Die Humanbioklimatologie beschäftigt sich mit Wetter, Witterung, Klima und Luftqualität und deren Wirkungen auf den menschlichen Organismus (MATZARAKIS, 2001, S. 9). Klima und Luft sind als Schutzgut fester Bestandteil in Umweltverträglichkeitsprüfung und Bauleitplanung und somit verbunden, auch deren Schutz. In der heutigen Zeit und der Zukunft ergeben sich durch den globalen Klimawandel, insbesondere in Städten stärker ausgeprägte thermische Belastungen für die Bevölkerung. Hauptsächlich betroffen sind davon ältere Menschen, Kinder und Kranke. Doch auch bei gesunden Menschen wirken sich die verstärken stadtklimatischen Effekte negativ aus. Als Folge zu hoher klimatischer Belastungen wie Hitzestress und Kältestress werden insbesondere Kopfschmerzen, Herz-Kreislaufbeschwerden und Konzentrationsstörungen gezählt (Bundesumweltamt, 2013, online).

Im Humanbioklima wird in drei Wirkkomplexe unterschieden, den thermischen, den aktinischen und den lufthygienischen. Den thermischen Wirkkomplex beinhaltet Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Strahlung. Der aktinische Wirkkomplex konzentriert sich auf die Komponenten der biologisch wirksamen Sonnenstrahlung, von infrarot bis zum UV- Bereich. Unter den lufthygienischen Komplex fallen natürliche und durch den Menschen verursachte Luftbeimengungen wie Grob- und Feinstaub, Pollen und gasförmige/ flüssige Stoffe( FOKEN, 2003, S. 231). Die humanbioklimatischen Bewertungen der Stadtklimaanalyse Trier konzentriert sich auf den thermischen und den lufthygienischen Wirkkomplex ( Stadtplanungsamt Trier, 2009, online). Zur humanbioklimatischen Bewertung der Situation wird der Indikator: PMV-Wert verwendet. . Dieser ist eine aus der Behaglichkeitsgleichung nach Fanger (1972) berechneter Index, der den Wert der Unbehaglichkeit eines Menschen in Bezug auf das Wetter angibt (Deutscher Wetterdienst , online). Zur Berechnung werden Daten zu Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur und Luftfeuchte genommen. Es wird davon ausgegangen, dass der Mensch eine normale Aktivität ausübt, z.B. spazieren geht und angemessene Kleidung trägt (MERTENS, 1999). Ist der berechnete Wert bei 0, wird von Behaglichkeit ohne Belastung für den Menschen gesprochen, steigt der Wert auf bis zu 4 wird von extremer Belastung gesprochen, wobei +4 starke Hitzebelastung angibt und -4 starken Kältestress ( FOKEN, 2003, S.232)

