Mikroskaliger Effekt von ausgewählten Grünflächen auf die bodennahe Lufttemperatur

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Kartenverzeichnis

Abkürzungen

1 Einleitung

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Das weltweite Städtewachstum
2.2 Das Klima in Städten
2.3 Der Einfluss von Grünstrukturen auf das Stadtklima
2.3.1 Die Wirkung von Straßenbegrünung
2.3.2 Stadtparks und PCIs
2.3.3 Grünstrukturen mit spezieller Nutzung und Bewässerung
2.4 Wirkungszusammenhänge zwischen Stadtvegetationsstrukturtypen

3 Methodisches Konzept
3.1 Beschreibung des Messkampagne
3.1.1 Messdurchführung
3.1.2 Untersuchungszeitraum
3.1.3 Messgeräte
3.2 Auswahl des Untersuchungsgebiets
3.2.1 Charakterisierung der stationären Messstandorte
3.2.1.1 Himmelbeet
3.2.1.2 Kunkelstraße
3.2.1.3 Friedhof Silent Green / Gerichtstraße
3.2.1.4 Arztpraxis
3.2.1.5 Steinmetz am Friedhof St. Philippus Apostel
3.2.2 Ermittlung des Versiegelungsgrades der stationären Messungen
3.2.3 Beschreibung der mobilen Messroute
3.3 Statistisches Vorgehen

4 Ergebnisse der Messkampagne
4.1 Evaluation und Genauigkeitsüberprüfung der stationären Messgeräte
4.2 Darstellung der Daten und qualitative Analyse der stationären Messungen
4.3 Darstellung der Daten und qualitative Analyse der mobilen Messungen

5 Ergebnisdiskussion
5.1 Diskussion der Ergebnisse der stationären Messungen
5.2 Diskussion der Ergebnisse der mobilen Messungen

6 Zusammenfassung

Literatur

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Die Weltbevölkerung im Wandel

Abb. 2: Mittlere Lufttemperatur Paris 2003 um 22Uhr CEST

Abb. 3: Schätzung der hitzebedingten Sterbefälle in Berlin und Hessen

Abb. 4: Schematische Darstellung des Park Breeze Effekt im Querschnitt

Abb. 5: Himmelbeet mit AWS- und Eddy-Covariance-Messsystem

Abb. 6: Messgerät Minikin 1 (M1) in der Kunkelstraße

Abb. 7: Messgerät Minikin 2 am Standort Friedhof / Gerichtstraße

Abb. 8: Messgerät Minikin 3 am Standort Arztpraxis in der Pasewalker Straße

Abb. 9: Messgerät Minikin 4 am Standort Steinmetz

Abb. 10: Evaluationsmessung der Messgeräte M1 - M4

Abb. 11: Evaluationsmessung der Messgeräte M1 - M4 (veränderte Darstellung)

Abb. 12: Stationäre Messung. Woche 1: 06. - 13. August 2019

Abb. 13: Stationäre Messung. Die Tage vom 13. - 15. August 2019

Abb. 14: Stationäre Messung. Die Tage vom 21. - 22. August 2019

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Versiegelungsgrad der Standorte der stationären Messungen

