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Städtische Gebiete sind durch den urbanen Wärmeinseleffekt gekennzeichnet. Dieses Phänomen wird durch eine Veränderung der Oberfläche und verschiedene Oberflächeneigenschaften hervorgerufen und kann sowohl über die Lufttemperatur als auch die Oberflächentemperatur gemessen werden. Der Wärmeinseleffekt führt zu einer hohen thermischen Belastung für die städtische Bevölkerung und wird zusätzlich durch den globalen Klimawandel verstärkt. Im Jahr 2003 starben so etwa 15.000 Personen in Frankreich und etwa 9.600 Personen in Deutschland in Folge von extremen Hitzeereignissen. Das Wärme- und Kälteempfinden eines Menschen ist dabei 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 und damit den thermischen Komfort des Menschen auf der kleinräumigen Mikroskala beeinflussen. Bäume können durch ihren Schattenwurf beispielsweise die Oberflächentemperatur von Gehwegen und Straßen reduzieren und durch die Verdunstung von Wasser an der Blattoberfläche die Lufttemperatur kühlen. Eine wichtige Aufgabe im Management des städtischen Waldes ist es, diese Leistungen zu stärken und in Zukunft zu erhalten. Im Teilprojekt „GrüneLunge im Fluss“ haben wir uns daher folgende Fragen gestellt: Wo zeigen sich die Wärmeinseleffekte in Karlsruhe und Rheinstetten am meisten? Wo ist dadurch auch die Gefahr für die Belastung der Bewohnenden am höchsten? In welchem Umfang verändern Bäume das kleinräumige Klima in der Stadt? Mit welchen Baumarten lässt sich das Klima besonders positiv beeinflussen?
Mit Hilfe von mobile Messungen konnten wir im Projekt GrüneLunge 1.0 den Wärmeinseleffekt in Karlsruhe entlang eines Stadt-Land Gradienten von Karlsruhe und Rheinstetten bestimmen. Danach erfolgte eine Nachbarschaftsanalyse bei der die erhobenen Daten mit zusätzlichen Informationen wie beispielsweise Landnutzungsdaten, Informationen zur Bebauung sowie Baum- und Baumartendichte über die nähere Umgebung zur Messroute verknüpft wurden. Zuletzt wurde eine Hitzekarte von Karlsruhe modelliert welche zukünftig als Grundlage für ein detailliertes Hitzewarnsystem dienen soll.
Wie wir die Gefahr durch Hitze in der Stadt lokalisieren können
Während der Hitzeperioden im Juni in den Jahren 2019 und 2020 haben wir mobile Messungen mit einem Messfahrzeug des Deutschen Wetterdienstes (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 (siehe Abbildung unten) durch das Projektgebiet fuhr. Die beiden Routen sind auf der Abbildung unten abgebildet. 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, je nach Verkehrssituation.
Städtische Parks und Zoologischer Garten kühlen vor allem tagsüber die Stadt
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 dem Boden ist deutlich von der Tageszeit abhängig und zeigt eine ganz typische Ausprägung für urbane Hitzeinseln. Am deutlichsten zeigt sich der städtische Wärmeinseleffekt in der Nacht. Der Unterschied zwischen der relativen Lufttemperatur in städtischen und ländlichen Gebieten ist hier deutlich ausgeprägt. Insbesondere ist der angrenzende Hardtwald im Norden deutlich am kühlsten. Der Einfluss des Zoologischen Stadtgartens ist ebenfalls erkennbar, aber nur schwach ausgeprägt. Darüber hinaus ist ein abnehmender Lufttemperaturgradient zwischen dem Karlsruher Stadtzentrum und Karlsruhe Durchlach im Osten zu erkennen. Ein ähnlicher Gradient ist auch zwischen dem Karlsruher Stadtzentrum und Rheinstetten sichtbar. Allerdings wird durch die städtischen Strukturen in Rheinstetten selbst ebenfalls eine kleine urbane Wärmeinsel ausgeprägt.
Das Stadtklima verschlechtert sich bei zunehmender Versiegelung
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.
Dabei konnten wir feststellen, dass ein hoher Versiegelungsgrad in städtischen Gebieten zu hohen Werten der relativen, normierten Lufttemperatur in 2.0 m, insbesondere während der nächtlichen Intervalle 0 – 6 Uhr und 18 – 24 Uhr führte. 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. Möglicherweise ist der Effekt jedoch 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.
Basierend auf den Ergebnissen konnte eine Hitzekarte von Karlsruhe modelliert werden (siehe Abbildung rechts). Im Folgeprojekt GrüneLunge 2.0 sollen diese Erkenntnisse über die Erhitzung innerhalb der Stadt dafür benutzt werden, ein lokales, 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 Risiko- und Schutzfaktoren der städtischen Infrastruktur wie beispielsweise 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. Mehr zu den geplanten Aktivitäten finden Sie auf hier: Spezifisches Hitzewarnsystem.