Inhaltsverzeichnis:

1  Einleitung  

2  Aufbau der Stadtatmosphäre  

3  Charakteristika des Stadtklimas  

3.1  Energie- und Strahlungsflüsse der Stadtgrenzschicht  

3.1.1  Kurzwellige Strahlungsflüsse  

3.1.2  Langwellige Strahlungsflüsse  

3.1.3  Fühlbarer und latenter Wärmestrom  

3.1.4  Strahlungsbilanz  

3.2  Lufttemperaturen in der Stadtatmosphäre  

3.2.1  Die städtische Wärmeinsel  

3.3  Luftfeuchtigkeits- und Niederschlagsverhältnisse im Stadtklimatop  

3.3.1  Luftfeuchtigkeit in der Stadt  

3.3.2  Städtische Niederschlagsverhältnisse  

3.4  Das städtische Windfeld  

3.4.1  Grundeigenschaften des Windfeldes  

3.4.2  Lokalwindzirkulation der Stadt  

4  Messtechnische Erfassung bestimmter Klimaelemente  

4.1  Nachweis des Stadtklimas  

4.2  Meteorologische Messnetze  

4.2.1  Stationäre meteorologische Messnetze  

4.2.2  Temporäre Messnetze in Städten  

4.2.3  Planung von Messnetzen  

4.3  Instrumentelle Ausstattung von Klimastationen  

4.3.2  Metallwiderstandsthermometer  

4.3.3  Aspirationspsychrometer  

4.3.4  Rotationsanemometer  

4.3.5  Pyranometer  

5  Ausgewählte Beispiele von Stadtklimamessungen  

5.1  Erfassung des Bioklimas in Dresden  

5.2  Auswirkung von Grünflächen auf das urbane Mikroklima  

6  Fazit  

Literaturverzeichnis   

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1 Einleitung

Urbane Räume gewinnen weltweit eine immer größere Bedeutung und fortwährend drängen mehr Menschen aus den verschiedensten Gründen in die Ballungsräume der Erde. Nach Schätzungen der UN werden im Jahr 2025 ca. 27 Megastädte mit jeweils über 10 Millionen Einwohnern existieren und ca. sechs der insgesamt acht Milliarden Menschen auf der Erde werden dann in Städten leben (OPITZ 2001).

Diese Urbanisierung stellt einen massiven Eingriff des Menschen in die Landschaft dar, welcher, unabhängig ob erwünscht oder nicht, auch das Klima beeinflusst. Besonders der urbane Siedlungsraum ist im Vergleich zu seiner unbebauten Umgebung für klimatische und lufthygienische Veränderungen verantwortlich, die zusammenfassend als Stadtklima beschrieben werden können (KUTTLER 2004a). Der Begriff des Stadtklimas beschreibt dabei ein, mit der Bebauung in Wechselwirkung stehendes Klima, welches darüber hinaus durch Abwärme und anthropogene atmosphärische Spurengase verändert wird (KUTTLER 2004a). Ein derart anthropogen modifiziertes Klima führt häufig zu Umweltqualitätseinbußen des urbanen Lebensraumes, wie z. B. die hohen und langandauernden thermischen Belastungen in vielen Städten Europas im Sommer 2003 bewiesen. Auch wenn es sich hierbei nur um ein sehr selten auftretendes Ereignis handelt, sollten die Effekte des Stadtklimas, besonders unter Berücksichtigung des globalen Temperaturanstiegs nicht unterschätzt werden. Im Folgenden sollen zunächst die spezifischen Merkmale, welche das Stadtklima charakterisieren, dargestellt werden. Anschließend widmet sich die Ausarbeitung den messtechnischen Methoden, mit denen sich bestimmte Merkmale erfassen lassen.

2 Aufbau der Stadtatmosphäre

Im System des spezifischen Klimas einer Stadt überwiegen die Interaktionen zwischen der atmosphärischen Grenzschicht, den Gebäuden und dem Baumaterial, welche von HELBIG (1999) als interne Wechselwirkungen beschrieben werden. Weiterhin wird das Stadtklima durch Lage-Gegebenheiten (geographische Breite, Art der Unterlage, Höhenlage) und die Wechselwirkungen mit der freien Atmosphäre (externe Wechselwirkungen) geprägt (HELBIG 1999).

Besonders die Struktur und die räumliche Anordnung von Gebäuden sowie die typischen Stoff- und Energiebilanzen von Städten führen zu einer Veränderung der Planetaren Grenzschicht (Planetary Boundary Layer, PBL) im Siedlungsbereich (KUTTLER 2004b). In Abb. 1a ist die vertikale Gliederung der Stadtatmosphäre, unter den optimalen klimatischen Verhältnissen einer windschwachen strahlungsreichen Wetterlage stark vereinfacht dargestellt.