„Das Stadtklima ist durch die Wechselwirkung mit der Bebauung und deren Auswirkung modifizierte Klima“( Matzarakis, 2001, S.3). Untersuchungen zum Stadtklima werden meistens aus zwei Gründen durchgeführt. Einer ist, die physikalischen und chemischen Störungen die eine Stadt für die atmosphärische Grenzschicht darstellt zu beschreiben und zu quantifizieren, der andere ist, das Stadtklima als einen Faktor in der Stadtplanung und Stadtsanierung einzubinden ( Mazarakis, 2001,9). Der Schwerpunkt der Standklimaanalyse Trier beruht auf dem planungsrelevanten Grund, da die Analyse im Rahmen des Flächennutzungsplans Trier einen wichtigen Baustein zur Umweltvorsorge und bioklimatischen, lufthygienischen Verbesserung für die Stadt Trier erarbeitet wurde ( Stadtplanungsamt Trier, 2009, online). Um bei Abwägungsprozessen in der Planung die thermischen und lufthygienischen Faktoren angemessen beurteilen zu können sind folgende Aspekte wichtig: Quantifizierung und Auszeichnung von Grünflächen die durch ihre Transpiration die darüber liegende Luft abkühlen, sogenannte Kaltluftentstehungsflächen. Darunter fallen Parks, Friedhöfe, Brachen,Sportplätze und Rasenflächen. Die Größe der Kaltluftentstehungsfläche spielt dabei eine wichtige Rolle für die Menge an produzierter kühleren Luft (FEZER, 1995, S. 42). Neben der Größe der Fläche ist auch die Lage der Fläche von Bedeutung. Entscheidend ist, ob die produzierte kühlere Luft in klimatisch ungünstigere Gebiete wie Wohngebiete vordringen kann oder ob sie durch Hindernisse wie dichte Randbebauung ausgebremst wird. Ausschlaggebend dafür sind freie Flächen, Luftleitbahnen, auf denen die Luft ungehindert strömen kann. Darunter fallen zum Beispiel Ein- und Ausfallstraßen, Bahntrassen, Freiflächen und Gewässer ( edb, S. 143). Eine weitere stadtklimatisch hohe Relevanz haben Kaltluftabflüsse. Das sind Kaltluftpakete, die meist an offenen Kuppenflächen, Hangwäldern oder großen freien Flächen außerhalb der Stadt ihren Ursprung haben. Kaltluftabflüsse sind deshalb wichtig, da am Tage stark erwärmte Stadtgebiete sich durch die Wärmespeicherung auch während der Nacht kaum von alleine abkühlen. Um einen Luftaustausch in der Stadt durch Kaltluftablüsse zu bewirken sind auch hier die Luftleitbahnen von hoher Bedeutung, damit die kühlere Luft in die Stadt einfließen kann (FOKEN, 2003, S. 220).

Bei der Untersuchung eines Stadtklimas in Bezug auf Bebauungspläne und Flächennutzungspläne bezieht man sich auf das Mesoklima mit einer räumlichen Erstreckung von unter 250 km und dem Mikroklima. Der Begriff Mikroklima beschreibt Lokalklimate mit einem räumlichen Maßstab von unter 100 Metern. Benötigte Klimaelemente oder meteorologische Größen für diesen Maßstab sind unter anderem Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Menge des Niederschlags, kurz- und langwellige Strahlung und Windgeschwindigkeit (HUPFER, 1989, Seite 38 ff). Modelle zur Berechnung des Stadtklimas lassen sich in diagnostische und in prognostische Modelle unterteilen. In dem Kontext des urbanen Stadtklimas gibt es verschiedene Modelle die unterschiedliche Anwendungsbezüge haben, Energiebilanzmodelle, Energiehaushaltsmodelle, Grenzschichtmodelle, mesoskalige dreidimensionale, hydrostratische Strömungsmodelle und mesoskalige dreidimensionale nichthydrische Stömungsmodelle ( MATZAKIS, 2001, S. 36f ). Die Gleichungen die für eine Stadtklimamodellierung notwendig sind, sind die hydrodynamischen Grundgleichungen der Atmosphäre die mit lokalen Randbedingungen und einer geeigneten Energiebilanzgleichung kombiniert werden. Strömungsmodelle sind in der Lage komplexe Wechselwirkung zwischen atmoshpärischen Variablen wie Luftdruck, Temperatur, Wind, Wasserdampf, Wolken und Niederschlag und urbanen Oberflächenstrukturen zu modellieren (MATZAKIS, 2001, Seite 38).

