GrüneLunge im Fluss

Einführung

Städtische Gebiete sind durch den urbanen Wärmeinseleffekt gekennzeichnet. Dieses Phänomen wird durch eine Veränderung der Oberfläche (bzw. verschiedenen Oberflächeneigenschaften wie Emissivität, Albedo oder Wärmekapazität) hervorgerufen und kann über die Lufttemperatur als auch die Oberflächentemperatur gemessen werden. Der Wärmeinseleffekt führt zu einer hohen thermischen Belastung und wird zusätzlich durch den globalen Klimawandel verstärkt. Im Jahr 2003 starben 15.000 Personen in Frankreich und 9.600 Personen in Deutschland zusätzlich in Folge von extremen Hitzeereignissen.

Das Wärme- und Kälteempfinden eines Menschen ist individuell und wird durch die Lufttemperatur, die Windgeschwindigkeit, die solare Strahlung und die Luftfeuchtigkeit in seiner Umgebung beeinflusst. 

Die urbane grüne Infrastruktur kann diese meteorologischen Parameter im lokalen Kontext (Stadtklima) und damit den thermischen Komfort des Menschen auf der kleinräumigen Mikroskala beeinflussen. Bäume können durch Abschattung die Oberflächentemperatur von Gehweg und Straße reduzieren und durch die Verdunstung von Wasser an der Blattoberfläche die Lufttemperatur kühlen. Zudem haben Baumkronen einen bremsenden Einfluss auf den Wind und fördern mit der Aufnahme von Kohlenstoff und der Abgabe von Sauerstoff die Luftqualität im Straßenraum.

Den Einfluss von Bäumen auf die städtische Atmosphäre messen

In welchem Umfang verändern Bäume das kleinräumige Klima in der Stadt? Welche Rolle spielt hierbei der Ort und die Nachbarschaft eines Baumes? Mit welchen Baumarten lässt sich das Klima positiv beeinflussen? Eignen sich städtische Bäume zur Anpassung an den Klimawandel? Um diese und weitere Fragen zu beantworten, wurden drei Aufgabenteile unterschieden. 

Messfahrzeug zur mobilen Messung von Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Oberflächentemperatur und solarer Strahlung in Karlsruhe.
Messfahrzeug zur mobilen Messung von Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Oberflächentemperatur und solarer Strahlung in Karlsruhe.

Zuerst wurde mit Hilfe von mobile Messungen der Wärmeinseleffekt in Karlsruhe entlang der Stadt-Land Gradienten von Rheinstetten und Karlsruhe bestimmt. Danach erfolgt eine Nachbarschaftsanalyse bei der die erhobenen Daten mit zusätzlichen Daten (u.A. Landnutzung, Bebauung, Baumartendichte und räumlicher Baumdichte) über die nähere Umgebung zur Messroute verknüpft wurden. Zuletzt wurde eine Hitzekarte von Karlsruhe modelliert welche zukünftig als Grundlage für ein spezielles Hitzewarnsystem dienen soll.

 

Die mobilen Messungen wurden in den Jahren 2019 und 2020 während der Hitzeperiode im Juni mit einem Messfahrzeug des DWD durchgeführt (siehe Abbildung links). Das meteorologische Messsystem war an der Vorderseite des Messwagens installiert und umfasste Messungen der Lufttemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit, der Oberflächentemperatur und der Globalstrahlung (auf dem Dach). Die meteorologischen Parameter wurden sekündlich erfasst während das Messfahrzeug auf zwei Routen durch das Projektgebiet fuhr. Insgesamt wurden die nördliche und die südliche Strecke jeweils 26 Mal befahren. Alle Messfahrten wurden in einem Zeitabstand von drei Stunden durchgeführt und die durchschnittliche Fahrtdauer betrug etwa 20 Minuten Fahrten, je nach Verkehrssituation.

Ergebnisse der mobilen Messungen

Nach der umfangreichen Aufbereitung der Messfahrten konnten erste Beobachtungen zur urbanen Wärmeinsel in Karlsruhe gemacht werden. Die relative Lufttemperatur in 2.0 m Höhe über Grund ist deutlich von der Tageszeit abhängig und zeigt die typisierte Ausprägung des urbanen Wärmearchipels in Hinblick auf eine typische Hitzewelle in Karlsruhe. Das bedeutet, dass die Zeitintervalle am Tag eine niedrigere relative Lufttemperatur aufweisen als in der Nacht. Die Skala der relativen Lufttemperatur bezieht sich auf die nördliche und südliche Route, sodass auch die Kühlwirkung der Freiflächen in Rheinstetten und dem Hardtwald in Karlsruhe verglichen werden können.

