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


Kaltluftentstehung und Luftaustauschprozesse im städtischen Kontext – Das Beispiel der Stadt Freiburg im Breisgau

Abbildungsverzeichnis

Abb. Durchlüftungssituation in Freiburg (REKLISO 2006)

1. Einleitung

Seit 2008 leben mehr als 50 % der Weltbevölkerung in urbanen Gebieten und die Tendenz ist steigend (TEEB DE 2016; Magazin zur Entwicklungspolitik 2008). Die Lufttemperatur in Städten ist oftmals höher als in ländlichen Gebieten (Howard 1833). Dieser Effekt wird auch als Urban Heat Island (UHI) bezeichnet. Gründe für die klimatische Veränderung der Städte können unter anderem die dichte Bebauungsstruktur oder Vegetationsarmut sein (Oke 1982). Der folgende Text widmet sich der Frage, wie Kaltluftbildung und Kaltlufttransport das Klima einer Stadt beeinflussen können. Dazu wird die Bildung kalter Luft auf unterschiedlichen Bewuchsarten erläutert, der Transport von Kaltluft erklärt und anschließend näher auf das Berg – Tal Windsystem eingegangen. Die Richtlinien des Vereins der Deutschen Ingenieure spielen auf städteplanerischer Ebene eine wichtige Rolle und dienen deshalb als Grundlage für diesen Text. Um die Relevanz von Kaltluftbildung und Transport zu veranschaulichen, wird die Stadt Freiburg im Breisgau in Bezug auf die Durchlüftungssituation mit Hilfe der Regionalen Klimaanalyse Südlicher Oberrhein (REKLISO 2006) beschrieben.

2. Kaltluftbildung

Kaltluft entsteht, wenn sich warme Luft über einer kalten Oberfläche befindet und von dieser geprägt wird. Idealerweise geschieht das am Abend oder in der Nacht bei autochthoner Wetterlage. Die Erdoberfläche strahlt langwellige Strahlung in die Atmosphäre zurück, die sogenannte Gegenstrahlung. Es entsteht eine negative Strahlungsbilanz welche die Grundlage für die Bildung lokaler Kaltluft ist. Der Wasserdampf und die Feuchte der Atmosphäre beeinflussen die Stärke der Gegenstrahlung und somit auch die Strahlungsbilanz (VDI Richtlinien 3787 Blatt 5 2003).

Flächen von starker nächtlicher Abkühlung sind abhängig von Bodenart, Bewuchs und Umfang der baulichen Nutzung. Die Korngröße und das Porenvolumen eines Bodens geben Auskunft über die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität eines Bodens. Je höher der Luftanteil im Boden ist desto mehr Luft kann abkühlen (ebd.). Bei ansteigender Luftfeuchtigkeit sowie erhöhtem Bodenwassergehalt, zum Beispiel bei landwirtschaftlicher Nutzung und künstlicher Bewässerung, ändert dies die Voraussetzungen für Kaltluftproduktion, da der Bodenwärmestrom ein anderer wird. Die ideale Nutzungsform für die Kaltlufterzeugung bilden Ackerland und Grünland, während fast alle anderen Nutzungen die klimaökologische Leistungsfähigkeit mindern (Song 2003: 76). Besonders starke Minderungen resultieren aus forstwirtschaftlicher und baulicher Nutzung (ebd.). Waldgebiete sind als Gebiete für nächtliche Kaltluftproduktion ungeeignet, können aber trotzdem kühlend wirken. Im Waldgebiet kühlt sich im Gegensatz zum Freiland ein größeres Luftvolumen ab, erreicht jedoch nicht die tiefen Temperaturen der Freiflächen und gleicht somit den Tagesgang der Lufttemperatur aus. Ein Großteil der städtischen Grünflächen wird von Rasen eingenommen. Bei guter Wasserversorgung weisen diese an Strahlungstagen im Vergleich zu angrenzenden Versiegelungsflächen wesentlich niedrigere Oberflächentemperaturen und damit niedrigere Lufttemperaturen auf (Heyer 1998: 358). Bei schlechter Wasserversorgung heizt sich kurzer Rasen allerdings stark auf, so dass von einer Kühlwirkung nicht mehr gesprochen werden kann (ebd.). Die wichtigste thermische Funktion haben Rasenflächen abends und nachts. Aufgrund der isolierenden Wirkung des Grasfilzes ist der Bodenwärmestrom gering und die Ausstrahlung hoch. Diese Gebiete kühlen sehr stark ab und heben sich als innerstädtische Kaltluftflächen heraus. Baum- und Strauchbestand können infolge ihres Schattenwurfs auch tagsüber für niedrigere Temperaturen sorgen. In der Nacht sind die Temperaturen dort jedoch höher als auf einer Rasenfläche. Neben dem Vorhandensein von Luftleitbahnen oder Kaltluftschneisen, die einen Transport von Kaltluft begünstigen, hängt der klimatologische Einflussbereich von Grünflächen von ihrer Größe ab. Je größer diese sind, desto stärker ist tendenziell auch ihre Wirkung (ebd.: 360).

