Stadtklimatologische Instrumente - Ein Vergleich zwischen automatischer Wetterstation, Fernerkundung, Windkanal und numerischen Modellen

Tab 1. Funktionsweise der Instrumente und deren Grenzen und Möglichkeiten (eigene Darstellung)

Der folgende Text wurde im Rahmen der studentischen Projektarbeit „Stadt-Grün-Klima“ verfasst. Augenmerk des Textes sind stadtklimatologische Verfahren. Dabei werden automatische Wetterstationen, Fernerkundung, Modellierung im Windkanal und computergestützte Simulationen miteinander verglichen. Die zentrale Fragestellung des Artikels ist: Welches System ist für die Untersuchung von stadtklimatologischen Phänomenen am besten geeignet?

Seit 2009 lebt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten, wobei der Anteil stetig ansteigt und bis 2050 bereits 68 % betragen wird (Endlicher 2012). Ein Problem, dass die Urbanisierung mit sich bringt, ist eine allgemeine Verschlechterung der Umweltbedingungen. Einer dieser Effekte ist die Urban Heat Island (UHI), welche sich häufig in Städten in allen Klimazonen der Welt bemerkbar macht. Anthropogene Eingriffe in die Landoberfläche, wie eine dichte Bebauung oder ein hoher Versiegelungsgrad, verursachen diesen Effekt. UHI bezieht sich auf eine Stadt- oder Metropolregion, die deutlich wärmer ist als ihre umliegenden Gebiete (Oke 1982). Angesichts der möglichen Tatsache, dass es bis zum Ende des 21. Jahrhunderts eine Erwärmung um 4°C geben könnte (IPCC 2014), hat der UHI Effekt die Aufmerksamkeit von Stadtplanern auf sich gezogen. Dabei stehen für eine optimale Stadtplanung eine Reihe von Instrumenten und Verfahren zur Verfügung. Welches sich besonders für städtische Klimaphänomene eignet, wird im folgenden Text erörtert.

Im Folgenden werden die wichtigsten Begriffe kurz erläutert. Für den weiteren Text wurden wissenschaftliche Artikel, Fachliteratur, DIN- Normen und VDI Blätter herangezogen.

Das Stadtklima wurde 1983 durch die World Meteorological Organisation (WMO) als dass, durch die Wechselwirkung mit der Bebauung und deren Auswirkungen (einschließlich Abwärme und Emission von luftverunreinigenden Stoffen) modifizierte Klima definiert. Stadtklima lässt sich in zwei Größenordnungen unterteilen. Zum einen das Mesoklima, welches eine Ausdehnung bis zu 100 km annehmen kann. Für die Beobachtungen, die im Zusammenhang mit dem Bau von Gebäuden und dem damit einhergehenden Problem der Luftzirkulation zu tun haben, betrachtet man das Mikroklima, das sich bis zu 100 Metern ausdehnen kann. Unter Mikroklima versteht man einerseits die klimatischen Bedingungen in Bodennähe bis zu einer Höhe von zwei Metern, andererseits auch die klimatischen Prozesse, die sich sowohl räumlich als auch zeitlich erstrecken (WMO 2008). Mikroklimatische Messungen können nicht unabhängig von klimatologischen Messungen durchgeführt werden. Es besteht die Gefahr falscher Rückschlüsse in der Planung durch eine Überinterpretation einer einzelnen Messung, wenn man nicht den gesamten klimatologischen Kontext betrachtet. Für stadtklimatologische Beobachtungen werden dieselben Messinstrumente verwendet, wie bei anderen meteorologischen Messungen auch. Jedoch sind nicht alle meteorologischen Messinstrumente gleich gut geeignet für eine flächendeckende Planung der lokalen klimatischen Besonderheiten einer Stadt (Foken 2006).

Eine bewährte Methode meteorlogische Daten zu sammeln, sind Wetterstationen. Der Deutsche Wetterdienst betreibt ein flächendeckendes Netz von automatischen Wetterstationen. Diese wurden im Laufe der Zeit technisch immer ausgefeilter, aber das Prinzip bleibt dasselbe. In 2 Metern Höhe wird die Station nach internationalem Standard angebracht. Gemessen wird Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Niederschlag (TU Berlin, online).

