herauszufinden, in welchen Bereichen sich die bioklimatische Belastung bereits verbessert hat, oder ob sie sich in manchen Gebieten eher verschlechtert hat und so mehr Ausgleichsräume geschaffen werden müssen. Um jedoch einen noch besseren Vergleich erreichen zu können, hätten zusätzliche Messungen in den Wintermonaten stattfinden sollen. Die Messungen fanden ausschließlich in den Sommermonaten statt, wodurch lediglich Aussagen über die bioklimatische Belastung an sehr warmen Tagen getroffen werden konnte und unklar bleibt, wie sich die Lage Mannheims und das daraus resultierende Klima an kälteren Tagen auf den menschlichen Organismus auswirkt. Der Autor ging dabei jedoch nicht auf die direkten Auswirkungen der bioklimatischen Belastung ein. Somit bleibt unklar, ob für die Bevölkerung in den Sommermonaten der sogenannte Hitzestress und in den Wintermonaten Kältestress besteht. Unter diesen beiden Konzepten ist zu verstehen, dass der Wärmehaushalt des Menschen nicht nur auf die Lufttemperatur reagiert, sondern auch auf die Windgeschwindigkeit, die Feuchte und die Wärmestrahlung der Atmosphäre und so vor allem in den Sommermonaten eine erhöhte Unbehaglichkeit für den menschlichen Organismus entstehen kann, da in den Wintermonaten eine größere Möglichkeit besteht, sich anzupassen (Heizen, zusätzliche Kleidung) (wetter.com AG, 2014).

Diese Behaglichkeit lässt sich, unter Berücksichtigung aller für den menschlichen Körper relevanten Eingangsdaten, anhand von verschiedenen Indexen berechnen (TIEFGRABER, M., 2013). So hätte der Autor u.a. den Predicted Mean Vote, einen Index für das persönliche Wohlbefinden, oder den universellen Thermischen Klimaindex (UTCI) verwenden können, um zu analysieren, ob für die Anwohner ein erhöhtes Risiko besteht, Hitzestress zu erlangen. Vor allem ältere Menschen und Kinder leiden unter den Auswirkungen der bioklimatischen Belastung in der Innenstadt, da sie besonders empfindlich auf Hitze- und Kältestress reagieren. Immerhin beträgt in Mannheim, wie bereits in der Einleitung erwähnt, die Anzahl der besonders empfindlichen Menschen 24%, was umso mehr für eine Untersuchung des PMV’s oder des UTCI’s spricht.



Schlussfolgerung:

Die Stadtklimaanalyse Mannheims weist auf Grund der erhobenen Messungen eine deutliche Überwärmung der Stadt gegenüber dem Umland auf. Die daraus resultierende bioklimatische Belastung ist in mehr als 25% der bebauten Fläche Mannheims stark bis sehr stark erhöht, was ungefähr 11% des Stadtgebietes entspricht. Da sich die Klimaanalyse hauptsächlich mit den Klimaparametern Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit befasst, können keine genauen Aussagen über die Behaglichkeit für den menschlichen Organismus im Stadtgebiet getroffen werden. Durch die Messungen an den vielen unterschiedlich beschaffenen Standorten, konnte ermittelt werden, welche Auswirkungen versiegelte Flächen und eine hohe Anzahl von Gebäuden auf das Stadtklima haben und konnten so gut mit denen aus dem Umland verglichen werden (ÖKOPLANA, 2010).

Durch die hohe Effektivität des thermischen Ausgleichsvermögens der Freiräume, welche Karte 13 der Stadtklimaanalyse gut veranschaulichen, besitzt Mannheim demnach ein großes Potential, der Überwärmung der Innenstadt in Zukunft besser entgegenzuwirken (ÖKOPLANA, 2010 Karte 13). Unter Berücksichtigung der Planungsempfehlungen zur weiteren Stadtentwicklung aus der Stadtklimaanalyse, die u.a. die Sicherung von Freiräumen und Grünfläche, den Erhalt von Kälteinseln und eine Entwicklung von Grünzug/Ventilationsbahnen vorsehen, könnte die Anzahl der Ausgleichsräume in der zukünftigen Stadtplanung erweitert werden, um so gleichzeitig die Überwärmung der Stadt zu vermindern (ÖKOPLANA, 2010 S. 66 ff.).

Literaturverzeichnis:

ÖKOPLANA (2010): Stadtklimaanalyse Mannheim 2010. Auftraggeber: Stadtverwaltung Mannheim

SCHÖNWIESE, C.-D. (2013): Klimatologie. 4. Aufl., Ulmer: Stuttgart, 341-45, 274-79 S.

HORBERT, M. (2000): Klimatologische Aspekte der Stadt- und Regionalplanung., Technische Universität Berlin: Berlin, 115- 121 S.

ENDLICHER, W. (2012):Einführung in die Stadtökologie. 1. Aufl., Ulmer: Stuttgart, 68- 73 S.

ÖKOPLANA (2007): Klima- und Luftschadstoffgutachten zum geplanten Gewerbestandort ‚Langes Feld’ in Kassel- Niederzwehren. Auftraggeber: Magistrat der Stadt Kassel, 35 S.

WETTER.COM AG (Hrsg.) (2014): Hitze- und Kältestress. Online in Internet: URL: http://www.wetter.com/gesundheit/gesundheitslexikon/hitze-und-kaeltestress_aid_3827.html [Stand 30.06.2014].

TIEFGRABER, M. (2013): UTCI- Universal Thermal Climate Index (Universeller thermischer Klimaindex). Online in Internet: URL: http://www.wetterdienst.de/Deutschlandwetter/Thema_des_Tages/878/utci-universal-thermal-climate-index-universeller-thermischer-klimaindex [Stand 30.06.2014].

Abbildungsverzeichnis:

Abb 1. Isothermenkarten 31.08.2009 22 Uhr (links) und 01.09.2009 5 Uhr (rechts)

Abb 2. Bioklimatische Belastung innerhalb von klimaökologischen Wirkungsräumen


QR-Code
QR-Code wiki:stadtklimaanalyse_mannheim (erstellt für aktuelle Seite)