 

Bei der Nachtsituation (siehe Abbildung) zeigt sich der städtische Wärmeinseleffekt für Karlsruhe und Rheinstetten in seiner deutlichsten Form. Der Unterschied zwischen der relativen Lufttemperatur in städtischen und ländlichen Gebieten ist deutlich ausgeprägt und der angrenzende Hardtwald im Norden ist deutlich am kühlsten. Der Einfluss des Zoologischen Stadtgartens ist ebenfalls erkennbar, aber deutlich schwächer ausgeprägt. Darüber hinaus ist ein abnehmender Lufttemperaturgradient zwischen dem Karlsruher Stadtzentrum und Karlsruhe Durchlach im Osten ausgeprägt. 

Die Morgensituation zeigt die Abschwächung des städtischen Wärmeinseleffekts durch die morgendliche Sonneneinstrahlung mit beginnender Durchmischung der Atmosphäre. Der Kühlungseffekt städtischer Vegetation durch die Transpiration und Abschattung beginnt mit Zunahme der photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR). Im nördlichen Hardtwald, besonders aber im Zoologischer Stadtgarten ist dieser Effekt zu sehen. Gleichzeitig ist die kleinräumige Erwärmung auf offenen, unversiegelten Plätzen und Straßen sichtbar.

 

Die Mittagssituation zeigt sich der höchste Abkühlungseffekt durch die städtischen Parks. Die Kühlwirkung des nördlichen Karlsruher Hardtwaldes ist um diese Uhrzeit heterogen und wirkt teilweise sogar leicht erwärmend.

Vor allem der Zoologische Stadtgarten im Süden entfaltet nun sein kühlendes Potenzial. Umgebungen mit Flachdächern heizen sich dagegen besonders auf. Der wärmste Bereich entlang der Messstrecke liegt an der stark befahrenen Hauptstraße (Reinhold-Frank-Straße).

 

Die Abendsituation zeigt eine ähnliche Struktur wie am Morgen und die räumliche Entwicklung, bzw. Intensität der städtischen Wärmeinsel nimmt wieder zu. Allerdings ist die Ausprägung noch geringer, sodass die städtische Wärmeinsel noch nicht voll ausgebildet ist. Insbesondere die räumliche Variabilität der relativen Lufttemperatur ist nachts sehr gering. 

Ergebnisse der Nachbarschaftsanalyse

Bei der Nachbarschaftsanalyse wurden die aufbereiteten meteorologischen Daten mit verschiedenen Abständen zur Messroute von 10 m bis 500 m betrachtet und die nähere Umgebung auf die Bebauung, die Vegetation, die Baumartendiversität, die Landnutzung und die Versiegelung hin analysiert.

 

Analyse des Versiegelungsgrades

Dabei führte ein hoher Versiegelungsgrad in städtischen Gebieten zu hohen Werten der relativen, normierten Lufttemperatur in 2.0 m, insbesondere während der nächtlichen Intervalle 0 - 6Uhr und 18 - 24Uhr. In den Morgenstunden waren Gebiete mit geringem Versiegelungsgrad kühler als Gebiete mit hohem Versiegelungsgrad und unversiegelte Flächen waren stets am kältesten. Dieser Anstieg der relativen Lufttemperatur von einem niedrigen zu einem hohen Versiegelungsgrad konnte vor allem in den Abendstunden beobachtet werden und Tagsüber dagegen nicht eindeutig. Möglicherweise ist der Effekt nicht allein auf die Versiegelung zurückzuführen, sondern vielmehr dem dreidimensionalen Volumen der Gebäudemasse. Denn die relative Lufttemperatur wird in ähnlicher Weise auch von der Gebäudehöhe beeinflusst. 

 

Analyse der Baumvielfalt

Hier zeigte sich, dass die relative Lufttemperatur mit zunehmender Vegetationsbedeckung bzw. mit zunehmender Artenvielfalt sank. Dies gilt aber nicht für alle Gattungen gleichermaßen. Innerhalb eines Zeitintervalls waren jedoch große Unterschiede in der relativen Lufttemperatur mit einer Zunahme der jeweiligen Baumartendichte zu erkennen. Eine höhen Buchendichte führte wies eine niedrigere relative Lufttemperatur auf als Standorte mit niedriger Buchendichte. 

Ergebnisse der mikroskaligen Modellierung

Am Ende sollen die Ergebnisse von GrüneLunge 1.0 dafür benutzt werden, ein spezifisches Hitzewarnsystem, aufbauend auf dem Nationalen Warnsystems des DWDs zu implementieren. Die Umsetzung eines spezifischen Hitzewarnsystems kann, basierend auf der vorhergesagten relativen Lufttemperatur, für das komplette Karlsruher Stadtgebiet erfolgen. Dieses Hitzewarnsystem soll die Risikofaktoren der städtischen Infrastruktur (Krankenhäuser, Altenheime, Pflegeheime, Schulen und Kindergärten) berücksichtigen. 

 Im Falle einer erfolgreichen Umsetzung bietet die vorgeschlagene Methode auch das Potential zur Umsetzung in weiteren deutschen/europäischen Städten mit vergleichbarer nördlicher Breite.