Projektbericht des Vertiefungsprojektes in dem Studiengang Ökologie und Umweltplanung (WS16/17 - SS17)


Vorwort

Willkommen auf dem Projektberichtswiki unseres Vertiefungsprojekts „Stadt-Grün-Klima? - Wechselwirkungen zwischen urbaner Atmosphäre und Vegetation“ des dritten und vierten Fachsemesters im Studiengang Ökologie und Umweltplanung an der TU Berlin.

Unser acht Semester umfassendes Bachelorstudium beinhaltet neben Vorlesungen und weiteren Lehrveranstaltungen auch Projekte. Diese dienen der Praxisorientierung für das spätere Berufsleben. Auch Fähigkeiten der Projektorganisation, der Präsentation von Ergebnissen und des wissenschaftlichen Arbeitens, einhergehend mit Datenerfassung und -auswertung, werden erlernt und vertieft. „Die Inhalte dieses Moduls betreffen praxisnahe Aufgaben- und Problemstellungen aus dem Bereich Ökologie, dem Bereich der Umweltplanung oder der Schnittstelle beider Bereiche“ (Modulbeschreibung).

Ausbildungsziel dieses Projekts war die Vertiefung der Grundlagen in der Klimatologie, mit besonderem Fokus auf das Stadtklima und dessen Bezüge zur städtischen Planung am Beispiel Berlins. Der inhaltliche Schwerpunkt des Projektes lag dabei auf den Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Stadtatmosphäre (HARTIG & PATIL 2009, TAN et. al 2009, KONARSKA et. al 2016). Urbane Vegetation - in Form von Grünstreifen, Stadtbäumen, Sträuchern, begrünten Dächern und Fassaden, offenen Grasflächen und Parkanlagen - vermag durch Verdunstung die Lufttemperatur, und durch Beschattung die Oberflächentemperatur, beispielsweise unterhalb von Baumkronen, zu senken und die Luftqualität in der Stadt durch Staubfilterung zu verbessern. Dabei spielt das Auftreten der sog. städtischen Wärmeinseln eine zentrale Rolle. Dieses Phänomen beschreibt die generelle Überwärmung einer Stadt im Vergleich zu ihrem Umland.

Die Untersuchungen erfolgten im Rahmen verschiedener Aufgabenstellungen, wie der Durchführung eines Messpraktikums, eines Workshops zur Stadtklimaklassifizierung, Exkursionen (Wettermuseum Lindenberg, Hamburg und Bremerhaven) und eigener Analysen. Dabei bereitete uns das Lesen und Analysieren wissenschaftlicher Artikel auf das Schreiben unseres ersten eigenen wissenschaftlichen Artikels vor (Citizen Weather Station, Grün-Stadt[t]-Klima-Anlagen, Urban Classes), welcher am Ende dieses Projektes stand und über mehrere Wochen in Kleingruppen erarbeitet wurde. Ein großer Teil der Projektarbeit lag in der computergestützten Datenanalyse (z.B. mit R) und Simulation verschiedener Szenarien (z.B. mit ENVI-met).

Unser Vertiefungsprojekt beschäftigte sich daher mit konkreten Fallbeispielen über die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und urbaner Atmosphäre und möglichen stadtklimatologischen Konsequenzen für die Gestaltung bestehender und künftiger Grünanlagen innerhalb von Städten.

Neben unserem Projektleiter und den Tutoren danken wir Alexander Krug und Daniel Fenner für ihre fachliche Unterstützung.

