Das Wohlbefinden des Menschen in Außenbereichen hängt stark von klimatischen Faktoren ab. Es wird bedingt durch z.B. Lufttemperatur, Luftfeuchte, Strahlung und Wind. In Städten können negative Auswirkungen dieser Faktoren auf das thermische Wohlbefinden des Menschen durch planerische Mittel verbessert werden. Inwiefern der Wind durch Veränderungen der Vegetation genutzt werden kann, um das thermische Wohlbefinden des Menschen zu steigern wird in diesem Artikel erläutert. Dabei wird anhand von Szenarien die Verwendung von Hindernissen bestehend aus unterschiedlichen Vegetationsstrukturen hinsichtlich der humanbioklimatischen Auswirkungen mittels Messdaten und numerischer Modellierung mithilfe des Modells ENVI-met bewertet.

Schlüsselwörter: Humanbioklima, Wind, Vegetation, PMV

Städte erlangen einen immer wichtigeren Status, da ein stetiges, globales Städtewachstum zu beobachten ist. Es ist davon auszugehen, dass bis zum Jahr 2050 weltweit annähernd zwei Drittel der Bevölkerung in Metropolen leben werden (UEHLECKE, 2009, online). Damit steigt natürlich auch die Notwendigkeit Städte an die Bedürfnisse der Menschen anzupassen und somit auch an die verschiedenen Ausprägungen des Klimas. Denn das Klima hat erheblichen Einfluss auf den Menschen, seine Gesundheit, sein Wohlbefinden und sein Arbeiten (ENDLICHER, 2012; HORBERT, 2000). Die Wissenschaft der Humanbioklimatologie beschreibt alle Klimafaktoren, die auf den Menschen einwirken. Zu den wichtigsten zählt der thermische Wirkungskomplex, der sich aus den Faktoren Wind, Temperatur, Luftfeuchte sowie kurz- und langwelliger Strahlung zusammensetzt (ebd.).
Der Wind in städtischen Gebieten hat großen Einfluss auf das Bioklima des Menschen, denn dieser kann die gefühlte Temperatur stark verändern. Da Städte ein sehr unregelmäßiges Gefüge bilden, sind die Muster von Luftflüssen in bebauten Gebieten sehr komplex. Städte haben somit verändernde Auswirkungen auf die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung (ERELL, PEARLMUTTER, WILLIAMSON, 2011). Damit wird klar, dass das Verständnis von windbeeinflussenden Stadtstrukturen auch für die Landschaftsarchitektur und -planung von wichtiger Bedeutung ist, um das thermische Wohlbefinden der Menschen in der Stadt zu verbessern. Vor allem in Städten entsteht der sogenannte städtische Wärmeinseleffekt (Urban Heat Island Effekt). Dieser umschreibt, dass in Städten im Vergleich zum Umland generell höhere Temperaturen herrschen bedingt durch u. a. menschliche Aktivitäten und die Geometrie der Gebäude (vgl. MILLS, 2008).

Im folgenden Artikel sollen die Einflüsse der Stadt auf den Wind erläutert und an einem Fallbeispiel quantifiziert werden. Desweiteren wird der Einfluss des Windes auf den menschlichen Wärmekomfort erklärt und anhand von Messungen auf dem Campus der Technischen Universität (TU) Berlin exemplarisch verdeutlicht. Es wird davon ausgegangen, dass die Vegetation Einfluss auf die Ausprägung des Windfeldes hat und dass der Wind wiederum den menschlichen Wärmekomfort beeinflusst.

Zum besseren Verständnis werden wichtige Begriffe, die im Artikel erwähnt werden im folgenden Abschnitt erklärt.

