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)

Abhängigkeit der Lufttemperatur von dem Versiegelungsgrad und deren Einfluss auf den PMV

Autoren: Lisa Cory, Lena Fiechter, Marc Eyerund, Paul Stolz

Zusammenfassung

Um die Abhängigkeit der Lufttemperatur von dem Versiegelungsgrad und deren Einfluss auf den PMV zu ermitteln, wurden am Campus der Technischen Universität- Berlin Messungen mit Hilfe einer mobilen Messstation (HuMVe) durchgeführt. Als Referenzdaten dienten die Messungen der Automatic Weather Station (AWS)- Stationen, die ebenfalls auf dem Campus aufgebaut wurden. Die Dauer der Messungen betrug 24h, wobei mit dem HuMVe 10 verschiedene Stationen in einem einstündigen Rhythmus abgefahren wurden. Die gemessenen Daten umfassen die Klimaparameter Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und relative Feuchte. Zusätzlich kam es zur Berücksichtigung der Auswirkungen auf den menschlichen Organismus. Dazu wurde mit Hilfe des Programms „RayMan“, auf Basis der vorliegenden Daten, der Predicted Mean Vote (PMV) ermittelt und mit bestimmten Messstandpunkten bewertet und verglichen.

Einleitung

Im Hinblick auf die weltweite Beobachtung der Klimaerwärmung, wird in dieser Arbeit untersucht, in wie weit versiegelte Flächen (Naturstein und Beton) einen Einfluss auf die Lufttemperatur in der Nacht und besonders in tropischen Nächten haben und damit einen Einfluss auf die menschliche Gesundheit durch zu hohe oder zu niedrige Lufttemperatur nehmen. „Eine Nacht ist die Zeit zwischen Ende der Abend- und Beginn der Morgendämmerung“ (Wahrig, 2010). In dem gemessenen Zeitraum vom 10.6.2014 bis 11.6.2014 fand der Sonnenuntergang um 21:28h und der Sonnenaufgang um 4:44h statt (Kalender-365, 2014). Eine tropische Nacht herrscht dann, wenn in der Nacht die Lufttemperatur nicht unter 20°C fällt (DWD, 2014). Auf die Fragestellung ob Freiflächen Auswirkungen auf die Lufttemperatur und die thermische Belastung auf den Menschen haben, wurde folgende Hypothese gebildet: Je geringer der Versiegelungsgrad ist, desto geringer ist die Lufttemperatur.

Das Untersuchungsgebiet hierfür ist der Campus der Technischen Universität Berlin. Er setzt sich aus Bebauung mit überwiegender Nutzung durch den Gemeinbedarf und Sondernutzung sowie Verkehrsflächen und Grünanlagen zusammen. Das Gebiet wird von drei Straßen eingegrenzt, von denen die Straße des 17. Juni und die Hardenbergstraße am stärksten befahrenen sind. Die Fasanenstraße ist die weniger befahrene Nebenstraße.

Methode

Zur Bewertung der Auswirkungen von Freiflächen auf die Lufttemperatur und die thermische Belastung auf den Menschen wurden vier Arbeitsschritte durchgeführt:

Zuerst wurden auf dem Campus der TU Berlin drei fest installierte Wetterstationen (AWS Stationen – Automatic Weather Station) aufgestellt und zehn weitere Standorte stündlich mit einem HuMVe (Human Meterological Vehicle) befahren (Abb. 2). Es wurden folgende Wetterdaten gemessen: relative Feuchte, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Strahlungsbilanz.

Abb. 1: Kartierung der Messstandorte und der HuMVe-Fahrstrecke

Der in Abb. 1 abgebildete HuMVe misst mit dem GILL Windmaster die Windrichtung und Windgeschwindigkeit, mit dem CS 215 die Lufttemperatur und die relative Feuchte, das NR-LITE berechnet die Strahlungsbilanz, das IRTS erfasst die Oberflächentemperatur und das CR 1000 ist der Datenlogger, in dem die Daten gespeichert werden. Die AWS Stationen haben die gleichen Messgeräte angebracht, allerdings besitzen diese zwei CS215-Geräte: eines davon wurde in Bodennähe, das andere 2 Meter über Boden montiert.

Abb. 2: Aufbauskizze des Human Meteorological Vehicle (HuMVe)

In einem weiteren Schritt wurde der Versiegelungsgrad der 13 Stationen bestimmt: Es wurde ein Ausdruck mit dem jeweiligen Standort in Vogelperspektive mit dem Maßstab 1:200 gemacht. Auf diesen wurde ein Quadrat mit dem Messstandort in der Mitte gelegen gelegt und der Versiegelungsgrad innerhalb dieses Quadrats prozentual abgeschätzt. Als versiegelt gilt sowohl Beton als auch Naturstein. Als nicht versiegelte Flächen gelten das Volumen der Baumkrone, Grünflächen und Büsche, wobei die darunterliegenden versiegelten Flächen nicht Anschließend wurde zur Berechnung der thermischen Reize auf den Menschen der PMV (Predicted Mean Vote) verwendet. Er berücksichtigt in seiner Berechnung nicht nur die Lufttemperatur, sondern auch die Windgeschwindigkeit und relative Luftfeuchte (Hupfer, 2006 S. 494). Für die Berechnung des PMV wurden folgende, gleichbleibende Variablen gewählt: Der Modell-Mensch trägt Sommerkleidung und übt eine leichte Tätigkeit aus (VDI-Richtlinie, Blatt II, 1996).