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Abb. 1: Modifikation der Planetaren Grenzschicht (PBL) durch einen Stadtkörper (nach KUTTLER 2004a)

Dieser Gliederung folgend, nimmt die Stadthindernisschicht (Urban Canopy Layer, UCL) den untersten Teil der Stadtreibungsschicht (Urban Roughness Sublayer, URS), von der Bodenoberfläche bis zum mittleren Dachniveau ein (siehe Abb. 1b). In der Stadthindernisschicht stellen die meteorologischen Verhältnisse eine Mischung aus unterschiedlichen Mikroklimaten dar, die sich durch direkte Wechselwirkungen mit ihrer unmittelbaren Umgebung bilden (HELBIG 1999). So wird z. B. die Strömung stark lokal, d. h. durch die räumliche Anordnung einzelner Rauhigkeitselemente (siehe Abb. 1c) geprägt (KUTTLER 2004b). Oberhalb der Stadtreibungsschicht erstreckt sich die städtische Mischungsschicht (Urban Mixing Layer, UML), welche ein mikro- bis mesoskaliges Phänomen darstellt und ehr durch die generalisierte Stadtoberfläche bedingt wird (HELBIG 1999). Hier nehmen die thermischen und dynamischen Einflüsse des Stadtkörpers langsam ab (KUTTLER 2004b). Die Mächtigkeit der städtischen Mischungsschicht ist dabei vom Tagesgang abhängig und kann bis zu 2 km betragen. Folgend gliedert sich die freie Atmosphäre (Free Atmosphere, FA) oberhalb der städtischen Mischungsschicht an, welche über der Stadt in einer größeren Höhe beginnt als über dem Umland. Erst hier lässt sich der Stadteffekt nicht mehr nachweisen (KUTTLER 2004b). An der leeseitigen Begrenzung der Stadt lässt sich die Ausbildung der sog. Grenzschicht des Umlandes (Rural boundary Layer, RBL) erkennen (siehe Abb. 1a), welche sich in Anpassung an die neuen Oberflächeneigenschaften (Umland) bildet

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(HELBIG 1999). Allerdings besteht die städtische Mischungsschicht oberhalb der Grenzschicht des Umlandes weiter. Diefekt (siehe Abb. 1a), beschreibt, dass die

städtische Mischungsschicht, leeseitig, auch in 100-200 km Entfernung vom eigentlichen Stadtgebiet, noch existieren kann (HELBIG 1999).

3 Charakteristika des Stadtklimas

Das Erscheinungsbild des Stadtklimas setzt sich aus zahlreichen Komponenten zusammen, an denen alle Klimaelemente beteiligt sind. Bevor auf die entscheidenden Merkmale näher eingegangen wird, sollen zunächst die wichtigsten klimatischen Abweichungen zwischen Stadt und Umland am Beispiel westeuropäischer Großstadtbedingungen kurz dargestellt werden (siehe Tab. 1). Tab. 1: Charakteristika des Stadtklimas einer Großstadt in den mittleren Breiten (verändert nach KUTTLER 2004a)

3.1 Energie- und Strahlungsflüsse der Stadtgrenzschicht

Besonders die Anzahl der Komponenten und die Konzentration der Aerosole modifizieren, neben den veränderten Reflexions- und Emissionseigenschaften der Oberfläche in der Stadt, die kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse in der Stadtatmosphäre (HELBIG 1999).

3.1.1 Kurzwellige Strahlungsflüsse

Im Allgemeinen sind Stadtklimate durch eine Abschwächung der Globalstrahlung (siehe Abb. 2) gekennzeichnet (KUTTLER 2004a). Diese Schwächung innerhalb der Stadtgrenzschicht wird sowohl durch die jahreszeitlich variierenden Aerosolkonzentrationen sowie die optischen Eigenschaften der Aerosole als auch durch die Sonnenstandshöhe (Deklination, Azimut) bedingt (HELBIG 1999). So sind die Reduktionsraten im Winter meist stärker ausgeprägt, da es zu erhöhten Belastungen mit anthropogenen atmosphärischen Spurenstoffen kommt als im Sommer (KUTTLER 2004a). Bezüglich der Quantifizierung der Abschwächung schwanken die Werte zwischen 10% (KUTTLER 2004a) und 15-20% (OKE 1987), was sich auch in den Ergebnissen der Tab. 2 wiederspiegelt. Tab. 2: Reduktion der Globalstrahlung in Städten (verändert nach HELBIG 1999)

Bei Vergleichsmessungen innerhalb und außerhalb der Stadt sollte darauf geachtet werden, dass e- einflusstwerden können (HELBIG 1999).

Analog zur Schwächung der direkten Sonneneinstrahlung geschieht eine Zunahme der diffusen Strahlung, welche gleichförmig alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums umfasst und über die Kontrastminderung zur Sichtverschlechterung innerhalb der Stadtgrenzschicht führt (HELBIG 1999).