Die Luft der Atmosphäre ist ständig in Bewegung. Dabei gibt es geordnete, großräumige Bewegungen, wie z.B. die Ausgleichsströmungen bei Hoch- und Tiefdruckgebieten, und ungeordnete, kleinräumige, turbulente Vorgänge. In diesem Artikel werden nur letztere angesprochen, da diese maßgeblich an mikroskaligen Windbewegungen beteiligt sind. Die Turbulenz ist die kleinräumigste und kurzzeitigste atmosphärische Bewegungsform. Sichtbar wird sie z.B. an der ungeordneten, wirbelartigen Bewegung von Blättern im Herbst. Genannt werden solche Turbulenzen auch Böen. Sie entstehen durch vielfältige Unebenheiten des Untergrunds, welche auch als Rauigkeit der Oberfläche bezeichnet werden. Diese werden bedingt durch unterschiedliche Bebauungshöhen, die Anordnung von Straßenzügen sowie die Größe und Verteilung von Freiflächen innerhalb der Stadt (vgl. Abb. 1). Andere Rauigkeitselemente sind z.B. Bäume und Hecken. In Städten ist die Bodenrauigkeit wesentlich höher als im Umland, was dazu führt, dass dort mehr Turbulenzen entstehen (HUPFER, KUTTLER, 2006).

Abb. 1: Luftwirbel an Hindernissen (Gebäude) (MALBERG, 2002)

Je größer die Rauigkeit ist, desto größer wird die Reibungskraft, die der Windgeschwindigkeit entgegengesetzt ist, und somit den Wind abbremst (HUPFER, KUTTLER, 2006). Um die Wirkung der Bodenrauigkeit zu beschreiben, dient die Rauigkeitshöhe bzw. Rauigkeitslänge. Sie gibt an, bis in welcher Höhe über Grund der Wind bei neutraler Schichtung (vgl. WEBGEO, 2009, online) infolge der Reibungskraft so stark abgebremst wird, dass theoretisch Windstille herrscht. Die geringste Rauigkeitshöhe haben offene Seen mit m, die größte haben Gebirge wie die Rocky Mountains mit 60-80m (ZMARSLY et. al., 2002).
Ausschlaggebend ist demnach die Topographie, d.h. das Relief und die Rauigkeit der Erdoberfläche für einen bestimmten Standort. Dadurch erfährt das großräumige Windfeld eine Anpassung an örtliche Bedingungen und es entsteht ein lokales Windfeld (KUHN, 2007, online).
Maßgeblich für kleinräumige Windbewegungen sind weiterhin Konvektionen (vertikale Luftbewegungen). Damit wird das Aufsteigen erwärmter Luft bei gleichzeitigem Absinken von abgekühlter Luft bezeichnet. Erwärmte Luft dehnt sich aus und hat somit eine geringere Dichte. Die Luft steigt auf und um sie an gleicher Stelle zu ersetzen, strömt kältere und dichtere Luft nach. Die Vertikalbewegung ist dabei umso größer, je stärker der Temperaturunterschied zwischen den unterschiedlichen Luftpaketen ist (MALBERG 2002).
Die Windrichtung kann durch Abschnitte über die Himmelsrichtung und die Zwischenintervalle angegeben werden (z.B. N= Nord, NNE= Nordnordost, NE= Nordost und ENE= Ostnordost). So entsteht eine 16-teilige Windrose, die anstatt mit den Himmelsrichtungen auch mit Gradzahlen angegeben werden kann, wobei 0° bzw. 360° Norden entspricht
(vgl. Abb. 2).

Abb. 2: links: 12-teilige Windrose, Abschnitte in Grad; rechts 16-teilige Windrose, Abschnitte in Himmelsrichtungen (ZMARSLY et. al., 2002)

Bei Angaben zum Wetter wird üblicherweise die tatsächliche Temperatur angegeben. Diese Temperatur empfindet der Mensch aber nur, wenn er sich mit angemessener Kleidung bei mittlerer Luftfeuchte und Windstille im Schatten befindet und sich langsam bewegt. Wenn er den Sonnenstrahlen ausgesetzt ist oder der Wasserdampfgehalt der Luft hoch ist, empfindet er die Temperatur als höher, bei Wind - besonders im Winter - ist die gefühlte Temperatur geringer.
Zur Angabe der Temperatur, die ein Mensch fühlt, wird häufig der Predicted Mean Vote (PMV) herangezogen. Dieser ist eine aus der Behaglichkeitsgleichung nach Fanger (1972) berechneter Index, der den Wert der Unbehaglichkeit eines Menschen in Bezug auf das Wetter bewertet (Deutscher Wetterdienst , online). Zur Berechnung werden Daten zu der Windgeschwindigkeit, der Lufttemperatur und der Luftfeuchte benötigt. Es wird angenommen, dass der Mensch eine normale Aktivität ausübt, wie beispielsweise spazieren 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 (VDI 3787 Blatt 2, 1998, S. 17) (Vergleiche Tabelle 4 aus „Hot in the City“).

