Anwendung digitaler Entscheidungstools in der Umweltplanung - Herleitung der Bewertung der Klimawirkung von Vegetation in urbanen Räumen - Am Beispiel von Berlin & Kaohsiung, Taiwan

Abbildung 1: Rosalie Schmidt, verändert nach: Ren Chao, Lau Ka Lun, Yiu Kam Po, NG Edward 2013: The application of urban climatic mapping to the urban planning of high-density cities: The case of Kaohsiung, Taiwan http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264275112002193 (Abruf 28.09.2017)
Tabelle 1: Rosalie Schmidt, verändert nach: Ren Chao, Lau Ka Lun, Yiu Kam Po, NG Edward 2013: The application of urban climatic mapping to the urban planning of high-density cities: The case of Kaohsiung, Taiwan http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264275112002193 (Abruf 28.09.2017)
Tabelle 2: Rosalie Schmidt

Hitzeperioden, Starkregen, Wirbelstürme – Extremereignisse nehmen zu und sind Auswirkungen des fortschreitenden Klimawandels. Bereits heute leben 50 % der Weltbevölkerung in Städten, bis 2050 sollen es 68,7 % werden (Endlicher 2012). Dort treten die sogenannten UHI, englisch urban heat islands, durch anthropogene Wärmeabgabe auf, welche nicht nur eine Belastung für das urbane Humanbioklima darstellen, sondern auch negative Auswirkungen auf die globale Klimaentwicklung haben.

Aufgabe moderner Stadtplaner wird es zunehmend sein, bisherige Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Als Grundlage zur Entscheidungsfindung können städtische Klimakarten, englisch urban climatic maps, kurz UCMaps, dienen, welche positive und negative lokalklimatische Situationen abbilden.

Im Folgenden werden die Vorgehensweisen der Erarbeitung der UCMaps von Berlin in der gemäßigten und Kaohsiung, Taiwan, in der subtropischen bis tropischen Klimazone erläutert und vergleichend gegenübergestellt. Der Fokus liegt vor allem auf der Herleitung der Bewertung. Wie werden diese Aussagen zur Empfindlichkeit, Klimawirkung und Schutzwürdigkeit getroffen und welche Empfehlungen für die Stadtplaner leiten sich daraus ab?

Eine UCMap stellt meteorologische, topographische sowie Planungs-, Landnutzungs- und Vegetations-informationen digital zusammen (Ren et al. 2013). Auswirkungen auf die städtische Umwelt können analysiert und bewertet werden (Alcoforado et al. 2009, Scherer et al. 1999, VDI 1997). Das UCMap-Konzept wurde erstmals von deutschen Forschern in den 70er Jahren entwickelt (Matzarakis 2005). Um die Praxis der Entwicklung von UCMaps zu begleiten, veröffentlichte das Deutsche Nationalkomitee für angewandte städtische Klimatologie 1993 eine nationale Richtlinie mit dem Titel „VDI 3787: Teil 1 – Umwelt-Meteorologie, Klima- und Luftverschmutzungskarten für Städte und Regionen“ (Verein Deutscher Ingenieure, VDI 1997). Es legt Schlüsselmethoden für die Erstellung von UCMaps fest, definiert Begriffe und Symbole, die in UCMaps verwendet werden und gibt Empfehlungen für die Anwendung von UCMaps auf Planungsebene (Ren et al. 2013).

Kaohsiung liegt in der subtropischen bis tropischen Klimazone im Südwesten der zur Republik China gehörenden Insel Taiwan und gilt als high-density city (Ren et al. 2013), also stark verdichtete Stadt. Als Industriestadt hat sie in den letzten Jahrzehnten eine rasche Verstädterung erfahren, was zu einer Vielzahl von Umweltauswirkungen und -zerstörungen und einem kontinuierlichen Temperaturanstieg geführt hat (Tseng 2008).

Eine der Hauptquellen dieser Arbeit stellt die 2013 erschienene Studie „The application of urban climatic mapping to the urban planning of high-density cities: The case of Kaohsiung, Taiwan“ von Ren et al. dar . In drei Schritten wurden sensible Bereiche identifiziert, in denen die anthropogene Wärmeausstrahlung am höchsten ist und dem Potentialen Wind, Wasserkörper und der Vegetation zur Kühlung gegenübergestellt, woraus schließlich Empfehlungen für eine allgemeine stadtklimatische Planungsberatung abgeleitet werden konnten.