Die Stadtklimaanalyse Tier wurde 2008 von GEO- NET Consulting GmbH, in Kooperation mit der Universität Trier und Prof. Dr. G. Gross erstellt (GEONET 2009, online). Grund für die Stadt Trier , diese modellgestütze Analyse in Auftrag zu geben, war der Wunsch nach einer umfassenden Darlegung der vorherrschenden lufthygienischen Situation und der klimatischen Funktionszusammenhänge. Anhand der Kenntnis über diese Funktionszusammenhänge und die in einer Stadt vorherrschenden Lokalklima lassen sich Schutzmaßnahmen zur Verbesserung der gesamten klimatischen Situation beurteilen und quantifizieren. Im Hinblick auf konkurrierende Planungsziele ist diese Analyse des weiteren eine wichtige Entscheidungshilfe zur sachgerechten Beurteilung der Auswirkungen auf Klima und Luft (GEONET, 2009, online). Im Vordergrund der Analyse stehen die Identifizierung, Sicherung, Entwicklung und Wiederherstellung derjenigen Oberflächenstruktur die für eine gesundheitlich unbedenkliche Luftqualität und Lokalklima in einer Stadt von Bedeutung sind. Für die Analyse wurden langjährige Datenbestände erhoben, ausgewertet und für ein Rechenmodell aufbereitet.Die Ergebnisse des Rechenmodell wurde zudem mit stichpunktartige Kontrollmessungen überprüft (STADTPLANUNGSAMT TRIER, 2013, online). Die Auswertung der Datenbestände und des Rechenmodells werden in einem Ergebnissbericht, in einer digitalen Klimafunktionskarte und einer Planungshinweiskarte bereitgestellt.

Das in dieser Stadtklimaanalyse genutzte Modell FITNAH (Flow over Irregular Terrain with natural and antropogenic Heat Sources) ist ein prognostisches, mesokaliges Strömungsmodel. Das Modell ist speziell geeignet für Gebiete die starke Höhenunterschiede aufweisen, also in denen Täler sowie Höhenrücken aufzufinden sind, da es eine sehr kleine horizontalen räumlichen Auflösung/ Maschenweite hat. Das Modell legt über das gesamte Stadtgebiet ein 3D Gitter. Verschiedene Parameter wie z.B. die Landnutzung, großräumige Wetterlage, Bodenart, Bebauungsgrad und Gebäudehöhen,werden als gemittelter Wert der jeweiligen Gittermasche in die Berechnung einbezogen (SCHLÜNZEN, o.J., online). Typisch sind Maschenweiten von 25m bis hin zu 500m. Die Lösung erfolgt auf dem numerischen Gitter das räumlich auf das Stadtgebiet begrenz ist. FITNAH ist in der Lage die Eigenheiten einer Landschaft und der Landnutzung zusammen mit den meteorologischen Variablen zu kombinieren. Die Landnutzung ist in 15 verschieden Nutzkategoriene gegliedert von Zentrum/ Stadtteilzentrum bis zu Rebflächhen die je nach Überbauungsgrad einen anderen Parameter darstellen. Des weiteren werden für die Rechnungen noch Informationen benötigt hinsichtlich der großräumigen synoptischen Wetterlage. Darunter fallen geostrophische Winde, Höhenwinde, vertikale Temperaturverteilung, da diese auch Einfluss auf die in dem Untersuchungsgebiet vorherrschenden Lokalklimate haben (DR. ZENGER, o.J. online). Die berechneten Strömungen werden durch eine vollständige dreidimensionale Bewegungsgleichung berechnet. Durch Bilanzgleichungen werden Turbulenzenverhältnisse sowie Temperatur und Feuchteverhältnisse bestimmt.Ein weiterer wichtiger Parameter zur Bestimmung der Strömungsverhältnisse ist die Bestimmung der Oberflächentemperatur, die von dem Modell durch eine Energiebilanzgleichung erstellt wird, wobei folgende Parameter berücksichtigt werden müssen: Bodenart, Feuchte, und Landnutzung. Auf diese Weise berechnet das Modell z.B. die Abkühlung und die Erwärmung der bodennahen Luft modellintern und benötigt keine Vorgaben von außen (RICHER& RÖCKLE,2013, online).