Tabelle 2: Bedeckungsgrad im Monat August 2019

Tabelle 3: Legende der stationären Messorte

Kartenverzeichnis

Karte 1: Messroute mit den Standorten der stationären Messgeräte

Karte 2: Mobile Messung am 08.08.2019 von 10 - 12Uhr MESZ

Karte 3: Mobile Messung am 08.08.2019 von 13 - 15Uhr MESZ

Karte 4: Mobile Messung am 08.08.2019 von 16 - 18Uhr MESZ

Karte 5: Mobile Messung am 14.08.2019 von 21 - 23Uhr MESZ

Karte 6: Mobile Messung am 22.08.2019 10 - 12Uhr MESZ. Südlicher Teil

Abkürzungen

Abb.: Abbildung

M1: Minikin 1

M2: Minikin 2

M3: Minikin 3

M4: Minikin 4

MESZ: Mitteleuropäische Sommerzeit

P: Punkt

1 Einleitung

In einer komplexen, sich schnell wandelnden Welt sind Städte für viele Menschen der Mittelpunkt des Lebens. Im Gegensatz zum ländlichen Raum sind sie zumeist enge, verdichtete Siedlungsräume, in denen Menschen leben, arbeiten und bestimmten Wertevorstellungen oder Konsummustern folgen (Haas & Neumair 2018). Dabei wächst der städtische Raum immer weiter - und das weltweit. Die Demografie und Siedlungsstrukturen ändern sich, die Fläche von Städten vergrößert sich und die Einwohnerzahlen steigen. Dies wird allgemein unter dem Begriff Verstädterung verstanden. Doch neben einer rein physischen Sichtweise kann der urbane Verdichtungsraum auf einer sozialpsychologischen und sozioökonomischen Ebene verstanden werden. Man spricht dann von Urbanisierung (ebd.). Diese beiden Begriffe sollten daher voneinander abgegrenzt werden, wenngleich sie gemeinsame Aspekte beinhalten.

Aus klimatologischer Sicht sind Städte ebenfalls eine Besonderheit, denn sie unterscheiden sich vom ländlichen Raum hinsichtlich ihrer Struktur und baulichen Beschaffenheit, was zu einem veränderten Wärmehaushalt führt. Dabei ist allen voran die Flächenversiegelung bzw. der Versiegelungsgrad im urbanen Verdichtungsraum zu nennen. Aufgrund der Versiegelung von Fläche werden der natürliche Wasserkreislauf und die Energieflüsse verändert. Im Vergleich zum unbebauten Umland kommt es daher zu Unterschieden in Luftfeuchtigkeit, Strahlungsbilanz und Lufttemperatur. Hinzu kommen Aspekte wie Industrie, anthropogene Abwärme durch das Beheizen von Gebäuden oder Stadtverkehr, welche sich zusätzlich auf die Luftqualität in Städten auswirkt. Da sich im Vergleich zum Umland diese klimatischen Differenzen ausbilden, spricht man von Stadtklima (Naturkapital Deutschland - TEEB DE 2016).

In mitteleuropäischen Städten, wie z.B. Berlin, kann das Stadtklima besonders in den Sommermonaten eine Herausforderung für die dort lebenden Menschen darstellen. Aufgrund der erhöhten Globalstrahlung im Sommer und Flächenversiegelung kommt es zu einem veränderten Wärmehaushalt. Das kann besonders in Hitzeperioden zu einer Erwärmung und erschwerten Abkühlung des städtischen Verdichtungsraumes führen, da in den versiegelten Flächen und Gebäuden Wärmeenergie gespeichert wird. Die stärksten Temperaturdifferenzen zwischen Stadt und Umland herrschen während der Nachtsituation. Aber auch tagsüber können Unterschiede festgestellt werden. Man spricht von einer städtischen Wärmeinsel (Schönwiese 2013; Kuttler 2013).

Diese kontinuierliche Wärmebelastung kann gesundheitliche Probleme mit sich bringen und dem menschlichen Organismus schaden. Die Stadtbewohner sind dann thermischem Stress ausgesetzt, welcher speziell während länger andauernden Hitzeperioden zu einer erhöhten Mortalität führt (Naturkapital Deutschland-TEEB DE 2016, S. 55). Für Menschen im letzten Lebensabschnitt ist thermischer Stress besonders gefährlich, da sich der Körper mit fortgeschrittenem Alter nur schwer von einer solchen Belastung erholen kann. Verschiedene Hitzewellen in Europa wie jene im Jahr 2018 forderten daher hohe Opferzahlen - auch in Großstädten wie Berlin (Robert Koch-Institut 2019).

Städtische Grünflächen wie Stadtparks, Stadtgärten oder Friedhöfe können durch ihre Kaltluftproduktion Hitzestressrisiken reduzieren und dazu beitragen, den thermischen Komfort zu erhöhen (Naturkapital Deutschland-TEEB DE 2016, S. 57). Daher kann Grünflächen im Zuge der Überwärmung von Städten und urbanen Ballungsgebieten weltweit eine große Bedeutung zugemessen werden; speziell im Hinblick auf die globale Erderwärmung. Erkenntnisse über das Wirkungspotential von verschiedenen Grünstrukturen innerhalb von Städten sind deshalb in Zukunft von besonderer Wichtigkeit.