3. Kaltlufttransport und Luftleitbahnen

Es gibt zwei Arten von lokalem Kaltlufttransport. Zu unterscheiden sind Flurwinde in wenig differenzierten Topographien und Kaltluftabflüsse in stark ausgeprägten Topographien (Umweltbundesamt 2011).

Durch die nächtliche Überwärmung der Stadt gegenüber dem Umland und dem daraus resultierenden Druckgradienten entstehen bei klaren Nächten lokale Windsysteme, sogenannte Flurwinde. Für den Transport von Flurwinden ist die vorherrschende Windsituation ausschlaggebend. Für die Entstehung von Kaltluftabflüssen sind vor allem die Hangneigung, die Hangform und die Oberflächengestaltung wichtig. Man bezeichnet diese Luftzirkulationen als Berg – Tal Windsystem (Song 2003: 73). Diese zirkulieren bestmöglich bei autochthoner Wetterlage (Paul 1988). Über Nacht wird Kaltluft gebildet und fließt als Hangabwind ab. Kalte Luft ist schwerer als warme Luft und folgt deshalb der Schwerkraft. Die Hangabwinde sind zumeist sehr schwach ausgeprägt, so dass es sich dabei um langsam fließende Kaltluft handelt. Beim Zusammenfließen der unterschiedlichen Hangabwinde entsteht ein großer stärkerer Abfluss, der Bergwind (ebd.).

Den Weg,welchen sich die Kaltluft zum Abfließen sucht, nennt man Luftleitbahnen oder Kaltluftschneisen. Wenn die Kaltluftentstehungsgebiete im Einzugsbereich der zur Stadt orientierten Täler liegen, sind damit die natürlichen Bahnen der Zufuhr frischer Kaltluft vorgegeben, da die kühlere Luft stets zu den tieferen Stellen des Geländes fließt (Song 2003: 76). Unter diesem Aspekt können auch Straßenzüge welche in Strömungsrichtung verlaufen förderlich sein. Die Intensität der Kaltluftzufuhr hängt von der Größe des Einzugsgebietes, der Hangneigung, der Weite der Täler und der Hindernisfreiheit ab. Um einen guten Abfluss sicher zu stellen, sollten Mindestmaße von 1000 Meter Länge sowie mindestens 50 Meter Breite, gewährleistet sein (Matzarakis 1994). Hindernisse können Talverengungen, Dämme, Lärmschutzwände, aber auch größere Gebäude oder geschlossene Siedlungskörper sein. Neben Grünflächen sind auch Flüsse oder Seen hervorragende Luftleitbahnen (Song 2003: 75).

4. Kaltluft im städteplanerischen Kontext

Für die Bewertung klimatischer Aspekte in der Raum- und Stadtplanung gibt es derzeit keine verbindlichen Vorgaben. Die VDI Richtlinien dienen als Richtlinie ohne rechtliche Verbindlichkeit. Das Schutzgut Klima ist im Vergleich zum Schutzgut Flora und Fauna schwer im kleinen Kontext zu betrachten und so auch schwerer in Richtlinien festzulegen. Was ist am Stadtklima schützenswert? Die Stadtklimatologie befasst sich mit der Bewertung von Flächen hinsichtlich ihrer Klimafunktion. Aus dieser Bewertung sind Maßnahmen zum Schutz oder zur Verbesserung des Klimas abzuleiten. Diese geben beispielsweise Vorschläge für Vorranggebiete in den Regionalplänen für den Klimaschutz, zum Beispiel für regional bedeutsame Kaltluftentstehungs- und Abflussbereiche (VDI Richtlinien 3787 Blatt 5 2003).