Methodik

Das Vertiefungsprojekt verlief über zwei Semester und hatte zur Aufgabe neben Sachwissen auch das wissenschaftliche und planerisch-konzeptionelle Arbeiten zu vermitteln. Über die gesamte Dauer des Projektes wurden im wöchentlichen Rhythmus organisatorische Angelegenheiten sowie Arbeitsstände innerhalb eines Plenums präsentiert, dokumentiert und überarbeitet.
Zum Projekteinstieg fand eine kurze Vorstellungsrunde statt, es wurden Ziele und Erwartungen der Teilnehmer und der Projektleitung formuliert und ein Einblick in die Arbeitsmethoden gegeben. Am Anfang lag der Fokus überwiegend auf der Aneignung von Sachwissen zum Thema Stadtgrün und Stadtklima und der Vertiefung von bestehenden Grundkenntnissen über die Klimatologie durch intensive Recherchearbeiten. Dazu wurden Referate erarbeitet und wöchentlich ein wissenschaftlicher Artikel im Paperclub vorgestellt und diskutiert. Im Rahmen eines wöchentlichen Tutoriums wurde der Umgang mit dem Programm RStudio erlernt. Das dort angeeignete Wissen könnte mittels der Erhebung und Auswertung von Daten mit eigens durchgeführten mobilen Messungen praktisch geübt werden.
In der Exkursionswoche im Winter fand neben dem Messpraktikum auch eine Fahrt in das Wettermuseum Lindenberg statt. Dort beobachteten wir einen Radiosondenaufstieg, erhielten Einblicke in die Geschichte der Meteorologie und die historischen und aktuellen Verfahren der Wetterbeobachtung.
Im Sommersemester lag die Zielführung auf der Erstellung eines eigenen wissenschaftlichen Artikels zu ausgewählten Themen in verschiedenen Gruppen. Mit einem jeder Gruppe zur Seite gestellten Betreuer wurden Fragestellung zu den drei Themen: „Hot and Cool Spots in a Heat Wave“, „Grün-Stadt(t)-Klimaanlagen“ und „Urban Classes“ erarbeitet. Innerhalb der Gruppen fanden zusätzliche Workshops statt, die zur Erlernung und Vertiefung des methodischen Vorgehens und Beantwortung der Fragestellungen hilfreich waren.
Eine abwechslungsreiche Erfahrung bot die Exkursion nach Hamburg und Bremerhaven. Wir besuchten den Windkanal der Universität Hamburg, schauten uns das Projekt „Nachhaltiges Wohnen“ im Algenhaus an, unternahmen eine virtuelle Reise entlang des 8. östlichen Längengrades im Klimahaus in Bremerhaven und nahmen an der Preisverleihung „Hamburger Preis für grüne Bauten“ teil, zu dessen Anlass die Umweltbehörde die innovativsten Gründächer in Hamburg kürte.
Einen Abschluss findet das Projekt Stadt-Grün-Klima mit diesem Projektbericht. Hier werden alle über die zwei Semester erarbeiteten Inhalte zusammengeführt und schließlich präsentiert.

Themenbezogene Hintergrundrecherche

Für die Aneignung von Sachwissen zu den Themenbereichen Stadtklima, stadtklimatologische Untersuchungsmethoden und Stadt und Grün erarbeiteten alle ProjektteilnehmerInnen ein Referat und präsentierten es am Ende des Wintersemesters im Plenum. Die intensive Recherchearbeit festigte nicht nur bestehendes Grundwissen, sondern erweiterte das Wissen zu unterschiedlichen Teilaspekten der Stadtklimatologie umfangreich. Zusätzlich unterstützte die Ausarbeitung der Fachreferate das Aneignen von Kenntnissen zum wissenschaftlichen Arbeiten.
Welche Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Themenbereichen bestehen, wurde beim Zusammentragen der Kernaussagen aller Referate deutlich. Stadtklima und Vegetation sind eng miteinander verbunden und beeinflussen sich gegenseitig.

In der folgenden Tabelle sind die bearbeiteten Themen der drei Themenbereiche und die jeweiligen Kernaussagen dargestellt.