Die Effekte von Grünstrukturen auf das Stadtklima wurden in vielen Studien hinreichend untersucht. In einem Review von Bowler et al. (2010) werden beispielsweise eine Vielzahl von Erhebungen dargestellt, die Daten zu den Temperaturunterschieden zwischen Grünflächen und umliegenden urbanen Strukturen untersuchen. Dabei wurde in mehreren Studien nachgewiesen, dass Grünstrukturen - zumindest auf lokaler Ebene - einen kühlenden Effekt auf die Umgebung haben (S. 154). Nach Bongardt (2006) gibt es zwei Haupttypen von Untersuchungen: einerseits Untersuchungen, in denen die Forschungsfrage direkt durch eine Grünanlage bzw. Freifläche bestimmt ist, und andererseits Untersuchungen, bei denen die Grünanlage lediglich Teil des Untersuchungsgebiets ist, jedoch häufig gesonderte Merkmalsausprägungen aufweist (S. 8). Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem zweiten Ansatz, welcher Grünflächen als Teil eines größeren Untersuchungsgebietes betrachtet.

Daran anknüpfend wurden eigene Erhebungen durchgeführt, um Aussagen über den mikroskaligen Effekt von verschiedenen Grünstrukturen auf die bodennahe Lufttemperatur treffen zu können, und so einen Beitrag zu den vorhandenen Studien zu leisten. Wie aus dem Titel hervorgeht, beschäftigt sich diese Arbeit daher größtenteils mit der Messgröße Temperatur. Dazu wurde im Rahmen des Projektes „Urbane Gärten und Parks: Multidimensionale Leistungen für ein sozial, ökologisch und ökonomisch nachhaltiges Flächen- und Stoffstrommanagement“ eine circa zweiwöchige Messkampagne entwickelt, die sowohl stationäre als auch mobile Messungen beinhaltete. Während stationäre Messgeräte durchgängig im Zeitraum der Kampagne gemessen haben, wurden mobile Messungen zu bestimmten Tageszeiten durchgeführt. Die Ergebnisse der Datenerhebung bilden die Grundlage dieser Bachelorarbeit. Ziel der Arbeit ist es, Erkenntnisse darüber zu erlangen, welchen Effekt Grünstrukturen auf die urbane Umgebung des Untersuchungsgebietes zu verschiedenen Tagessituationen haben und wie weit von den Grünflächen entfernt mögliche Effekte erkennbar sind. Dazu sollen vor allem Aussagen zum Versiegelungsgrad in Zusammenhang mit den Untersuchungsstandorten gebracht werden. Dabei ist die Annahme, dass an einem Standort mit niedrigem Versiegelungsgrad die bodennahe Lufttemperatur niedriger ist als an einem Standort mit hohem Versiegelungsgrad.

Die Struktur der Arbeit gliedert sich folgendermaßen: in einem ersten Kapitel werden zunächst theoretische Grundlagen geklärt und wichtige Fachbegriffe definiert. Dabei werden die Basiskonzepte der Stadtklimatologie aufgezeigt und besonders der Einfluss von Grünstrukturen auf die Lufttemperatur thematisiert. Im darauffolgenden methodischen Kapitel wird die durchgeführte Messkampagne detailliert beschrieben. Darin werden der Zeitraum der Kampagne, das Untersuchungsgebiet der stationären und mobilen Messungen sowie die Messgeräte und Durchführung näher erläutert. Zudem werden das statistische Vorgehen sowie der Umgang mit den erhobenen Daten aufgezeigt. Weiterführend werden die Ergebnisse der Messkampagne dargestellt und analysiert. Dabei werden die Ergebnisse der stationären und der mobilen Messungen getrennt betrachtet. In den Darstellungen finden sowohl einzelne Tagessituationen als auch eine Analyse von mehreren zusammenhängenden Tagen Beachtung. Die Ergebnisse werden dann im Diskussionsteil interpretiert sowie Erkenntnisse diskutiert. Dazu sollen Verweise und Referenzen zu den bereits im Vorhinein beschriebenen theoretischen Grundlagen sowie der bestehenden Fachliteratur gemacht werden. Schlussendlich werden die Erkenntnisse der Untersuchung noch einmal zusammengefasst und ein Überblick über die wichtigsten Kernaussagen dargestellt.