Nicht jede Stadt hat im Hinblick auf Kaltluftproduktion und Kaltlufttransport die gleichen klimatischen Voraussetzungen. Um eine Antwort auf die Frage, wie Kaltluftbildung und Kaltlufttransport das Klima einer Stadt beeinflussen können, zu erhalten, wird die Stadt Freiburg im Breisgau beispielhaft herangezogen. Freiburg liegt angrenzend an den Schwarzwald, mit der Südwestlichen Ausrichtung zum Dreisamtal. Dieses Tal wird aufgrund der berüchtigten starken Windsysteme, welche darin entstehen können, auch als Höllental bezeichnet. Hier handelt es sich um ein beispielhaftes Berg – Tal Windsystem, welches die Stadt am Morgen mit Kaltluft und Frischluft aus dem angrenzenden Gebiet versorgen kann. In der Klimaanalyse südlicher Oberrhein REKLISO (REKLISO 2006) werden die Aspekte der Durchlüftung und der Lufthygiene für das Gebiet genauer untersucht.

Die Kaltluft zusammen mit ihrem Entstehungsgebiet wird mit Hilfe von Luftbildern, Karten und Wärmebildern kartiert. Für die Analyse wurden Daten mit Tracerverfahren gesammelt und diese mit numerischen Modellen berechnet.


Abb. Durchlüftungssituation in Freiburg (REKLISO 2006)

Die Abbildung verdeutlicht anhand von unterschiedlichen Farben verschiedene Komponenten, welche für die Durchlüftungssituationen in Freiburg wichtig sind. Die violette Farbe steht für eine hohe lokale Windexposition, welche auf erhöhte Windgeschwindigkeit an Hangkanten, Kuppen oder Gipfellage schließen lässt. Die Länge der Pfeile ist proportional zur Windgeschwindigkeit. Je größer die Pfeile sind, desto höher ist die Windgeschwindigkeit. Die Richtung der Pfeile zeigt die Strömungsrichtung des Windes an. Durch die Pfeile ist zu erkennen, dass es einen Kaltluftabfluss mit hoher Volumendichte von Südosten gibt. Dieser fließt durch das sogenannte „Höllental“ in Richtung der Stadt Freiburg. Grün steht für günstige mesoskalige Windverhältnisse, gelb für durchschnittlich und orange für schlechte mesoskalige Windverhältnisse. Es ist wichtig zu beachten, woher der Wind auf der Mesoskala kommt. Kommt dieser von Südosten unterstützt dieser den natürlichen Abflussgradienten und ist somit stärker. Wohingegen ein mesoskaliger Westwind den Kaltluftabfluss mindern kann. Je dunkler das blau desto mehr Kaltlufttransport findet statt.

Bei autochthoner Wetterlage ist in den Morgenstunden die kalte Frischluft am Flugplatz, welcher sich im Nordwesten der Stadt befindet, noch spürbar (Deutscher Wetterdienst o.J.)

Für wie lange die Kaltluft die Stadt tatsächlich abkühlt, wird nicht klar. Da die Stadt Freiburg auf der Abbildung deutlich rot gekennzeichnet ist, was für hohen lokalen Oberflächeneinfluss steht, wird von einer erhöhten Wärmebelastung und nur einer kurzfristigen Abkühlung mit Kaltluft im urbanen Raum ausgegangen (Gudiksen 1988). Die über Nacht entstandene Kaltluft kann bei autochthoner Wetterlage mit leichtem Windanstoß durch das „Höllental“ die Stadt Freiburg erreichen und diese mit frischer und kalter Luft versorgen und die Luftbelastung vermindern (Deutscher Wetterdienst o.J.).

Nicht nur die Bildung kalter Luft in der Stadt ist bei diesem Beispiel primär, sondern vielmehr, dass die Stadt durch die von außen kommende Kaltluft durchlüftet wird und eine mögliche stagnierende Schadstoffbelastung der Stadt so verhindert werden kann (REKLISO 2006). Aufgrund der regionalen Lage Freiburgs ist es der Stadtplanung möglich, Maßnahmen in Bezug auf die Luftbelastung zu berücksichtigen.