Ein anderes Instrument, das für stadtklimatologische Planungen eingesetzt werden kann, ist die Fernerkundung. „Die Fernerkundung ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder anderer nicht direkt zugänglicher Objekte durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-) Felder. Als Informationsträger dient dabei die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung“ (DIN 18716). Es gibt verschiedene Arten von Fernerkundungen. So werden verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums genutzt, je nach Anwendung: vom sichtbaren Bereich, infraroten und mikrowelligen, als auch verschiedenen Plattformen (Boden, Luft oder Satellit). Weitere Parameter sind Anzahl und Breite der Spektralbänder (panchromatisch, multispektral, hyper-spektral), räumliche Auflösung (hoch, mittel und niedrig), zeitliche Auflösung (stündliche, tägliche oder wöchentliche Revisionsfrequenz), radiometrische Auflösung(8, 12 und 16 Bits) und die Energiequelle (passive oder aktive Sensoren) (Metternicht 2008). Im Folgenden wird der Fokus auf Thermal Fernerkundung gelegt, da dies besonders für Hitzephänomene wie die UHI interessant ist. Thermale Fernerkundung ist ein Verfahren zur Messung der emittierten Strahlung einer Objektoberfläche, um ein flächendeckendes Bild der Oberflächentemperatur zu erhalten. Alle Objekte mit einer Temperatur über -273°C senden Strahlung aus. Die Strahlungsmenge ist eine Funktion aus Emissionsgrad der Oberfläche und Oberflächentemperatur (Prakash 2000). Je höher die Temperatur, desto größer ist die Intensität der Strahlung des emittierenden Objekts. Thermal Fernerkundung erfasst den Energiefluss und die Temperatur der Erdoberfläche (Weng 2009).

Eine mögliche Methode, um Auswirkungen von Bebauungen zu durchleuchten, ist eine physikalische Modelluntersuchung im Windkanal. Das grundlegende Prinzip, das dahintersteht, ist eine physikalisch ähnliche Simulation der Strömungs- bzw. Ausbreitungsvorgänge. Das Modell lässt sich sowohl auf mikroklimatische, als auch auf mesoklimatische Fragestellungen übertragen. Angewendet werden diese Modelle im Windkanal, wenn es zu einer mechanisch hervorgerufenen Turbulenz kommt, wie z. B. der Ausbau einer neuen Dachwohnung, die schwer mit konventionellen Methoden zu erfassen sind. Vor allem auf der mikroklimatischen Ebene schaut man auf die Beeinflussung bestehender Windfelder, was nichts anderes bedeutet, als die Beeinflussung von Windrichtung und Windgeschwindigkeit. Auf die mikroklimatische Ebene der Stadt übertragen, bedeutet das konkret, die Untersuchung von Geschwindigkeitsfeldern in der Nähe von Gebäuden oder Gebäudekomplexen. Ein Geschwindigkeitsfeld ist ein physikalisches Feld, das jedem Ort im Raum eine Geschwindigkeit zuordnet. Weitere Anwendungen sind, die Untersuchung des Windkomforts, was vor allem an besonders heißen und strahlungsintensiven Tagen wichtig ist, die Betrachtung von Lokalwindsystemen und der Stadtdurchlüftung (VDI3783 Blatt 12). Windkanäle sind darüber hinaus sehr hilfreich, da sie die benötigten Datensätze für numerische Modelle liefern. Diese Art von Rechenmodell kann ein zeitlich gemitteltes, dreidimensionales Strömungsfeld über einer ebenen Fläche im Bereich von Hindernissen, z.B. einem Hochhaus, errechnen. Vor allem komplexe Windfelder können gut mithilfe solcher Rechenmodelle gelöst werden, um beispielsweise eine Energiebedarfsrechnung vom Gebäude zu erstellen. Grundsätzlich werden diese Modelle in zwei verschiedene Kategorien eingeteilt. Zum einen gibt es diagnostische Modelle, welche die Verteilung physikalischer Größen zu einem Zeitpunkt berechnen. Dadurch sind sie weniger rechenintensiv, als die zweite Art, nämlich prognostische Modelle, die durch Zeitintegration Aussagen über Prozessabläufe gestatten. Für die Berechnung eines stationären Windfeldes werden Daten benötigt, wie standortspezifische Abmessungen, meteorologische Daten, die man z. B aus dem Windkanal oder mobilen Messungen erhält und modellspezifische Daten, wie z. B Globalstrahlung. Ein Modell kann nicht alle reellen Variablen berücksichtigen, daher gibt es für jedes Modell eine andere Parametrisierung, je nach Schwerpunkt des Modells. Jedoch haben auch solche Modelle Grenzen (VDI3787 Blatt 9). Um mikroklimatische Veränderungen auf kleinstem Raum sichtbar zu machen, ist eine möglichst genaue Wiedergabe der Feinstruktur des Strömungsfeldes im Nahfeld der Quelle entscheidend. Außerdem ist es schwierig, in einem Modell alle möglichen Hindernisgeometrien realitätsnah abzubilden, wodurch es zu Abweichungen kommen kann. Des weiteren können sehr kleine Hindernisse nicht abgebildet werden, weil sie durch das Raster fallen. Ein Beispiel für ein prognostisches Modell ist das 1998 an der Ruhr-Universität entwickelte mikroskalige Stadtklimamodell ENVI-met. Es beruht auf den Gesetzen der Thermodynamik und der Atmosphärenphysik. Der Rechenaufwand von so einem Modell ist immens. Das zu untersuchende Gebiet ist maximal 500 m lang und breit und maximal 60 m hoch. Die einzelnen Gebäude und Vegetationen werden mithilfe von Quadern dargestellt. Je kleiner die Quader sind desto besser ist die räumliche Auflösung. Jedoch wird für jeden dieser Quader alle 10 Sekunden sieben Hauptgrößen, drei Windkomponenten, Temperatur, Feuchte, Turbulenzentstehung und Turbulenzauflösung berechnet durch Lösen einer dreidimensionalen Advektions- und Diffusionsgleichung. Da eine Simulation üblicherweise 24 Stunden dauert, werden Milliarden von Gleichungen gelöst. Dabei kommen noch weitere Gleichungssysteme dazu, wie z.B. die Simulation der Vegetation. Das physiologische Verhalten von Pflanzen wird in ENVI-met genau simuliert. So sind die verschiedenen Eigenschaften, wie Wasserverbrauch oder Albedo verschiedener Pflanzenarten im System hinterlegt und auch das Verhalten, wie das Öffnen der Stomata (Ambrosini et al. 2014).