Auf dem Campus wurden zwei verschiedene Arten von Messungen durchgeführt. Zum Einen wurde mit einem mobilen Wettermesswagen (Human Meterological Vehicle = HumVe) an elf verschiedenen Stationen innerhalb des Campus gemessen (vgl. Abb. 3). Zum Anderen wurde eine stationäre Wettermessstation auf einer Rasenfläche des Campus aufgebaut.
Die mobilen Messungen erfolgten in stündlichen Intervallen mit dreiminütiger Messung an jeder Station vom 10.06.2013 um 11:23 Uhr bis zum 12.06.2013 um 9:21 Uhr. Der HuMVe nahm Daten auf zur relativen Feuchte, der Windgeschwindigkeit und -richtung, der Strahlungsbilanz und der Globalstrahlung. Die Winddaten wurden alle 10 Sekunden ermittelt (TU Berlin, online). Die Wetterstation lieferte dazu Daten vom 10.06.2013 ab 12:00 Uhr bis zum 12.06. bis 9:00 Uhr.

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Abb. 3: Messstationen am Campus (TU BERLIN, 2013)

Desweiteren wurde das dreidimensionale, mikroklimatische Modell ENVI-met verwendet. Diese Freeware simuliert u.a. Windströme um und zwischen Gebäuden sowie Turbulenzen. Es hat eine Auflösung von 3m im bodennahen Bereich bis 30m, mit zunehmender Höhe werden die Abstände größer. Das Modell ermittelt die Daten für jede Stunde (ENVI-MET, 2010, online). Es wird mit Daten gearbeitet, die am Fachgebiet Klimatologie der TU Berlin von großskaligen „Wettermodellen“ errechnet wurden. Das Modell berechnet anhand vorliegenden mesoskaligen Wetterdaten die mikroskaligen Verhältnisse an bestimmten Stelle (Mitarbeiter TU Berlin, Fachgebiet Klimatologie, 2013). Da es ein numerisches Modell ist, können verschiedene Szenarien durchgeführt werden, die bei der Ermittlung von verschiedenen Fragestellungen schnelle Antworten liefern, etwa im Hinblick auf Planungsaufgaben.
Um die Auswirkung von Vegetation auf das lokale Windfeld zu untersuchen, wurden verschiedene Szenarien durchgespielt. Für diese Szenarien wurde der Durchgang zwischen Hauptgebäude und Chemiegebäude gewählt (s. Abb. 4.1 grauer Kasten), da dort interessante Windverhältnisse herrschen. Da die Bodenrauigkeit auf der Straße des 17. Juni sehr gering ist, kann dort der Wind höhere Geschwindigkeiten erreichen. Durch den Durchgang zwischen den beiden Gebäuden gelangt der Wind auf den Campus und wird dort abgebremst. Mithilfe der Modellierung der Vegetation in diesem Durchgang kann die Windgeschwindigkeit beeinflusst werden.

Abb. 4.1: Campus Bestandsvegetation (ENVI-MET, 2013)

Die Bestandsvegetation (Abb. 4.1) wurde entfernt und im ersten Szenario durch eine 20m hohe Baumreihe ersetzt (Abb. 4.2 A). Das folgende Szenario stellt zum Vergleich die Windsituation ohne Vegetation dar (Abb. 4.2 B). Im letzten Szenario wurden Hecken mit einer Höhe von 2m eingefügt (Abb. 4.2 C).


Abb.4.2: Campus Modellierungen. A: Baumreihe, B: ohne Vegetation, C: Hecke (ENVI-MET, 2013)

Zur Berechnung der gefühlten Temperatur wurde das Modell Rayman verwendet. Es ist ein von der Universität Freiburg entworfenes Modell, dass mithilfe der Eingabe der Koordinaten, des Tages, der Uhrzeit und den Wetterdaten wie Lufttemperatur, Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit den PMV ausrechnen kann (METEOROLOGICAL INSTITUTE, UNIVERSITÄT FREIBURG, 2009).