Themenbereich Stadtklima Kernaussagen
Einordnung des Themas Stadtklima in einen wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Kontext * erste Hinweise für die Urbanisierung als Ursache der Luftverschmutzung stammen aus der Antike - Horaz (ca. 24 v.Chr., “Luftverschmutzung in Rom”)
* die durchschnittlichen Temperaturdifferenzen zwischen Stadt und Umland liegen in der Größenordnung von 0.5 - 1.5 °C in Abhängigkeit von der Stadtgröße
Stadtklima und Mensch - das urbane Humanbioklima * bei Hitzestress kann das Wohlbefinden des Menschen (ausgedrückt durch den PMV) durch den Schattenwurf eines Baumes um bis zu 80 % gesteigert werden
Kaltluftentstehung und Luftaustauschprozesse im städtischen Kontext * Kaltluftproduktion ist abhängig von der Bewuchsart
* am besten wird Kaltluft über Gras gebildet (bei autochthoner Wetterlage)
* für den Transport von Kaltluft ist die Hangneigung, -form und Oberflächengestaltung ausschlaggebend
Stadtklima der Zukunft * die Lufttemperatur in Städten wird bis 2050 um min. 2 K ansteigen
* auch Städte in der gemäßigten Klimazone werden von den Auswirkungen des Klimawandels in Form von längeren und häufiger vorkommenden Hitzeperioden betroffen sein
* die Mortalitätsrate alter und schwacher Menschen steigt an
Bestimmung und Bedeutung stadtstruktureller Größen * dichte Bebauung in der Stadt führt zu multipler Reflexion der kurz- und langwelligen Strahlung
* die erhöhte Absorption von Strahlung beeinträchtigt die Energiebilanz erheblich
Themenbereich Untersuchungsmethoden Kernaussagen
Anwendung digitaler Entscheidungstools in der Umweltplanung * UCMaps unterstützen die Kommunikation zwischen Wissenschaftlern und Planern und die Öffentlichkeitsarbeit
* zusätzlich sind UCMaps eine Grundlage für internationale Zusammenarbeit
Stadtklimatologische Instrumente * numerische Modelle wie ENVI-met, die auf den Gesetzen der Thermodynamik und Atmosphärenphysik beruhen, können u.a. Szenarien für stadtklimatologische Planungen berechnen
* Automatische Wetterstationen, Thermalbilder und physikalische Modellierung im Windkanal sind elementar für eine gute Datengrundlage für numerische Modelle
Mobile mikrometeorologische Messung * es können unterschiedliche klimatische Zielgrößen, wie Lufttemperatur, Luftfeuchte, Strömungen und Strahlung gemessen werden
* mobile Messverfahren sind besonders in der Stadt von Vorteil, weil eine höhere örtliche Repräsentativität gegeben ist
Themenbereich Stadt und Grün Kernaussagen
„Grüne“ Strategien zur Reduzierung städtischer Wärmeinseln * extensive Dachbegrünung (CAM Pflanzen, z.B. Mauerpfeffer) erhöht die Lufttemperatur im 24-Stunden-Durchschnitt um 0.2°C
* intensive Dachbegrünung und Fassadenbegrünung zusammen kühlen die Lufttemperatur im 24-Stunden-Durchschnitt um 6.9°C
Vegetation in der Stadt – Schadstofffilterung oder Schadstoffakkumulation * die Aufnahme von Schadstoffen ist nicht nur von der Pflanze (Morphologie, Lage, Struktur, Zustand), sondern auch von der Jahreszeit und der Schadstoffkonzentration in der Luft abhängig
* in Straßenschluchten werden Schadstoffe auf Fußgängerebene akkumuliert, deshalb spielt die Windgeschiwndigkeit dort eine der bedeutendsten Rollen
Stadtbäume und Stadtklima – Wasserhaushalt von Bäumen * ein Baum in einem Street Canyon kann eine Abkühlungsleistung von 2.3 kW/Tag (95.8 W/h) aufbringen
* etwa ein Drittel der eintreffenden Solarstrahlung wird von dem Baum in Transpirationsenergie umgewandelt
Im Schatten unter Bäumen - Die Strahlungs- und Energiebilanz eines Baumes in der Stadt * thermische Behaglichkeit im Schattenbereich der Bäume ist zurückzuführen auf eine starke Minderung der direkten Sonneneinstrahlung
*unbelaubte Baumkronen fangen über 50 % Sonneneinstrahlung ab
Pflanzen unter Stress * Trockenstress führt zu einer Reduktion der stomatären Leitfähigkeit, des Wasserpotentials und der Transpiration
* Bäume können den Asphalt unter ihren Kronen um bis zu 20°C und die Luft um bis zu 2°C abkühlen
Klimatologisch relevante pflanzenphysiogische Parameter * Verfahren der Baumkronen-Zustandsbewertung aus Colorinfrarot- (CIR) Luftbildern ist großflächig möglich
* Zustand des Berliner Ahornbaumes verschlechtert sich zunehmend

Analyse wissenschaftlicher Artikel (Paperclub)