Nachfolgend werden die oben vorgestellten Instrumente miteinander verglichen, in Bezug auf ihre Möglichkeiten und Grenzen, wichtige Daten oder Erkenntnisse für eine klimatisch optimale Stadtplanung zu liefern.

Die automatische Wetterstation ist für eine mikroklimatische, flächendeckende Analyse des Stadtbildes und möglicher Wirkfaktoren auf die Luftzirkulation weniger geeignet. Dafür ist die Morphologie einer Stadt schlichtweg zu heterogen. Um einen flächendeckenden Eindruck zu erhalten, müsste man ein flächendeckendes Messnetz in der Stadt aufbauen. Die Kosten dafür wären zu hoch. Allerdings können die Langzeitdaten der Messstationen dazu genutzt werden, temporäre mobile Messungen an die vorhandenen Langzeitmessreihen anzupassen, aber auch, um Daten für numerische Modelle zu liefern.

Das Problem der mangelnden Flächenabdeckung besteht bei der Fernerkundung nicht. Insbesondere Thermalbilder zeigen besonders gut auf, wo sich in einer Stadt die sogenannten Hitze Hot Spots bilden. Ein weiterer Vorteil ist, dass man mithilfe von Fernerkundung die Oberflächentemperatur einer bestimmen Tages- oder Nachtzeit der kompletten Stadt kostengünstig aufnehmen kann. Dies ist vor allem bei der Planung des Umgangs mit Hitzewellen sinnvoll. Rückschlüsse auf räumliche und zeitliche Zusammenhänge von Wärmeströmen sind mit Thermalbildern möglich. Somit kann dieses Instrument für Stadtplaner eine große Entscheidungshilfe sein, in Bezug auf die Anlage von Straßenbäumen oder Grünanlagen (Coutts et al. 2016). Allerdings hat auch dieses Instrument seine Grenzen, so wird eine stabile Wetterlage benötigt, da es sonst leicht zu falschen Ergebnissen kommen kann und ein direkter Rückschluss von der Oberflächentemperatur und der darüber liegenden Luftschicht nicht möglich ist (Greiten & Wesels 2000).

Der Windkanal ist vor allem bei der Untersuchung des Windkomforts hilfreich. Besonders an heißen strahlungsintensiven Tagen ist die Betrachtung von lokalen Windsystemen und die Durchlüftung der Stadt wichtig, um den thermischen Komfort des Menschen durch bessere Planung zu optimieren. Die Schwierigkeit bei der Anwendung im Windkanal liegt in der Nachbildung der atmosphärischen Grenzschicht und der Wahl eines geeigneten physikalischen Modells (VDI 3783 Blatt12). Mit einem numerischen Modell wie ENVI-met lässt sich nicht das Mikroklima einer ganzen Stadt modellieren.