Die Charakterisierung der Temperatur- und Windverhältnisse sind die dominierenden Einflussfaktoren zur Bewertung des Lokalklimas unter humanbiologischen Gesichtspunkten. Die Charakterisierung dieser beiden Parameter in der Stadtklimaanalyse Trier erfolgt hauptsächlich anhand langjähriger Mittel- und Extremwerte der Lufttemperatur zweier Deutscher Wetterdienst Stationen des Untersuchungsraums, aus den Jahren 1968 bis 1998. Die Auswertung weiterer Faktoren, die maßgeblich für die Strömungsverhältnisse im urbanen Bereich verantwortlich sind erfolgte über das Gleichungssystemen des Modells. Darunter fallen nächtliche Flurwind, die Kaltluftproduktion und Kaltluftabfluss. Die Auswertung gliedert die Stadt in bioklimatische/ lufthygienisch belastete Siedlungsräume (Wirkungsräume), kaltluftproduzierende, vegetationsgeprägte Flächen (Ausgleichsräume) und in gering überbaute Flächen (Kaltluftleitbahnen). Diese Abgrenzung der verschiedenen Räume ermöglicht es, ein komplexes Bild der Prozesse die für den Luftaustauschströmungen verantwortlich sind zusammenzufassen (GEONET, 2009,online).

Abb.1 Ausschnitt aus der Klimafunktionskarte Trier,dargestellt ist Stadt Trier mit Umland, Maßstab 1:59000 (Stadtplanungsamt Trier, 2009)

Abb.2 Legende zur Klimafunktionskarte (Stadtplanungsamt Trier, 2009)

In der Klimaanalysekarte werden anhand des PMV, Baublöcke in bioklimatische Belastungsklassen gegliedert, ungünstig, weniger günstig, günstig und sehr günstig. Bei der Bewertungsklasse ungünstig herrscht eine überdurchschnittliche Wärmebelastung vor. Günstige und sehr günstige Belastungsklassen sind aus humanbioklimatischer Sicht positiv zu sehen (GEONET, 2009, online). Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die bioklimatisch belasteten Gebiete (rotes Quadrat) ausschließlich in der Innenstand befinden. Dort befinden sich keine Kaltluftleitbahnen die die Kaltluftmassenströme der Ausgleichsräume in die Stadt befördern. Daraus lässt sich der direkte Zusammenhang zwischen den Kaltluftleitbahnen und der Verbesserung der bioklomatischen Belastung hinsichtlich einer Durchlüftung erkennen.

Abb 3.Ausschnitt aus der Planungshinweiskarte Trier,dargestellt ist Stadt Trier mit Umland, Maßstab 1:59000 (Stadtplanungsamt Trier, 2009)

Abb 4 Legende zur Planungshinweiskarte Trier (Stadtplanungsamt Trier, 2009)

Die Planungshinweiskarte zeigt an, welche Gebiete eine besonders hohe stadtklimatische Bedeutung haben. Interessant hier ist zu sehen, dass die besonders wichtigen Flächen nicht diejenigen Flächen sind die in der Klimafunktionsfläche als die mit der höchsten Kaltluftlieferung beurteilt wurden (In der Klimafunktionskarte sind diese weiter höher ausgezeichnet). Die wichtigsten Grün- und Freiflächen mit der höchsten stadtklimatischen Bedeutung, in Abb3 in dunkelgrün dargestellt, liegen direkt am Stadtrand und werden von Luftleitbahnen durchquert.
Auf beiden Karten ist auch jeweils die lufthygienische Belastung ausgewiesene (nachzulesen in : Stadtklimaanalse Trier 2009, Textband), auf die hier jedoch nicht näher eingegangen wird, da sie nicht unter den thermischen Wirkkomlex der Humanbiologie fällt.