5. Fazit

Zusammenfassend ist zu sagen, dass in Zeiten der Erwärmung der Städte die Vegetation in der Stadt wichtig für die Bildung von lokaler Kaltluft ist, welche die Stadt in der Nacht auf natürliche Weise abkühlen kann. Bebaute und versiegelte Flächen beeinträchtigen eine natürliche Kühlfunktion. Am Beispiel von Freiburg im Breisgau wird außerdem deutlich, dass zusätzlich zur lokalen Kaltluftbildung, die Kaltluftflüsse und Abflüsse, die von außerhalb der Stadt kommen, in der Stadtplanung berücksichtigt werden müssen um bestmöglich genutzt werden zu können. Die ideale Lage der Stadt ermöglicht auf natürliche Weise eine Versorgung von Frisch- und Kaltluftzufuhr, was jedoch nicht automatisch auf andere Städte übertragen werden kann.

6. Quellenverzeichnis

Deutscher Wetterdienst (DWD), o.J.: Höllentäler. URL: https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=101094&lv3=101190 (Abruf 23.07.2017)

Gudiksen, P. H., Shearer, L. D., 1988: The Dispersion of Atmospheric Tracers in Nocturnal Drainage Flows. In: Journal of Applied Meterology, 28(7): 602–608 S.

Heyer, E., Hupfer, P., Kuttler, W., 1998: Witterung und Klima. 19. Auflage, Teubner: Leipzig, 553 S.

Howard, L., 1833: The Climate of London. In: International Association for Urban Climate. URL: http://www.urban-climate.org/documents/LukeHoward_Climate-of-London-V1.pdf (Abruf 04.08.2017)

Matzarakis, A., 1994: Bestimmung von Luftleitbahnen von stadtklimarelevanten Luftleitbahnen. URL: https://www.researchgate.net/profile/Andreas_Matzarakis/publication/233758609_Bestimmung_von_stadtklimarelevanten_Luftleitbahnen/links/0912f50b48bf562309000000.pdf (Abruf 21.1.2017)

Meterologisches Institut der Universität Freiburg, 2001: Die thermischen Komponenten des Stadtklimas. Online unter: https://www.meteo.uni-freiburg.de/forschung/publikationen/berichte/report6.pdf (Abruf 04.08.2017)


Naturkapital Deutschland - TEEB DE, 2016: Ökosystemleistungen in der Stadt. URL: http://www.naturkapital-teeb.de/fileadmin/Downloads/Projekteigene_Publikationen/TEEB_Broschueren/TEEB_DE_Stadtbericht_Langfassung.pdf (Abruf 13.07.2017)

Oke, T. R., 1982: The energetic basis of the urban heat island. In: Quarterly Journal of the Royal Meterological Society, 108 (455): 1–24 S.

Presse und Informationsamt der Bundeszentrale, 2008: Jahrtausend der Städte. In: Magazin zu Entwicklungspolitik Nr: 068. URL: https://www.bundesregierung.de/Content/DE/Magazine/MagazinEntwicklungspolitik/068/s0-jahrtausend-der-staedte-bmz.html (Abruf 12.07.2017)

Regionalverband Südlicher Oberrhein, 2006: Regionale Klimaanalyse Südlicher Oberrhein REKLISO. URL: http://www.region-suedlicher-oberrhein.de/de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen/REKLISO_Daten/pdf/Karten/A0/KarteA0-KA-GK.pdf (Abruf 12.07.2017)

Song, Y., 2003: Kaltluft und Kaltluftschneisen als Planungsfaktor zur Verbesserung der Umweltqualität. Wissenschaftlicher Verlag: Berlin, 183 S.

Umweltbundesamt, 2011: Klimarelevante Einflüsse urbaner Bodeninanspruchnahme. URL: http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/inhalte/urbansms/pdf_files/final_results/24_Klimarelevante_Einflusse_urbaner_Bodeninanspruchnahme.pdf (Abruf 20.1.2017)

Verein Deutscher Ingenieure (VDI), 2003: VDI Richtlinien 3785 Blatt 1 + 2. Beuth Verlag GmbH: Berlin, Verein Deutscher Ingenieure e.V.: Düsseldorf

Verein Deutscher Ingenieure (VDI), 2003: VDI Richtlinien 3787 Blatt 5. Beuth Verlag GmbH: Berlin, Verein Deutscher Ingenieure e.V.: Düsseldorf

Zmarsly, E., Kuttler, W., Pethe, H., 2002: Meterologisch-Klimatologisches Grundwissen, 2.Auflage. Ulmer Eugen: Stuttgart, 174 S.



Autorin: Raphaela Anna Edler
Datum: 04.08.2017


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