Im ersten Schritt wurden Klima-, Umwelt- und Planungsdaten und -informationen vom Taiwan Central Weather Bureau, sowie dem Stadtentwicklungsbüro und dem Ministerium für Haushalt, Rechnungswesen und Statistik der Gemeindeverwaltung Kaohsiung gesammelt. Im zweiten Schritt wurden auf Grundlage der eingepflegten Daten digital acht Layer erstellt. Diese bildeten folgende Informationen über Kaohsiung geografisch ab: Aussagen zur Topografie, Populationsdichte, Landnutzung und städtischen Wärmeinseln (zusammengefasst der „Thermal Load“ mit Wärmewirkung), sowie Aussagen zu Grünland und Wasserkörpern (zusammengefasst das „Dynamische Potential“ mit Kühlwirkung), als auch Layer 7 und 8 mit Windinformationen (Kühlungsweiterleitung). Im dritten Schritt wurden diese Layer übereinandergelegt, ausgewertet und zu einer gemeinsamen Karte zusammengefasst (Abbildung 1). Auf Grundlage dieser Informationen konnte eine Tabelle erstellt werden, die neben einer begleitenden textlichen Ausarbeitung, Empfehlungen an die Stadtplaner zur Verbesserung des Klimas geben soll (Tabelle 1).

Auch der städtische Umweltatlas ist eine UCMap, da er die Merkmale der digitalen Form und der Abbildung klimarelevanter Informationen erfüllt. Er wurde 1985 von der Berliner Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Wohnen erarbeitet und stellt seither für die Bereiche Boden, Wasser, Klima, Luft, sowie Flächennutzung, Verkehr, Lärm, als auch Mensch, Umwelt und Energie umfassende, differenzierte Beschreibungen und Bewertungen anhand zahlreicher Karten, Texte, Abbildungen und Sachdatenbeständen dar. Auf der Internetseite für Stadtentwicklung und Wohnen sind ausführliche Hintergrundinformationen in Erfahrung zu bringen, die ebenso online im sogenannten FIS-Broker zugänglich sind und auch für Downloads in verschiedenen Formaten zur Verfügung stehen.

Seit 2004 gibt es die „Planungshinweiskarte Stadtklima“ (im Folgenden PHK Klima genannt), welche zur Zielerreichung der Schaffung, des Erhalts und der Verbesserung eines für den Menschen möglichst gesunden Stadtklimas dienen soll (SenStadtUm 2011).

Als Grundlage wurden bereits vorhandene Daten aus Messungen in Berlin und Potsdam verwendet, die im nächsten Schritt mit dem mesoskaligen Klimamodell „FITNAH“ analysiert und abschließend anhand von drei sich ergänzenden Planungshinweiskarten dargestellt wurden. Zwei der Planungshinweiskarten bilden Aussagen zu den Klimaverhältnissen in den Sommer- und Wintermonaten ab, während aus den resultierenden meteorologischen Feldern zusätzlich eine räumlich differenzierte Karte für bestimmte klimatologische Kenntage abgeleitet wurde. Die PHK Klima umfasst die genannten drei Grundlagenkarten als “Hauptkarte” 04.11.1, wobei vor allem in die drei räumlichen Bewertungseinheiten Siedlungsraum, Grün- und Freiflächen und Öffentliche Straßen, Wege und Plätze unterschieden wird. Weiterhin umfasst die PHK Klima die “Ergänzenden Planungshinweise” 04.11.2 und die entsprechende “Maßnahmenebene” 04.11.3 (SenStadtUm 2011).

Natürliche Vegetation hat Kühlungseffekte, die für ihre Umgebung vorteilhaft sind und die Wärmebelastung senken können (Bowne & Ball 1970, Landsberg 1981, Oke 1987, Sun 2008). Die Klassifizierung der Kühlungswirkung in Kaohsiung stützt sich auf wissenschaftliche Erkenntnisse, wie letztere und basiert auf dem Vorhandensein von Parks und anderen Grünflächen (Chen 2006, Sun 2008). Flächen ohne Vegetation wurden bezüglich ihrer Kühlwirkung als sehr niedrig eingestuft, Flächen mit begrenzter Bedeckung als niedrig (Ren et al. 2013). Wälder, landwirtschaftliche und militärische Flächen, die alle erhebliche Kühleffekte auf die umgebenden Gebiete ausüben können (ebd.), wurden als medium klassifiziert. Große Stadtparks, die zur Kühlung von umliegenden urbanen Gebieten beitragen (ebd.), wurden als hoch eingestuft und Wälder als sehr hoch.