Abbildung 3

Abb. 3: Bestimmung Versiegelungsgrades, (Bsp. Station 1) (Foto L. Fiechter 2014)

Für die weiteren Werte zur Berechnung des PMV wurden jeweils die Messergebnisse des HuMVe verwendet. Die metabolische Rate wurde auf 116 W/m2 festgesetzt, was in etwa einer Laufgeschwindigkeit eines Menschen von 3,2 km/h entspricht. Der PMV wurde mit Hilfe des Programms RayMan berechnet, wobei die notwendigen Daten der Messungen aus den Datenreihen abgelesen und in das Programm eingespeist wurden. Die Berechnung erfolgte automatisch. (VDI-Richtlinien, Blatt II, 1996)

Im letzten Schritt wurde die Programmiersprache R zur Hilfe genommen, um die Daten des HuMVe und der AWS-Stationen grafisch darzustellen.

Ergebnis

In der ersten gemessenen Nacht vom 10.6.2014 bis 11.6.2014 lag eine Bodeninversion vor. Dies ist an dem positiven Wert des Graphen in Abb. 4 abzulesen. Er zeigt die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen Thermometer Ttop und dem unteren Thermometer Tbottom der Station AWS20 an (siehe Gleichung (1) zur Berechnung der Temperaturdifferent (dT)).

dT= Ttop – Tbottom (1)

Es fällt auf, dass in der ersten gemessenen Nacht der Graph im positiven Bereich und während der zweiten Nacht im negativen Bereich liegt. Dies zeigt, dass die Lufttemperatur in Bodennähe geringer war, als die Lufttemperatur 2m über Boden.

Eine Bodeninversion wird durch die Abstrahlung und damit Abkühlung der Erdoberfläche hervorgerufen. Sie tritt vor allem bei Hochdruckwetterlagen auf, da die Temperatur dann besonders niedrig ist und die fehlende Wolkendecke die nächtliche Auskühlung begünstigt. Die maximale Lufttemperatur eines Tages heizt die Erdoberfläche auf, diese gibt die Wärme, in die darüber liegende Luftschicht ab. Aufgrund des dann in Bodennähe adiabatischen Temperaturgradienten und der folglich labilen Atmosphärenschichtung kommt es zu einer Durchmischung der bodennahen Luftschichten über konvektive Prozesse (Malberg H. 2002).

Der adiabatische Temperaturgradient ist eine feste Größe, welche die Temperaturveränderung von 0,98 K pro 100 m Vertikaldistanz in der Atmosphäre beschreibt. Unter einem konvektiven Prozess versteht man, „die Wärmeübertragung zwischen Erdoberflächen und Atmosphäre. Diese erfolgt durch die laminare Grenzschicht (Dicke = 1mm). In dieser beruht die Übertragung physikalischer Eigenschaft der Luft (z.B. Wärme, Wasserdampfgehalt, Impuls) auf der molekularen Leitung (Austausch, Transport). Ein Eigenschaftstransport wird durch den Gradienten der entsprechenden Größe, stoffspezifische Größe und einen Faktor bestimmt“(Zmarsly et al. 2007, S. 49).

Die Strahlungsbilanz wird negativ, die Erdoberfläche und die darüber liegende Luftschicht beginnt auszukühlen. Dadurch entsteht schließlich in den Abendstunden eine zunächst schwache Inversion, wodurch der vertikale Luftaustausch praktisch unterbunden wird. Die über den Tag erwärmten höheren Luftschichten können die Abkühlung des Bodens nicht verhindert (Malberg H. 2002).

Abbildung 4

Abb. 4: Temperaturdifferenz der Station AWS20.

Abbildung 5

Abb. 5: Temperatur in Abhängigkeit des Versiegelungsgrades und Korrelation

Die Abb. 5 zeigt das Verhältnis zwischen der mittleren Lufttemperatur der 13 Stationen bei Nacht und dem Versiegelungsgrad. Zusätzlich wurde die Korrelation der Messergebnisse berechnet und als Linie in der Grafik dargestellt. Der Korrelationsgradient beträgt 0,61.

Tab. 1: Tabelle der gemittelte Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und der relative Luftfeuchte der jeweiligen Stationen. Mit Hilfe dieser Werte wurde der PMV berechnet.