Für die Untersuchung wurde der PMV für 14:00 Uhr mittags am 11.06.2013 ermittelt, da zu dieser Uhrzeit die Temperatur durch die Sonneneinstrahlung am höchsten ist. Der 11.06.2013 wurde ausgewählt weil für diesen Tag die ENVI-met-Szenarien vorlagen. Dieser Tag war ein wolkenloser, warmer (21°C im Mittel am Mittag) Sommertag.

Bei der Berechnung des PMV werden große Unterschiede an den einzelnen Messstationen erkennbar. So war die Wärmebelastung an den Stationen fünf, sechs, sieben und elf am höchsten. Der PMV betrug bei Station sechs 2.0, bei Station elf 2.1 und den höchsten Wert erreichten Station fünf und sieben mit 2.5. Das entspricht einer Hitzebelastung die mäßig bis stark ist.
Im Gegensatz dazu war Station zwei mit einem PMV von 0.6 weniger belastend für den Menschen. Dort traten Windgeschwindigkeiten von 2,2 m/s auf, die die gefühlte Temperatur verringerten. Station drei liegt im Mittelfeld mit Windgeschwindigkeiten von 1,1 m/s und einem PMV von 1.7.

Die Szenarien zeigen in der Auswertung verschiedene Windgeschwindigkeiten.. Bei dem Szenario mit einer Baumreihe wird der Wind stärker in die Luftschneise eingeleitet wird, als das bei der Bestandsvegetation der Fall ist. Dort herrschen Windgeschwindigkeiten von 2,75m/s anstatt in Wirklichkeit 2,68m/s. Die höchsten werden bei dem Szenario ohne Vegetation mit von 3,24m/s erreicht Bei dem Szenario mit der Hecke sind die Windgeschwindigkeiten mit 1,8m/s am geringsten.

Die Bestandsvegetation hat einen PMV von 0.9, der gleiche Wert ergibt sich bei dem Szenario mit einer Baumreihe. Bei dem Heckenszenario ergab sich ein PMV von 1.3. Das bedeutet, dass dort eine schwache bis mäßige Belastung herrscht. In dem letzten Szenario ohne Vegetation fällt der PMV mit 0.8 am geringsten aus. Das liegt an den im Vergleich hohen Windgeschwindigkeiten( Abb. 4.2.C ).
Zum Vergleich des PMV der Modellierungen wurde auch der Wert für eine windgeschützte und sonnige Nische am gleichen Gebäude weiter südlich ermittelt (vgl. Abb. 4.1). Dort betrug der PMV 3.6, was einer starken bis extremen Hitzebelastung entspricht.

Zum Vergleich der Daten aus der HuMVe- Messung und den Daten des Modells ENVI-met wurden für die Daten der Station eins Windrosen angefertigt (vgl. Abb. 5). Diese zeigen in Bezug auf die Windrichtung, dass es bei den Messungen des HuMVe größere Schwankungen der Windrichtung gab als beim Modell. Das liegt daran, dass das Modell mit idealisierten Werten arbeitet und nur Stundenwerte ermittelt. Die Windgeschwindigkeiten der Modelldaten und HuMVe-Daten sind annähernd gleich. Jedoch ist bei beiden Methoden zu sehen, dass die Hauptwindrichtung aus Norden kommt. Die Mittelwerte des Modells geben eine Windgeschwindigkeit von ca. 1,2m/s an, der Mittelwert der HuMVe-Daten lag bei 0,7m/s. Das ENVI-met Modell hat somit Werte berechnet, die mit der Wirklichkeit übereinstimmen, jedoch nur eine Momentaufnahme sind. Das Modell arbeitet demnach ausreichend genau, wenn die Parametrisierung gut ausgeführt wurde.


Abb. 5: Windrose aus Daten des ENVI-met und des HuMVe am 11.06.2013 an Station eins um 14:00 Uhr.

Die Stationen, die zentral im Campus lagen und durch die Randbebauung vom Wind abgeschottet wurden, haben deshalb einen höheren PMV. Die Stationen, die näher am Ausgang und somit im Einfluss des Westwindes von außerhalb lagen, haben einen geringeren PMV, da es dort windiger war. Station zwei war mit einem PMV von 0.6 weniger belastend für den Menschen. denn dort wehte mehr Wind, da die Station etwas außerhalb des Campus lag und der Wind von außen mehr Einfluss ausüben konnte.