Die Karte der Gesamtbewertung der thermischen Verhältnisse in Berlin wird in vier Kategorien – von sehr günstig, über günstig und weniger günstig, bis hin zu ungünstig – eingeteilt. In die Bewertungsklassen „ungünstig“ und „weniger günstig“ fallen Flächen mit Blockrandbebauung und großflächigem Einzelhandel, die ein hohes Bauvolumen, einen hohen Versiegelungsgrad und ein niedriges Grünvolumen aufweisen. In anderen Bezirken herrscht ein deutlich größerer Grünanteil vor, welcher zur Kaltluftentstehung beiträgt und wo gleichzeitig die historisch bedingt offenere Bebauungsstruktur ein vergleichsweise geringes thermisches Belastungsniveau birgt. Demzufolge kann hier mit „günstig“ und auf landwirtschaftlichen Nutzflächen an den Randgebieten zum Umland sowie über Waldflächen sogar mit „sehr günstig“ gewertet werden. Die Karte der Schutzwürdigkeit von Grün- und Freiflächen in Berlin wird ebenfalls in vier Wertungskategorien – von der höchsten, über die hohe und mittlere, bis hin zur geringen – eingeteilt. Etwas mehr als der Hälfte der Berliner Grün- und Freiflächen wird die höchste Schutzwürdigkeit zugewiesen (SenStadtUm 2011). Diese Flächen umfassen für die gegenwärtige Siedlungsstruktur besonders wichtige klimaökologische Ausgleichsräume.

In beiden Städten wird die Kühlwirkung aus dem Vorhandensein und der Art von Vegetation und dem Versiegelungs- bzw. Bebauungsgrad und der Nutzung abgeleitet. In Kaohsiung gibt es fünf Wertungsstufen, welche ein Mittel zulassen. In Berlin gibt es aufgrund von nur vier Wertungsstufen immer eine Tendenz in die eine oder andere Richtung.

Die Herleitung der Bewertung in Berlin erfolgte zu großen Teilen unter Zuhilfenahme der VDI-Richtlinie VDI 3785 Blatt 1 in der Fassung von 2008. Zu Punkt 8, „Bewertungen stadtklimatischer Ergebnisse“, heißt es in der Richtlinie: „Da keine standardisierten und normierten Verfahren zur Bewertung des Stadtklimas existieren, wird […] am Beispiel von Stationsdaten […] eine mögliche Vorgehensweise zur vergleichenden Bewertung der ermittelten Klimadaten vorgestellt“. Bezogen auf die ordinale Bewertung von Flächen können die Bewertungskategorien in den meisten Fällen nur vergleichend erfolgen, da objektive Beurteilungen bei fast allen Kriterien kaum möglich sind. Die ordinale Bewertung in Kaohsiung stützt sich auf wissenschaftliche Quellen.

Für die Bewertung der bioklimatisch-thermischen Situation in Berlin gibt es jedoch zusätzlich eine Formel zur Berechnung:

z=(x- µ)/o (1)

z – standardisierter Wert der Variablen x
x – Ausgangswert der Variablen x
µ – arithmetisches Mittel
o - Standardabweichung

Liegt das Ergebnis zwischen -∞ und -1, so fällt es in die sehr günstige Bewertungskategorie. Liegt es zwischen -1 und 0, fällt es in die günstige Kategorie. Zwischen 0 und 1 fällt es in die weniger günstige, und zwischen 1 und ∞ in die ungünstige Kategorie. Die ordinalen Bewertungen werden im Anschluss nummerischen Wertungen von 1 bis 4 gleichgesetzt, wobei 1 für sehr günstig und 4 für ungünstig steht. Auf die stadtökologischen Vorgänge und Einflüsse von Vegetation wird in der VDI nicht eingegangen.