Im Rahmen der Überarbeitung des Flächennutzungsplans Trier und Umgebung spielt die Stadtklimaanalyse sowie weiteren Analysen, die Ökologische Risikoanalyse, die Schalltechnische Überprüfung und die Verkehrliche Bewertung ein wichtiges Element in der Umweltvorsorge. Potenziellen Wohn- und Gewerbestandorte wurden einer Standortprüfung unter Berücksichtigung fachgutachtlicher Bewertungen unterzogen und anhand der oben genanten Analysen beurteilt. Es werden grundlegende Aussagen zur künftigen Nutzung der Flächen mit Verbindlichkeit für die Behörden, nicht für die Privaten getroffen (vorbereitende Bauleitplanung). In der anschließenden Abwägung werden die verschiedenen Argumente und Gegenargumente gesammelt und gegenübergestellt. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurde letztendlich eine Empfehlung ausgesprochen, ob der Standort weiter verfolgt, mit einer modifizierten Abgrenzung verfolgt oder aufgegeben werden soll. Somit sind die Ergebnisse und Empfehlungen der Stadtklimaanalyse alleine nicht verbindlich, sondern fließen in die Abwägung mit hinein und erhalten somit erst einen verbindlichen Charakter (STADT TRIER,2013, online).

Die Modellmethode bietet den Vorteil, dass das Luftaustauschgeschehen, regionaler Antrieb und die Verhältnisse der bodennahen Atmosphäre umfassend abgebildet werden können. Somit können Klimarückkopplungsverfahren und nicht lineare Prozesse quantifiziert beschrieben werden.Der Vorteil einer modellgestützen Analyse besteht des weiteren in der Bereitstellung flächendeckender Quantitäten verschiedener Parameter zum Kaltlufthaushalt in dem auch der dynamische Aspekt des Klimahaushaltes berücksichtigt wird. Ferner ist es nur mit numerischen Simulationen möglich eine Simulation für zukünftige Entwicklungen zu erstellen (GEONET, 2009, online). Alle mesoskaligen Modelle basieren auf einem Satz von Bilanz- und Erhaltungsgleichungen. Das Grundgerüst besteht aus der Gleichung für die Impulserhaltung, der Massenerhaltung und der Energieerhaltung. Je nach Problemstellung und gewünschter Anwendung kann diese noch erweitert werden, indem weitere Bilanzgleichungen mitaufgenommen werden. Die Unterschiede zwischen den Modellen ergibt sich durch die Art und den Umfang der Parametrisierung und den verwendeten Lösungslogharythmus (DEUTSCHER WETTERDIENST,2003,online). Ein Nachteil der numerischen Modelle ist , dass mit steigendem Grad an Komplexität auch die Anforderungen an den benötigten Eingangsdaten steigt. Des weiteren fehlt das Globalklima als Parameter in den Gleichungen und den Wechselwirkungen zwischen diesem und dem regionalem Klima. Es kann obendrein ein hoher Rechenzeitbedarf entstehen, abhängig von der Größe des Gebiets und der Rasterauflösung (DR. FEULNER, 2011, online).

Die Ergebniskarten der Stadtklimaanalyse Trier liefert Kenntnisse über stadtklimatisch wichtige Faktoren wie Kaltluftentstehungsflächen und Luftleitbahnen sowie deren quantitativen Einordnung. Da diese wichtige Elemente der klimaökologischen Prozesse wie lokale Windsysteme sind und somit auch maßgeblich das Humanbioklima mitbestimmen liefert die Analyse eine wichtige Grundlage zur Umsetzung der gesetzten Ziele, der Verringerung von stadtklimatischen negativen Effekten, zum Beispiel Hitzestress. Es wird jedoch auch deutlich, dass bereits belastete Areale wie sie zum Beispiel in der Innenstadt vorkommen, nicht wesentlich positiv beeinflussbar sind. Da sie bereits durch dichte Bebauung von den Kaltluftbahnen und somit dem Luftaustauschgeschehen abgeschottet sind. In Betracht auf die folgenden Nutzungsintensivierungen/ Neubauten gibt sie jedoch detaillierte Aufschlüsse über wichtige Flächen die geschützt werden sollten, um einer Verschlechterung der humanbioklimatischen Situation entgegen zu steuern (GEONET, 2009, online).

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