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Der Anteil, der die Erdoberfläche dabei als diffuse Strahlung erreicht beträgt ca. 75-80% des aus der direkten Strahlung gestreuten Anteils (HELBIG 1999). Grundsätzlich ist aufgrund der Streuprozesse in der Stadtatmosphäre davon auszugehen, dass der Anteil der diffusen Strahlung höher ist als der Anteil der direkten Strahlung (KUTTLER 2004a).

Die kurzwellige Reflexionsstrahlung (siehe Abb. 2) ist von der Farbe, Struktur und der Geometrie der städtischen Oberfläche abhängig und erreicht, beim Fernbleiben von Schnee, Werte, wie sie z. B. im unbewaldeten Umland zu beobachten sind (KUTTLER 2004a). Im Winter kommt es allerdings zu sehr großen Albedodifferenzen zwischen Stadt und Umland, was in einem Energiegewinn der Stadtoberfläche gegenüber dem Umland resultiert (HELBIG 1999). Außerdem besteht eine enge Kopplung zwischen den tatsächlich stattfinden kurzwelligen Strahlungsflüssen und dem Wärmehaushalt der Gebäude im Stadtgebiet (HELBIG 1999)

3.1.2 Langwellige Strahlungsflüsse

Die langwellige atmosphärische Gegenstrahlung (siehe Abb. 2) wird sowohl durch die höheren Temperaturen in der urbanen Grenzschicht sowie durch die höhere Strahlungsabsorption und Emission der erhöhten Aerosolkonzentration als auch durch den anthropogen erhöhten Wasserdampfgehalt der Luft verstärkt (HÄCKEL 1999). Dabei verläuft die Grenze erhöhter Gegenstrahlung parallel zur Grenze der Wärmeinsel. Die Differenzen zwischen Stadt und Umland liegen bei ca. 5-10% (HELBIG 1999). Die Gegenstrahlung über der Stadt verringert also, im Vergleich zum Umland, die nächtliche Abkühlung.

Die terrestrische Temperaturstrahlung (siehe Abb. 2) ist in der Stadt generell aufgrund der höheren Oberflächentemperaturen der Gebäude und Straßen stärker als im Umland (HELBIG 1999). Nach dem Sonnenuntergang ist die nächtliche Abkühlung innerhalb des Stadtgebietes herabgesetzt. Die Abkühlung oberhalb des Dachniveaus wird durch turbulente Durchmischungen infolge von Konvektion über den warmen Stadtstrukturen verringert, es wird konvergent fühlbare Wärme zugeführt (HÄCKEL 2006). Unterhalb des Dachniveaus wird die nächtliche Abkühlung durch den Strahlungsaustausch von Wand- und Straßenflächen innerhalb der Straßenzüge ausgeglichen (HELBIG 1999).

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Langwellige Strahlung der Atmosphäre (orange)

3.1.3 Fühlbarer und latenter Wärmestrom

Die Ströme der fühlbaren (Q H ) und der latenten Wärme (Q E ) werden im Stadtgebiet aufgrund der jeweiligen Flächennutzung, der vorherrschenden Witterung und der Tages- und Jahreszeit deutlich verändert (KUTTLER 2004a). Durchschnittsmessungen, welche sich auf die Stadtoberfläche beziehen, weisen meist Bowen-Verhältnisse von über 1 aus und belegen damit den starken Einfluss der fühlbaren Wärme auf die Erwärmung der Stadtatmosphäre (KUTTLER 2004a). Das Bowen-Verhältnis ist der Quotient zwischen dem fühlbaren und dem latenten Wärmestrom (Bo = Q H / Q E ). Des Weiteren geht auch Helbig (1999) davon aus, dass der fühlbare Wärmestrom eines Stadtgebietes stets größer ist als im Umland und aufgrund der erhöhten Oberflächentemperatur zur Atmosphäre hin gerichtet ist.

3.1.4 Strahlungsbilanz

Trotz der Modifikation der Strahlungsflüsse in der Stadtatmosphäre, welche in der Abb. 2 schematisch dargestellt sind, weist die Strahlungsbilanz der Stadtoberfläche nur geringe Unterschiede gegenüber dem Umland auf, jedenfalls für größere Bezugszeiträume (HELBIG 1999). Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich die verschiedenen Änderungsbeträge gegenseitig kompensieren: Zwar ab-sorbiert die Stadtoberfläche aufgrund der Extinktion der Sonnenstrahlung weniger Energie als das Umland, allerdings verringert sich tagsüber auch der langwellige Strahlungsverlust (HELBIG 1999). Nachts kommt es wegen zusätzlicher Energiequellen, einer verzögerten Abkühlung des Stadtkörper und bestimmter Aerosoleffekte zu einer Erhöhung des langwelligen Strahlungsdefizits (HELBIG 1999).

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