Station Lufttemperatur Ta (°C) Windgeschwindigkeit v (m/s) Relative Luftfeuchtigkeit RH (%)PMV
1 25,95 0,68 64,25 2,9
2 26,16 0,64 63,86 3,1
3 25,61 0,35 65,83 3,5
4 25,17 0,36 67,48 3,5
5 25,03 0,36 68,10 3,1
6 25,41 0,43 66,16 3,2
7 25,54 0,51 66,68 3,1
8 25,42 0,72 66,70 2,7
9 25,80 0,73 64,92 2,9
10 25,63 0,66 65,80 2,8

Tab. 2: Thermische Belastungsklassen auf Basis einer gefühlten Temperatur, die die physiologische Beanspruchung des menschlichen Organismus berücksichtigt (Stock, M 2004: 51).

Abbildung 6

Diskussion

In der Abb. 5 ist das Verhältnis zwischen dem Versiegelungsgrad und der Lufttemperatur dargestellt. Die Hypothese lautet: „Je der Versiegelungsgrad ist, desto geringer ist die Lufttemperatur.“ Anhand dieser Grafik ist diese Hypothese teilweise belegt worden. Die Korrelationsgerade des Diagramms steigt stetig mit dem Versiegelungsgrad an. Mit einem Korrelationsgradienten von ca. 0,61 trifft die Hypothese auf 61% der Messpunkte für den gemessenen Zeitraum und die vorherrschenden Umstände zu. Ein Grund für eine nicht höhere Korrelation könnte die ungenaue Bestimmung der versiegelten Flächen sein, da diese prozentual geschätzt worden sind und nicht genau berechnet wurden. Weitere Faktoren, die die Messergebnisse beeinträchtigt haben können, sind der Wind, die Beschattung und Eingrenzung des Sky-View-Factors durch Gebäude und Vegetation. Vergleicht man die Stationen 1 und 9, ist die Temperatur bei Station 1, trotz geringerem Versiegelungsgrad, höher als bei Station 9. Der Standpunkt von Station 1 ist durch Gebäude eingeschlossen, d.h. der Standort war von dem Wind geschützt. Durch die verringerte Luftzirkulation, war ein Luftaustausch zwischen warmer bodennaher Luft und den darüber liegenden Luftschichten gemindert. Die Folge ist eine stärkere Aufheizung des Standortes, im Vergleich zu besser durchlüfteten Messorten, z.B. Station 9.

Betrachtet man den PMV der unterschiedlichen Messstationen, kann man deutlich erkennen, dass der Wind einer der größten Einflussfaktoren auf die Behaglichkeit des menschlichen Organismus ist. Dies ist u.a. bei einem Vergleich der Stationen 3 und 10 zu erkennen, da sich die Werte der Lufttemperatur und relativen Luftfeuchte sehr ähnlich sind, jedoch die Windgeschwindigkeit der Station 10 nahezu doppelt so hoch ist, wie die der Station 3, was sich in einer PMV- Differenz von 0,7 darstellt . Ein möglicher Grund für diese starke Windgeschwindigkeitsdifferenz könnte die geschützte Lage der Station 3 sein, da diese sich in einem Durchgang unter einem Gebäude befindet, wohingegen sich Station 10 in einer möglichen Windschneise befindet (Tab. 1 und Abb. 2).

Schlussfolgerung

Ungeachtet des Vorhandenseins von Vegetation, herrschte eine hohe Lufttemperatur in der Nacht. Trotz der großen Gebäude, die den TU- Campus umschließen, kam es zu einem erhöhten PMV (Tab. 2), dieser lag an den Messpunkten zwischen 2,7 und 3,5, was für die thermophysiologische Beanspruchung mäßigen bis starken Hitzestress bedeutet. Zudem kann gesagt werden, dass der Versieglungsgrad die Lufttemperatur beeinflusst, aber nicht als allein maßgebend dafür ist. Größen, wie die Belüftung durch Winde, die Einstrahlungsverhältnisse und der Sky-View-Factor zur Abstrahlung wirken ebenfalls auf die Lufttemperatur ein.

Quellenverzeichnis

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HUPFER, PETER, KUTTLER, WILHELM (HRSG.) (2006): Witterung und Klima: Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. 12. Auflage.

KALENDER-365 (2014): Sonnenaufgangszeit und Sonnenuntergangszeit 10./11. Juni 2014, Online in Internet: URL: http://www.kalender-365.eu/kalender/2014/Juni.html [Stand 18.7.2014]

KLEEREKOPER, VAN ESCH, SALCEDO (Hrsg.) (2012): How to make a city climate-proof, adressing the urban heat ireland effect. Resources, Conservation and Recycling 64 Ausgabe (2011), S. 30-38.

MALBERG H. (2002): Meteorologie und Klimatologie. Eine Einführung 4. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York.

STOCK, M. (Hrsg.) (2004): KLARA. Klimawandel - Auswirkungen, Risiken, Anpassungen. Online in Internet: URL: http://um.baden-wuerttemberg.de/de/klima/klimawandel/klimawandel-in-baden- wuerttemberg/klimaforschung/klara/

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (Hrsg.): 1996, VDI-Richtlinien 3787: Methode zur human biometerologischen Bewertung von Klima und Lufthygiene fürt die Stadt- und Regionalplanung.

WAHRIG (Hrsg.) (2010): Deutsches Wörterbuch, 8. Auflage

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


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