Ein numerisches Modell wie ENVI-met kann mögliche Modellszenarien aufzeigen, wie sich das lokale Stadtklima durch beispielsweise eine Dachbegrünung oder durch Anpflanzen neuer Straßenbäume verbessern lässt. Für Stadtplanungen können diese Modelle ein wichtiges Instrument sein. Allerdings gibt es auch hier wieder Grenzen. Eine flächendeckende Analyse einer ganzen Stadt ist nicht möglich, sondern nur für kleine Teile einer Stadt. Außerdem ist es nicht einfach, die richtige Parametrisierung für das Modell zu wählen. Kritisch zu betrachten ist ebenfalls die Dauer des Rechenprozesses. Aufgrund der vielen Gleichungen ist es möglich, dass eine dreitägige Simulation eine Berechnungszeit von einem Monat braucht (Ambrosini et al. 2014).

Tabelle 1 fasst die einzelnen Funktionsweisen und die oben genannten Vor- und Nachteile der einzelnen Instrumente zusammen.

Welches dieser vier vorgestellten Instrumente am besten für stadtklimatologische Untersuchungen geeignet ist, lässt sich nicht eindeutig sagen. Automatische Wetterstation, Fernerkundung, Modellierung im Windkanal und numerische Modelle haben alle ihre Berechtigung im stadtklimatologischem Kontext. Wetterstationen und Windkanal liefern wichtige Datengrundlagen. Da auch die besten Modelle nicht ohne Daten arbeiten können, lässt sich zusammenfassen, dass die beiden Instrumente wichtige stadtklimatologische Werkzeuge sind. Thermale Fernerkundung ist eine kostengünstige Methode, um die thermisch kritischen Stellen einer Stadt zu erfassen. In Kombination mit numerischen Modellen kann die Stadtplanung mögliche Lösungsansätze entwickeln, wie z. B. durch einen höheren Vegetationsanteil, um städtische Phänomene, wie die UHI abzumildern. Da diese Modelle ständig in der Weiterentwicklung sind, ist es wahrscheinlich, dass numerische Modelle noch schneller und immer realitätsgetreuer werden. Modelle, wie Envi-met, werden aufgrund ihrer zahlreichen Möglichkeiten eine zunehmend größere Rolle als stadtklimatologisches Instrument spielen.

Ambrosini, Galli, Mancini, Nardi und Sfarra., 2014: Evaluating Mitigation Effects of Urban Heat Islands in a Historicall Small Center with the ENVI-Met Climate Model. MDPI AG: Basel.

Andrew M. Coutts, R.J. Harris, Phan, Livesley, Nicholas S.G. Williams, Nigel J. Tapper, 2016: Thermal infrared sensing of urban heat: Hotspots, vegetation and an assessment of techniques for use in urban planing. In: Remote Sensing and Environment 186.

Deutsches Institus für Normung E.V. (DIN), 2017: DIN 18716, 3 S.

Endlicher, W., 2012: Einführung in die Stadtökologie. Verlag Eugen Ulmer KG: Stuttgart.

Foken, T., 2006: Angewandte Meteorologie. Springer Verlag, 222 S.

Greiten, Wessels, 2000: Osnabrück und sein Stadtklima. Umweltdezernat der Stadt Osnabrück Fachbereich Grün und Umwelt, 9-18 S.

Intergovermental Panel on Climate Change (IPCC), 2014: Climate change 2014 Synthesis Report Summary for Policymakers. 10-11 S.

Metternicht, G., 2008: Remote sensing K.Kemp (Ed.), Encyclopedia of Geographic Information Science, Sage Publications, 365-368 S.

Oke, T. R., 1982: The energetic basic of the urban heat island. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.

Prakash, A., 2008: Thermal Remote Sensing: Concepts, Issues and Applications. International Archieves of Photogrammetry and Remote Sensing, 33., 240 S.

TU Berlin, Fachgebiet Klimatologie, Institut für Ökologie, 2014: Automatische Wetterstation. URL: http://www.klima.tu-berlin.de/index.php?show=lehre_E-Learning_aws&lan= (Abruf 13.07.2018)

VDI-Richtlinie (VDI), 2000: VDI 3783 Blatt 12 Umweltmeteorologie - Physikalische Modellierung von Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in der atmosphärischen Grenzschicht - Windkanalanwendungen. 3-5 S.

VDI-Richtlinie (VDI), 2004: VDI 3787 Blatt 9 Umweltmeteorologie; Berücksichtigung von Klima und Lufthygiene in räumlichen PlanungenBlatt. 64-65 S.

Weng, Q., 2009: Thermal infrared remote sensing for urban climate and environmental studies: Methods, applications and Trends. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing.

World Meterological Organization (WMO), 2008: Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. WMO-NO.8, 25 S.



Autor: Maximilian von Nordheim
Datum: 04.08.2017