Bei den verschiedenen Szenarien kann man Rückschlüsse auf den Einfluss der Vegetation auf das Windfeld ziehen. Aufgrund der hohen Oberflächenrauigkeit der Hecke in Szenario C sind die Windgeschwindigkeiten mit 1,8m/s dort am geringsten. Dass der PMV bei den Szenarien A und B den gleichen Wert hat, liegt daran dass an diesem Tag generell keine großen Windgeschwindigkeiten herrschten und somit die Einteilung der Windskala sehr kleinteilig ist.
Die Vegetation spielt demnach eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung des Windes. Es können aufgrund der Szenarien Unterschiede zwischen Bäumen und Sträuchern festgestellt werden. Ein Baum bremst den Wind nur in Höhe seiner Krone. Im Stammbereich bietet er kaum ein Hindernis für den Wind. Hecken üben hingegen einen größeren Einfluss auf das Windfeld aus, weil sie vom Boden an ein Hindernis für den Wind darstellen. Allerdings gelten diese Annahmen nur für den Sommer, wenn die Bäume und Hecken belaubt sind. Bei sommergrünen Gehölzen treten im Winter geringere Windbremswirkungen auf.
Wo im Sommer Hitzebelastungen durch stärkeren Wind vermindert werden, ist es im Winter umgekehrt und mehr Wind führt zu einer größeren Belastung durch Kältestress. Bei der Planung muss dieser Punkt beachtet werden, wenn Wind durch Gebäude und Vegetation gefördert bzw. verringert werden soll. Um den Effekt der städtischen Wärmeinsel zu verringern, wäre es sinnvoll windändernde Stadtstrukturen zu schaffen, wodurch der Wind gefördert wird. In kälteren Gegenden hingegen sollten vorzugsweise windstille Plätze entworfen werden, damit es für die Menschen dort zu einer geringeren Kältebelastung kommt. Je kräftiger der Wind weht, desto mehr nimmt der PMV im Vergleich zur Lufttemperatur ab. Eine wichtige Rolle in Bezug auf die Temperatur spielt ebenfalls die Sonneneinstrahlung. Deshalb sollte nicht zu viel Vegetation entfernt werden, da diese Schatten spendet und dadurch einen großen Einfluss auf die Lufttemperatur und die gefühlte Temperatur ausübt (MCPHERSON, 1994). Schon geringere Verbesserungen der Durchlüftungsverhältnisse dicht besiedelter Gebiete können zu einer deutlichen Verringerung der Wärmebelastung führen (VDI 3787 Blatt 2, S. 13).

Somit kann geschlussfolgert werden, dass der Wind tatsächlich einen Einfluss auf die gefühlte Temperatur hat. Je größer die Windgeschwindigkeit ist, desto geringer ist der PMV und das Behaglichkeitsempfinden steigt. Da mithilfe von Modellen, wie beispielsweise ENVI-met, Aussagen über Windverhältnisse bei neuen Planungen durch Szenarien erstellen werden können, könnte versucht werden, mithilfe von kleineren Änderungen des TU Campus die thermische Situation im Sommer zu verbessern. Schon mit geringen Veränderungen der Vegetation wie dem Austausch von Hecken mit Bäumen, kann der Wind beeinflusst werden. Eine weitere Erkenntnis ist, dass nur eine Heckenreihe ausreichend ist, um den Großteil des Windes abzuhalten in Gebäudeschneisen einzuströmen (Abb. 4.2. C).
Dabei sollte aber nicht vergessen werden, dass in Klimaregionen wie in Deutschland auch strenge Winter keine Seltenheit sind. Somit entsteht ebenfalls die Notwendigkeit, an die thermische Situation in den kalten Monaten zu denken. In diesem Fall führt der Wind zu einer Verstärkung des Kältestress.
Es bedarf weiteren Untersuchungen über längere Zeiträume, um das lokale Windfeld und seinen Einfluss auf das thermische Wohlbefinden des Menschen zu bestimmen. Dabei sind unterschiedliche Methoden, Messungen und Modellierungen zum Vergleich anzuwenden.

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