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Das weltweite Städtewachstum

Die allgemeine Bevölkerungszahl der Erde steigt. Im Jahr 2019 leben auf der Erde rund 7,6 Milliarden Menschen. Dabei kommen jede Sekunde durchschnittlich 2,6 Menschen auf die Welt (DSW 2019). Die Anzahl der Weltbevölkerung steigt folglich um ca. 83 Millionen pro Jahr (Stallmeister 2017). Dieses Thema wird oft auch medial problematisiert, besonders im Hinblick auf die weltweite Nahrungsversorgung, Ressourcenknappheit oder ökologischen Folgen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Die Weltbevölkerung im Wandel. In dunkler Farbe ist die Zeit vor dem Jahr 2017 dargestellt. In heller Farbe die Zeit nach dem Jahr 2017. (Quelle: DSW 2017)

Zur gleichen Zeit gewinnen Städte und urbane Ballungsräume zunehmend an Bedeutung. Dadurch kommt es weltweit zum Wachstum urbaner Räume und zu Verstädterung. Nach Bähr (2011) bedeutet Verstädterung „die Vermehrung, Ausdehnung oder Vergrößerung von Städten nach Zahl, Fläche oder Einwohnern, sowohl absolut als auch im Verhältnis zur ländlichen Bevölkerung beziehungsweise zu den nicht-städtischen Siedlungen“ (S. 1). Dieses Phänomen ist neben Europa oder den Vereinigten Staaten vor allem im asiatischen Raum erkennbar. Ein aussagekräftiges Beispiel hierfür ist das Städtewachstum in der Volksrepublik China. Im Jahr 2017 gab es in China 125 Städte mit einer Einwohnerzahl von über eine Million. Diese Zahl wird in den nächsten zehn Jahren auf 221 Millionenstädte ansteigen. Bis 2030 könnten dann mehr als 1 Milliarde Menschen in chinesischen Städten leben (Krüger 2017). Geht man also davon aus, dass die Prognosen für diese Entwicklung zutreffend sind, wird dann etwa jeder achte Mensch ein chinesischer Großstadtbewohner sein.

Weltweit hat sich der Urbanisierungsgrad in den letzten Jahrhunderten stetig erhöht. Der städtische Bevölkerungsanteil nimmt gegenüber der gesamten Weltbevölkerung überproportional zu (Schönwiese 2013, S. 342). Im Verlauf des 21. Jahrhunderts. werden daher mehr als 70% der Erdbevölkerung in Städten leben und die Zahl der Megastädte auf 27 ansteigen (ebd.). Das kann die Regierungen sowie betroffene Städte vor Herausforderungen stellen. Jene Schwierigkeiten sind beispielsweise ökologische Probleme wie Luftverschmutzung, Schmutzgewässer oder Müllansammlung. Weiterhin könnte es aufgrund der steigenden Bevölkerungszahlen zu Versorgungsengpässen in Städten kommen (Swianczny & Schulz 2009 S. 136). Doch allen voran wird es im Zuge des weltweiten Klimawandels zu klimatischen Problemen innerhalb von Großstädten kommen. Denn im städtischen Verdichtungsraum, in dem Millionen von Menschen leben, wo es Industrie und Verkehr gibt, und in dem Flächenversiegelung und Bausubstanz das Bild prägen, sind die Temperaturen höher und das Klima verändert. Im folgenden Kapitel wird das Thema Stadtklima näher betrachtet.

2.2 Das Klima in Städten

Neben der Entwicklung der weltweiten Bevölkerung und des damit einhergehenden Städtewachstums, spielt das Stadtklima eine immer größere Rolle. Speziell im Hinblick auf die weltweite Erderwärmung hat die Untersuchung und Erforschung des urbanen Klimas höchste Relevanz. Die Vorstellung, dass schon in naher Zukunft mehr als zwei Drittel der Menschheit in städtischen Gebieten leben und zur gleichen Zeit die weltweite Temperatur immer weiter ansteigt, zeigt, dass ein besseres Verständnis von urbanen Strukturen unabdingbar ist.