An die Bewertungskategorien in Berlin sind Empfehlungen zu Maßnahmen gebunden, zum Beispiel: Da in den Bewertungskategorien „sehr günstig“ und „günstig“ keine übermäßigen Belastungen auftreten, besteht weder ein Planungs-, noch Handlungsbedarf (VDI 3785, 2008). Lediglich soll für den Erhalt des Zustandes dieser Flächen gesorgt werden. In den Bewertungskategorien „weniger günstig“ und „günstig“ treten hohe bioklimatische oder immissionsklimatische Belastungen auf, sodass insbesondere im Zusammenhang mit sensiblen Nutzungen Handlungs- und Planungsbedarf besteht (ebd.). Weiterhin heißt es: „Oberstes Planungsziel sind der Erhalt und die Erweiterung klimarelevanter Stadtstrukturen (z.B. Ausgleichsflächen) sowie die Gewährleistung eines ausreichenden Luftaustauschs. Einer zunehmenden Verschlechterung der Verhältnisse ist entgegenzuwirken.“ (ebd.). Auch in Kaohsiung werden je nach Kategorie, in die ein Gebiet fällt, Empfehlungen formuliert.

Die Vorgehensweise erfolgte in beiden Fällen sehr ähnlich, ausgehend von einem umfassenden Zusammentragen vorhandener Daten über das Vereinheitlichen und Digitalisieren in Karten und das abschließende Analysieren, einhergehend mit dem Formulieren von Empfehlungen. In beiden Städten ist man sich dem ökologischen Wert von biologischer Vielfalt bewusst, es soll verstärkt auf Windleitbahnen und Kaltluftentstehungsgebiete geachtet und Grünflächen möglichst mit Vegetationsgürteln verbunden werden. Im Gegensatz zu den Karten in Kaohsiung, wo sich für die grafische Darstellung in Gitterzellen mit den Maßen von 500 x 500 Metern entschieden wurde, wird in Berlin teilweise mit einer Auflösung von 10 x 10 Metern gearbeitet.

In der heutigen Zeit, besonders hinsichtlich des fortschreitenden Klimawandels, werden alle Städte von der Intensivierung der UHI betroffen sein. Als Empfehlung aus den UCMaps geht hervor, dass sowohl Maßnahmen ergriffen werden sollten, um einer weiteren Erhitzung entgegenzuwirken, als auch Wärmequellen abgebaut werden sollten. Das größte Potential besteht wohl in der größtmöglichen Minimierung von anthropogener Wärmeausstrahlung durch technischen Fortschritt und angepasste Bebauung. Auf Durchlüftung, Kaltluftentstehungsgebiete und Windleitbahnen sollten bei der Planung geachtet werden. Dach- und Fassadenbegrünung sowie Parks und Grüngürtel sorgen für Abkühlung und Filterung der Luftschadstoffe. Aussagen zur Empfindlichkeit, Klimawirkung und Schutzwürdigkeit eines Gebietes in einer UCMap wurden in den vorgestellten Beispielen nach wissenschaftlichen Erkenntnissen getroffen und lassen sich aus der Nutzung der jeweiligen Fläche ableiten. Dabei wird der Bebauungs- und Versiegelungsgrad der vorhandenen Vegetation und eine möglicherweise einhergehende weniger versiegelte Fläche gegenübergestellt, sowie Kaltluftentstehungsgebiete und Windströmungen berücksichtigt. Die digitale Nutzung von UCMaps ermöglicht fortwährende Aktualisierung und die Simulation verschiedener stadtklimatischer Szenarien. Es wird jedoch immer wieder darauf hingewiesen, dass Wissenschaftler und Stadtplaner noch enger zusammenarbeiten müssen, um für Vegetation und Humanbioklima in der Stadt die bestmögliche Situation zu schaffen.

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Bowne, N. E., Ball, J. T., 1970: Observational comparison of rural and urban boundary layer turbulence. In: Journal of Applied Meteorology, 18, 1072–1077 S.

Chen, T. W., 2006: The study of relationship between urban identity and landscape structure on the natural environment in Kaohsiung. National University of Kaohsiung, Kaohsiung

Cheng, V., Ng E., 2006: Thermal comfort in urban open spaces for Hong Kong. In: Architectural Science Review, 49 (3), 236-242 S.

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VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1, 2008: Umweltmeteorologie - Methodik und Ergebnisdarstellung von Untersuchungen zum planungsrelevanten Stadtklima. Beuth Verlag GmbH: Berlin, Verein Deutscher Ingenieure e.V.: Düsseldorf.

VDI-Richtlinien 3787.1, 1997: Environmental Meteorology-Climate and Air Pollution Maps for Cities and Regions. Beuth Verlag GmbH: Berlin, Verein Deutscher Ingenieure e.V.: Düsseldorf.

Autorin: Rosalie Schmidt
Datum: 04.08.2017, 24.09.2017, 28.09.2017