Um fachliches Hintergrundwissen zum Thema „Stadt-Grün-Klima“ zu sammeln und dabei das Lesen, Zusammenfassen und Präsentieren von wissenschaftlichen Fachbeiträgen zu üben, wurde jede Woche im Plenum ein veröffentlichter Artikel analysiert.
Der von einem Projektteilnehmer ausgewählte Artikel, wurde zuerst allen anderen vorgestellt und anschließend gemeinsam diskutiert. Dabei sollte der zeitliche Rahmen von einer Stunde nicht überschritten werden. Um einen Überblick zu gewinnen, wurde der ausgewählte Text nach Kategorie und Kontext eingeordnet und die Klarheit, Korrektheit, sowie die Kontribution allgemein bewertet. Besonderes Augenmerk wurde auf die Nachvollziehbarkeit der Schlussfolgerungen, sowie auf die Verständlichkeit der Graphiken gelegt. In der Diskussion wurden neben fachlichen auch methodische Aspekte beleuchtet und kritisch hinterfragt.
Für die Analyse sollten Publikationen herausgesucht werden, die in einem Fachjournal angenommen (accepted), sowie ausreichend begutachtet (peer reviewed) wurden, womit die Anforderungen an einen wissenschaftlichen Artikel zunächst erfüllt sind.

Die Zusammenfassungen aller vorgestellter Artikel sind hier abrufbar.

Wissenschaftliche Artikel

Im zweiten Semester des Projektes wurden Gruppenarbeiten zu drei unterschiedlichen Aufgabenstellungen bearbeitet. Die Ergebnisse wurde in der Form eines wissenschaftlichen Artikels dargestellt und abschließend im Plenum präsentiert. Dabei bearbeiteten die Gruppen jeweils eigenverantwortlich die Aufgabenstellung mit der Unterstützung von Tutoren. Die ProjektteilnehmerInnen sammelten vor allem praktische Erfahrung im Umgang mit Tools wie R-Studio, Envi-met und dem LCZ-Klassifikationssystem, als auch auch an Erfahrung wie man im stadtklimatologischen Bereich sich wissenschaftlich mit einer Aufgabenstellung auseinandersetzt.

Themen

1.Hot Spots vs. Cool Spots in a Heat Wave - Analyse der räumlichen Heterogenität der städtischen Wärmeinsel während eines ausgewählten Hitzewellenereignisses in Berlin

2.Grün-Stadt[t]-Klima-Anlagen

3.Analyse zum Einfluss des Stadtgrüns auf das Lokalklima am Beispiel Berlins

Nach Bewältigung der Gruppenarbeit wurde klar, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Vegetationsanteil einer Stadt und der Lufttemperatur besteht. Jedoch wurde auch deutlich, dass die Ergebnisse der einzelnen Gruppen durchaus differenziert ausfallen und das eine methodisch-systematische und nachvollziehbare Vorgehensweise unabdingbar sind für eindeutige und aussagekräftige Ergebnisse. Im Folgenden werden die Fragestellungen der Gruppen, ein grober Überblick über die Methode und deren Schlussfolgerungen kurz vorgestellt.

1. Citizen Weather Station
Fragestellung:
Lassen sich Flächen im Raum Berlin klimatologisch voneinander abgrenzen?

Methode:
Statistische Auswertung mit R-Studio und Netatmostationen

Schlussfolgerungen:
* eine starke Versiegelung spielt eine Rolle bei der Erwärmung der Lufttemperatur
* Grünflächen kühlen die Luft ab

2. Grün-Stadt[t]-Klima-Anlagen
Fragestellung:
Welchen Einfluss hat der Faktor Vegetation auf das Mikroklima in einem Wohnblock?

Methode:
Vergleich eines Wohnblockes mit und ohne Vegetation mithilfe von Envi-met V4.1

Schlussfolgerungen:
* maßgeblicher Unterschied der Lufttemperatur nicht erkennbar
* senkt Hitzestress und wirkt sich positiv auf den PMV aus

3. Urban Classes
Fragestellung:
In welchem Maß unterscheidet sich die Lufttemperatur bei LCZ´s mit geringem Grünanteil gegenüber mit hohem Grünanteil?

Methode:
Klassifikation von Berlin mit dem LCZ-System und statistische Auswertung mit R-Studio

Schlussfolgerungen:
* die Lufttemperatur steigt mit sinkendem Grünanteil
* zwischen unterschiedlichen LCZ´s mit ähnlichem Grünteil kein Unterschied erkennbar


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