Im Vergleich zum ruralen, unbebauten Umland weisen Städte in den unteren Luftschichten einen veränderten Wärmehaushalt auf (Bruse 2003, S. 66). Man spricht dann von einer „städtischen Wärmeinsel“ oder Urban Heat Island (UHI). Die Temperatur nimmt dabei von der Peripherie in Richtung des Stadtzentrums zu (Naturkapital Deutschland - TEEB DE 2016, S. 52). In der folgenden Abbildung ist der Effekt der städtischen Wärmeinsel am Bespiel von Paris im Hitze- und Trockenjahr 2003 zu erkennen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Mittlere Lufttemperatur Paris 2003 um 22:00ühr CEST. Modellhafte Darstellung der Temperatur des ESRIN’s Urban Thermography Teams. Die Durchschnittstemperatur in der Stattmitte ist um ca. 5°C wärmer als in den ländlichen unbebauten Gebieten. (Quelle: C. Dempsey 2011).

Neben dem veränderten Strahlungs- und Wärmehaushalt ist dies ist vor allem auf den Anteil der Flächenversiegelung (z.B. Straßen, Fußwege oder Parkplätze) sowie durch eine Vielzahl an Gebäuden zurückzuführen, welche oftmals in Richtung des Stadtzentrums zunehmen (Endlicher 2012, S. 65). Aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung - in Europa vor allem in den warmen Sommermonaten - kommt es zu einer Speicherung der Energie in der Bausubstanz sowie versiegelten Flächen. Dieser Effekt wird durch die geringe Wärmekapazität des Baumaterials hervorgerufen (Schönwiese 2013, S. 342). Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt auch von der Geometrie und Exposition der Gebäude ab. Außerdem spielen die Strahlungseigenschaften der Oberflächen und die anthropogene Abwärme eine Rolle (DWD 2019). Jedoch ist es wichtig zu erwähnen, dass durch die dichte Bebauung ein erheblicher Teil des Stadtbodens im Schatten liegt. Das führt zu einer Verschiebung des größten Energieumsatzes auf das Dachniveau. Daher kann es vorkommen, dass sich die bodennahe Lufttemperatur im Bereich von ca. 1,40m während der Tagsituation nicht maßgeblich von der Temperatur des Umlandes unterscheidet (Bruse 2003, S. 67).

Je dichter der Versiegelungsgrad in einer Stadt ist, desto geringer ist demnach der Vegetationsanteil. Dies hat zur Folge, dass es zu einer unterdrückten Abgabe von latenter Wärme in die Atmosphäre kommt (Schönwiese 2013, S. 342). Die tagsüber aufgenommene Strahlungsenergie wird am Abend und in der Nacht an die Stadtatmosphäre abgegeben. Daher ist der Effekt der städtischen Wärmeinsel während der Nachtsituation in mitteleuropäischen Städten am stärksten. (Naturkapital Deutschland -TEEB DE 2016, S. 54). Das kann teilweise zu Temperaturdifferenzen von 1 bis 2 K zwischen Stadtzentrum und Umland führen, gesehen im Jahresmittel (Kuttler 2013, S. 213). Im Einzelfall kann es für kurze Zeit während der Nachtsituation zu Unterschieden von 10 bis 15 K kommen. Dabei spielen Faktoren wie Wetterlage, Stadtgröße und der bereits erwähnte strukturelle Aufbau der Stadt eine entscheidende Rolle (ebd.).

Längere Hitze- und Trockenperioden, wie z.B. im Sommer 2018, können dann zu einer kontinuierlichen Wärmebelastung führen. Da der Temperaturabfall in Städten während der sommerlichen Nachtsituation zum Teil deutlich geringer ist als im Umland, kann es zu Hitzestress kommen. Hierbei erholt sich der menschliche Körper in der Nacht nur erschwert vom thermischen Stress des Tages, was zu gesundheitlichen Problemen führen kann (Naturkapital Deutschland-TEEB DE 2016, S. 54). Nach einer Studie von Fenner et al. (2015) gibt es einen Zusammenhang zwischen nächtlicher Wärmebelastung und der Mortalitätsrate. Es wird beschrieben, dass es bereits nach wenigen Tagen einer Hitzewelle zu einer erhöhten Sterblichkeit kommt. So wurde nachgewiesen, dass 4 - 5% der jährlichen Todesfälle in Berlin im statistischen Zusammenhang mit Hitzeereignissen stehen (Fenner et al. 2015, S. 30). Im Hitze- und Trockenjahr 2018 starben allein in Berlin etwa 490 Menschen aufgrund der starken Wärmebelastung (Robert Koch-Institut 2019, S. 193).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Schätzung der hitzebedingten Sterbefälle in Berlin und Hessen zwischen 2001 und 2018 mit 95 %-Konfidenz-Intervall. Signifikant erhöhte Anzahlen sind in Rot, grenzsignifikant erhöhte Anzahlen sind zusätzlich mit weißen Kreisen markiert. Besonders die Jahre 2006, 20015 und schließlich 2018 zeigen eine erhöhte Anzahl an Sterbefallen. (Quelle: Robert Koch-Institut 2019)

Angemerkt sei an dieser Stelle, dass die Mortalitätsrate während Hitzewellen oder extremeren Wetterereignissen in den letzten zwei Altersgruppen, d.h. 75 - 84 und 85+, am höchsten ausfällt (Robert Koch-Institut 2019, S. 199). Hitzebedingte Sterbefälle treten demzufolge in höherem Alter häufiger auf als in jüngeren Altersgruppen. Thermischer Stress stellt eine Gefahr für Menschen in Städten dar, die es zu reduzieren gilt. Grünflächen können dazu beitragen, den thermischen Komfort in einer Stadt zu verbessern, indem sie einen positiven Einfluss auf die Kaltluftproduktion, z.B. in den heißen Sommermonaten, haben. Im folgenden Kapitel werden die Wirkung und das Potential von Grünflächen auf das städtische Klima näher betrachtet.

2.3 Der Einfluss von Grünstrukturen auf das Stadtklima

Städtisches Grün erfüllt viele Funktionen. Neben dem Lebensraum für Stadttiere und als Erholungsgebiet für Menschen sind Grünflächen für die Abflussregulation von Niederschlag sowie die Bildung von Grundwasser zuständig. Dabei sind sie allgemein dem Boden dienlich und funktionieren als Immissionsschutz (Arlt et al. 2005, S. 46). Grünflächen haben zudem einen positiven Effekt auf das Klima in Städten. Sie übernehmen wichtige klimatische Regulationsleistungen. Wie im vorherigen Kapitel angerissen, können Grünflächen und Stadtnatur in großem Maße dazu beitragen, den thermischen Komfort zu verbessern und, vor allem im Sommer, Hitzestressrisiken durch ihre Kaltluftproduktion zu minimieren (Naturkapital Deutschland-TEEB DE 2016, S. 57). Dabei gewinnt städtisches Grün im Zuge des weltweiten Klimawandels immer weiter an Bedeutung, vor allem im Hinblick auf die Problematik der Überwärmung bzw. der Verstärkung der städtischen Wärmeinsel.

Im Allgemeinen sind Pflanzen und Grünstrukturen schlechte Leiter von Wärmeenergie. Das führt dazu, dass unter vegetationsreicher Fläche wenig Wärme in den Boden gelangt, um dort gespeichert werden zu können. Hinzu kommen die veränderten Strahlungsverhältnisse durch Schattenwurf sowie die Verdunstung von Regen- oder Bodenwasser durch die Blätter der Pflanzen. Daher kann es teilweise zu mikroklimatischen Unterschieden zwischen städtischen Grünstrukturen und versiegelten Flächen kommen. Dies kann sich in einer Veränderung der bodennahen Lufttemperatur ausdrücken (Krellenberg 2007, S. 11).

In einer Stadt kann es verschiedene Grünstrukturen geben, die Einfluss auf das Stadtklima haben. Diese reichen von einzelnen Bäumen, z.B. entlang von Straßenzügen, bis hin zu großflächigen Parkanlagen mit weitreichendem Grünflächenanteil oder Grünvolumen. Weiterhin können Grünstrukturen mit speziellem Nutzen und Bewässerung wie Gemeinschaftsgärten, Schrebergärten oder Friedhöfe das Stadtbild prägen. Aber auch Strukturen mit direktem Kontakt zu einem Gebäude wie begrünte Hausfassaden oder Dachgärten können sich positiv auf das Stadtklima auswirken, da, wie erwähnt, der größte Energieumsatz auf dem Dachniveau stattfindet (s.a. Kapitel 2.2).

Da sich diese Arbeit mit der horizontalen Ebene, d.h. Grünflächen im bodennahen Bereich beschäftigt, soll darauf der hauptsächliche Fokus liegen. Der Begriff Grünfläche soll hierbei nicht als Synonym für Stadtparks stehen, sondern beschreibt alle Strukturen städtischen Grüns. Da Grünfläche nicht gleich Grünfläche ist und diese sich in ihrem Kühlpotential unterscheiden können, sollen diese getrennt betrachtet werden. Im Folgenden wird daher näher auf die Wirkung von jenen Grünstrukturen innerhalb des städtischen Raumes eingegangen, die eine Relevanz zum gewählten Untersuchungsgebiet und der in Kapitel 3 beschrieben Messkampagne haben. Zunächst soll der mikroskalige Effekt von einzelnen Bäumen und deren Schattenwurf erörtert werden. Ein darauffolgender Unterpunkt beschäftigt sich mit Stadtparks und dem Konzept der Park Cool Island (PCI). Abschließend wird ein Überblick über den Effekt von Grünstrukturen mit spezieller Nutzung wie Friedhöfen oder Gartenanlagen gegeben.

2.3.1 Die Wirkung von Straßenbegrünung

Aufgrund ihrer Schattenwirkung können Bäume innerhalb von Straßenzügen einen Einfluss auf die bodennahe Lufttemperatur haben. Dieser Effekt zeigt sich wie o.g. vor allem an intensiven Strahlungstagen in den Sommermonaten. Aufgrund der oft dichten Baumkrone bzw. dem Kronendach kann eine Überhitzung des bodennahen Bereiches durch Schattenwurf verhindert werden (Bruse 2003, S. 67). Die Blätter der Bäume besitzen wegen ihrer Struktur kaum Speichermasse und verdunsten aufgrund der Strahlung zusätzlich Wasser, sodass in diesem Bereich bereits viel Energie umgesetzt wird. Daher kühlt das Kronendach während der Nachtsituation schneller aus, was auch einen Kühlungseffekt auf die Lufttemperatur haben kann (ebd.) Dabei haben die Baumart, Größe, Blattstruktur sowie die Anzahl der Bäume Einfluss auf die letztliche Wirkungsintensität (Bowler et al. 2010, S. 153). Weiterhin gibt es Unterschiede in der bodennahen Lufttemperatur zwischen Bäumen, die eine Grasfläche als Untergrund haben und Straßenbäumen, welche eher einen versiegelten Untergrund haben. Folglich ist das Kühlpotential unter Bäumen, die aus einer Grünfläche wachsen, größer, als bei Bäumen die zum Teil Flächenversiegelung unterstehen (ebd.).

Letztlich kann geschlussfolgert werden, dass Straßenbegrünung eine sinnvolle Maßnahme ist, um vor allem tagsüber durch Schattenwirkung Hitzestress in Form von intensiver Strahlung zu reduzieren. Allerdings spielt auch die Exposition der Straße zur Sonne in einer Straßenschlucht eine Rolle, da einige Straßen und Gassen aufgrund der Gebäudehöhe ohnehin im Schatten liegen und so Windsystemen unterliegen, welche die bodennahe Lufttemperatur beeinflussen können.

2.3.2 Stadtparks und PCIs

In einer Großstadt wie Berlin, aber auch vielen anderen mitteleuropäischen Städten, prägen Stadtparks das Bild. Grünflächen in Form von Stadtparks können besonders an intensiven Strahlungstagen durch ihre Produktion von Kaltluft - wie o.g. vor allem in tropischen Sommernächten - den thermischen Stress minimieren (Naturkapital Deutschland-TEEB DE 2016, S. 57). Da Parks im innerstädtischen Bereich dann wie „kühle Inseln“ wirken, spricht man von einer Park Cool Island (PCI), also einer Kälteinsel inmitten eines überwärmten Raumes der Stadt (Bongardt 2006, S. 13). Besondere Parameter, die Einfluss auf das Kühlpotential haben, sind aus klimatologischer Sicht Größe und Struktur eines Stadtparks (ebd., S. 5). Wird an dem Beispiel von Berlin festgehalten, so dominieren das Tempelhofer Feld (ca. 300 Hektar) und der Berliner Tiergarten (ca. 210 Hektar) als die größten Grünflächen (Bezirksamt Tempelhof-Schöneberg 2014). Dabei gelten beide dieser Flächen als Stadtpark bzw. grüner Erholungsraum, wenngleich sie sich in ihrer Struktur sehr stark unterscheiden. Während das ehemalige Tempelhofer Flugfeld kaum Vegetation aufweist und - bis auf einige wenige Bäume - kaum Gelegenheit bietet, sich vor der Sonne unter Schattenflächen zu schützen, so kann der Große Tiergarten mit seinem Artenreichtum und dichtem Baumbestand eher als Stadtwald bezeichnet werden. Folglich variiert das Grünvolumen, die Beschattungssituation und das Luftmassenaustauschpotential zwischen verschiedenen Parktypen im Hinblick auf die Größe sowie Struktur. Dies führt zu einer Varianz des Kühlungspotentials (Bongardt 2006, S. 5). Im Folgenden sollen daher die Größe und die strukturelle Beschaffenheit von Stadtparks näher betrachtet werden.

Allgemein könnte davon ausgegangen werden, dass das Kühlpotential eines Stadtparks mit zunehmender Flächengröße ebenfalls größer wird. Nach Scherer (2007) haben jedoch viele kleine Parkanlagen eine größere Wirkung als beispielweise eine große „Tempelhofer Freiheit“, da der Wirkungsbereich von Kaltluft in die städtische Umgebung bei ca. 300m liegt.

„ Von wenigen großen Parks profitieren in tropischen Nächten daher nur die unmittelbaren Anwohner. Ideal wäre ein Netz aus vielen kleinen Grünflächen mit wenigstens einem Fußballplatz-Ausmaß. Dann wohnte niemand zu weit vom nächsten Minipark entfernt, und die Stadt kühlte in der Nacht ein wenig besser ab “ (Scherer 2007).

Folglich ist die Größe nur bedingt entscheidend über das Kühlpotential, und schon von kleineren Parkflächen kann eine thermische Ausgleichsströmung zwischen Park und umliegenden Gebäuden stattfinden. Diese mikroskalige Luftströmung, die vom kühlen Park ausgeht und bodennah horizontal in Richtung der umliegenden Gebäude entsteht, nennt man Park Breeze (Bongardt 2006, S. 40).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Schematische Darstellung des Park Breeze Effekt im Querschnitt. Zwischen dem Stadtpark und den umliegenden Baukörpern findet ein Luftmassenaustausch statt. Die kühle Luft tritt hierbei bodennah zentrifugal aus dem Park aus und kann zentripetal als Gegenströmung in höheren Luftschichten zurückgelangen. (Quelle: Bongardt 2006, S. 40)

Im gesamten Bundesland Berlin gibt es insgesamt ca. 2.500 Parkflächen mit einer Gesamtgröße von 5.400 ha, von denen ein Großteil eher kleinere Parkflächen sind (SenUVK 2019). Neben der Größe des Stadtparks hat, wie oben bereits angesprochen, die Struktur einen entscheidenden Einfluss auf das Potential der Kaltluftproduktion. Stadtparks haben ein besonders hohes Kühlpotential, wenn sie einen hohen Anteil an Wiesenflächen sowie einer lockeren Anordnung von Bäumen und Sträuchern besitzen. Dadurch kann Regenwasser in besonderem Maße versickern und so für mehr Verdunstungskühle sorgen. Wenn im Parkgebiet Wasserflächen, wie z.B. kleine Teiche, vorhanden sind, kann dieser Effekt folglich noch verstärkt werden. Stadtparks sind zudem Räume mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit, was sich positiv auf den horizontalen Luftmassenausgleich auswirkt (Arlt 2005, S. 47).

Die Dichte der vorherrschenden Vegetation ist daher entscheidend für das Verdunstungs- und Kühlpotential sowie den Luftmassenaustausch. