Andreas Matzarakis

Das Stadtklima

Herausforderung heute und für die Zukunft

Der Klimawandel erfordert Maßnahmen für den Klimaschutz, aber auch zur Sicherung von Lebensqualität und Wohlbefinden von Stadtbewohnern, die rasch angegangen werden müssen. Dazu sind quantitative Aussagen über Häufigkeit und Intensität von für Menschen thermisch belastenden Situationen erforderlich. Messungen und Modellierungen von jetzigen und zukünftigen klimatischen Verhältnissen zeigen, dass in Städten mit gemäßigtem Klima ein großes Adaptationspotenzial besteht, das mittels stadtplanerischer und architektonischer Maßnahmen, beispielsweise durch Umstrukturierung von urbanen Flächen und Optimierung von Vegetation in Form von geeigneten Laubbäumen, leicht umgesetzt werden kann.

Obwohl Stadtflächen weltweit derzeit nur drei Prozent der Erdoberfläche beanspruchen, ist die Bedeutung des Stadtklimas ansteigend und nicht nur im Hinblick auf die Klimawandel-Diskussion. Wesentliche Gründe dafür liegen zum einen in der Zunahme der Weltbevölkerung, zum anderen im Anwachsen der Anzahl der in Ballungsgebieten lebenden Menschen und der damit verbundenen stärkeren Urbanisierung von natürlichen Landoberflächen sowie in der Ausprägung des zusätzlichen Treibhauseffekts (1).

Abb. 1) Stadtmerkmale und dadurch bedingte Modifikationen am unteren Rand der Stadtatmosphäre gegenüber dem ländlichen Umland (nach Mayer, 1986)

Das Stadtklima ist das durch die Wechselwirkung mit der Bebauung und deren Auswirkungen (einschließlich Abwärme und Emission von luftverunreinigenden Stoffen) modifizierte Klima. Eine Stadt besitzt spezifische meteorologische Eigenschaften. (2) Sie ist: Strömungshindernis, ein Gebiet mit unregelmäßig erhöhter aerodynamischer Oberflächenrauhigkeit, eine Wärmeinsel (beziehungsweise Wärmearchipel), und eine erhebliche Emissionsquelle (Emissionen von gasförmigen Luftverunreinigungen, Aerosolen und Wasserdampf aus den Schadstoffquellengruppen Verkehr, Industrie, Kraftwerke, Gewerbe und Hausbrand). Infolge der unterschiedlichen Oberflächenbedeckungstypen und Baukörperstrukturen bilden sich innerhalb des Mesoklimaraums „Stadt“ verschiedene urbane Mikroklimate aus, wie zum Beispiel das Mikroklima in Straßenschluchten, in verschiedenen Typen von Innenhöfen, in Parkanlagen, innerhalb von Blockbaubereichen oder innerhalb von Einfamilienhaussiedlungen. (3)

Ursachen und Phänomene
Aus den energetischen Kenngrößen der für Städte typischen Materialien und Stoffe sowie aus weiteren Merkmalen von Städten – wie die charakteristische Anordnung urbaner Baustrukturen oder Verbrennungsprozesse – resultieren gegenüber dem ländlichen Umland Modifikationen am unteren Rand der Stadtatmosphäre, die sich auf den Impuls-, Strahlungs-, Wärme-, Wasser- und Stoffhaushalt auswirken. Sie sind in der Tabelle 1 in allgemeiner Form zusammengestellt.

Das bekannteste Phänomen einer Stadt ist die urbane Wärmeinsel, aber auch andere stadtklimatische Phänomene haben vielfältige Auswirkungen auf Menschen, Stoffe, Materialien und den Energieverbrauch. (4) Dazu zählen erhöhte Wärmebelastung für Menschen im Sommerhalbjahr, Verlängerung der jährlichen Vegetationszeit für Pflanzen, Erhöhung der Verdunstung und Reduzierung der Heizkosten. Die Auswirkungen der urbanen Wärmeinsel sind qualitativ schon seit längerem bekannt, jedoch sind sie bisher nicht immer quantifiziert.

Abb. 2) Energetische Ursachen der urbanen Wärmeinsel bzw. des urbanen Wärmearchipels in der Urban Canopy Layer (nach OKE, 1982)

Der Begriff urbane Wärmeinsel bezieht sich grundsätzlich auf die thermische Charakterisierung einer Stadt, wenn sie als Ganzes im Vergleich zum ländlichen Umland betrachtet wird. Im Fall einer stärkeren innerstädtischen Flächendifferenzierung lassen sich einzelne Wärmezellen nachweisen, die unter den Bezeichnungen urbanes Wärmemosaik oder urbanes Wärmearchipel zusammengefasst werden. (5)
Die energetischen Grundlagen der urbanen Wärmeinsel stellte die OKE (6) als Stadt-Kennzeichen mit ihren energetischen Auswirkungen zusammen, die für die Ausbildung der urbanen Wärmeinsel in der Nähe der Stadtoberflächen verantwortlich sind (Tabelle 2). Es ergibt sich lediglich, dass die Ausbildung urbaner Wärmeinseln beziehungsweise einem urbanen Wärmearchipel am nachhaltigsten von der größeren Horizonteinengung, das heißt dem reduzierten sky view factor, sowie von der größeren Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der typischen Baumaterialien in der Stadt abhängen.

Neben der urbanen Wärmeinsel existieren andere Phänomene wie die urbane Feuchte-insel und kleinskalige Modifikationen des Klimas, die ebenfalls eine Rolle beim Stadtklima und dessen Einfluss spielen. (7)

Stadtbioklima
Das physiologische Wärmeempfinden des Menschen wird nicht nur von der Lufttemperatur, sondern auch von den Einstrahlungsbedingungen (tages- und jahreszeitenabhängige Sonneneinstrahlung, Schattenwurf, langwellige Wärmeabstrahlung der Gebäude), der Windgeschwindigkeit sowie der Luftfeuchtigkeit beeinflusst. (8) Dabei ist die Lufttemperatur nicht immer der maßgebliche Faktor, sondern je nach Situation und Tageszeit können die Strahlungs- und Windverhältnisse dominierend sein. Charakteristisch für das Stadtklima sind Wärmebelastungen bis hin zum Hitzestress. Kältereiz spielt vor dem Hintergrund der urbanen Wärmeinsel keine wesentliche Rolle.
Die Methoden zur Bestimmung des thermischen Bioklimas des Menschen sind in der Richtlinie VDI 3787 Blatt 2 beschrieben. (9) Für die Bewertung der thermischen Komponente werden thermische Indizes eingesetzt, zum Beispiel Predicted Mean Vote (10), Standard Effective Temperature (11), Physiologisch Äquivalente Temperatur (12), gefühlte Temperatur (13) und Universal Thermal Climate Index (14). Alle diese Indizes benötigen die gleichen Eingangsgrößen und beruhen mehr oder weniger auf der Energiebilanz des Menschen. (15)

Klimawandel und Hitzebelastung

Abb. 3) PET-Häufigkeitsverteilung für Freiburg, 2071 – 2100

In dem hier vorgestellten Beispiel wird die „Physiologisch Äquivalente Temperatur“ bestimmt. Die Berechnung von PET kann mit dem Strahlungs- und Bioklimamodell RayMan durchgeführt werden. (16) PET wurde gewählt, da sie die für den Anwender leicht verständliche Einheit °C verwendet. Zudem wurde bereits eine Reihe von PET-basierten Untersuchungen durchgeführt, wodurch eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gegeben ist. Im Rahmen der vorliegenden Analyse auf der Grundlage von Klimasimulationen sind folgende Modifikationen durchgeführt worden: Modifikation der Windgeschwindigkeit und der mittleren Strahlungstemperatur für die Zeiträume 1961 – 1990, 2021 – 2050 und 2071 – 2100 auf der Basis der A1B-Szenarios und dem REMO-UBA Modell. Hierbei wird die mittlere Strahlungstemperatur gleich der Lufttemperatur gesetzt, um Situationen ohne Einfluss von Globalstrahlung simulieren zu können. Außerdem werden die Windgeschwindigkeiten um 1 m / s erhöht oder reduziert.

Die Häufigkeitsverteilung der „Physiologisch Äquivalenten Temperatur“ für die Region Freiburg auf der Grundlage von regionalen Klimasimulationen mittels A1B-Szenario für den Zeitraum 1961 – 1990 (1961 / 90), für Lufttemperatur gleich der mittleren Strahlungstemperatur für den Zeitraum 1961 – 1990 (Tmrt = Ta), Zeitraum 2021 – 2050 (2021 / 50), Zeitraum 2071 – 2010, für Lufttemperatur gleich der mittleren Strahlungstemperatur für den Zeitraum 2071 – 2100 (Tmrt = Ta), für Windgeschwindigkeit reduziert um 1 m / s für den Zeitraum 2071 – 2100 (v - 1) und für Windgeschwindigkeit erhöht um 1 m / s für den Zeitraum 2071 – 2100 (v + 1) ist in Abbildung 3 dargestellt.

Generell zeigt sich, dass durch die Reduktion oder Vermeidung von Globalstrahlung (in Situationen im Schatten) Hitzestress für zukünftige Zeiträume maßgeblich reduziert werden könnte. Es zeigt sich auch, dass sich ohne Veränderung der Tmrt und der Windgeschwindigkeit die Anzahl der Hitzestresssituationen für den Zeitraum 2071 – 2100 im Vergleich zum Zeitraum 1961 – 1990 verdoppeln könnte. Bei einer Veränderung der Tmrt für den Zeitraum 2071 – 2100 würden sich die Tage mit Hitzestress (PET > 35 °C) von 14.7 Prozent der Tage des Jahres auf 2.6 Prozent reduzieren und unter dem Wert von 9.2 Prozent des Zeitraums (2071 – 2100) für den Zeitraum 1961-1990 liegen. Bei einer Erhöhung des Windes um 1 m / s für den Zeitraum 2071 – 2100 würden sich die Anzahl der Tage um 2.2 Prozent verringern und bei einer Reduktion der Windgeschwindigkeit würde sich die Anzahl der Tage um 5.2 Prozent des Zeitraums 2071 – 2100 erhöhen.

Die hier ermittelten Ergebnisse zeigen, dass thermische Indizes (PET, UTCI, GT) besonders gute Maße für die Quantifizierung des Klimas für Menschen in Städten darstellen, weil sie einen umfassenden Aspekt bei der Bewertung des thermischen Befindens von Menschen aufzeigen. Dies ist zwar allgemein bekannt, wurde bisher aber selten quantifiziert. Von Interesse ist, an wie vielen Tagen mit Hitzestress momentan und in der Zukunft zu rechnen ist und mit welchen Mitteln der Stadtplanung (bezüglich der Architektur oder Schattenwirkung von Bäumen und der Veränderung der Ventilationsverhältnisse) mögliche negative Folgen reduziert werden können.
Weitere Möglichkeiten auf der mikroklimatischen Ebene mit großer Wirkung sind beispielsweise Flächenumnutzungen oder auch Dach- und Fassadenbegrünungen, die nicht nur einen klimatischen, sondern auch einen ästhetischen Effekt besitzen.
Diese Fragestellungen sind insbesondere für diejenigen Regionen Deutschlands von Bedeutung, die am meisten durch den Klimawandel betroffen sein werden.

Insgesamt erfordert der Klimawandel einfache, intelligente und möglichst kostengünstige Anpassungsstrategien zur Reduktion von negativen Effekten für Menschen in Städten. Derartige Anpassungsstrategien können leicht umgesetzt werden, wenn sie bereits durch Messungen und Klimasimulationen quantifiziert worden sind. Für unsere Klimaregion bilden hohe breitkronige Bäume, die im Sommer die direkte Sonnenstrahlung abhalten und den Wind unterhalb der Krone zulassen, eine ideale und vielseitige Möglichkeit, das thermische Bioklima zu verbessern. Außerdem sollten die anderen positiven Aspekte von Bäumen in der Stadt, zum Beispiel die CO2-Speicherung, nicht außer Acht gelassen werden.

Prof. Dr. Andreas Matzarakis ist Leiter des Zentrums für Medizin-Meteorologische Forschung des Deutschen Wetterdienstes in Freiburg und außerplanmäßiger Professor an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Seine Forschungsgebiete sind Human-Biometeorologie, Tourismusklimatologie, Stadtklimatologie und Klimafolgenforschung. Er ist der Entwickler von verschiedenen Methoden, Modellen und Hilfsmitteln für die Angewandte Klimatologie und Biometeorologie (RayMan, SkyHelios, CTIS, CMT).

Anmerkungen
(1) Matzarakis, Andreas: Die thermische Komponente des Stadtklimas. Ber. Meteorol. Inst. Univ. Freiburg 6, 2001; Ders.: Stadtklima vor dem Hintergrund des Klimawandels. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 73, 2013, S. 115-118.
(2) Matzarakis, Andreas: Die thermische Komponente des Stadtklimas, 2001
(3) Ebda.
(4) Ebda.
(5) Ebda.
(6) Oke, T. R.: The energetic basis of the urban heat island, Quart. J. R. Met. Soc. 108, 1982, S. 1-24.
(7) u.a. Matzarakis: 2001.
(8) VDI: Umweltmeteorologie – Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung von Klima und Lufthygiene für die Stadt- und Regionalplanung – Teil I: Klima. Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL), VDI 3787, Blatt 2, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 1998.; Matzarakis: 2001.
(9) VDI, 1998
(10) Fanger, Povl Ole: Thermal comfort. McGraw Hill, New York, 1972.
(11) Gagge, A.P. / Fobelets, A.P. / Berglund, P.E.: A Standard Predictive Index of Human Response to the Thermal Environment, ASHRAE Trans., 1986 , S. 92, 709-731.
(12) Mayer, Helmut / Höppe, Peter: Thermal comfort of man in different urban environments, Theor. Appl. Climatol. 38, 1987, S. 43–49; Höppe, Peter: The physiological equivalent temperature – a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment, International Journal of Biometeorology, 1999, S. 43, 71-75; Matzarakis, Andreas / Mayer, Helmut / Iziomon, Moses G.: Applications of an universal thermal index: physiological equivalent temperature, International Journal of Biometeorology, 1999 , S. 43, 76-84.
(13) Staiger, Henning / Laschweski, Gudrun / Grätz, Angelika: The perceived temperature – a versatile index for the assessment of the human thermal environment. Part A: scientific basics, International Journal of Biometeorology 56, 2012, S.165-176.
(14) Jendritzky, Gerd / de Dear, Richard / Havenith, George: UTCI – why another index? International Journal of Biometeorology 56, 2012, S. 421-428.
(15) Höppe, Peter: The physiological equivalent temperature – a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment. Int. J. Biometeorol. 1999 , S. 43, 71-75; VDI, 1998.
(16) Matzarakis, Andreas / Endler, Christina: Adaptation of thermal bioclimate under climate change conditions – The example of physiologically equivalent temperature in Freiburg, Germany, International Journal of Biometeorology 54, 2010, S. 479-483.

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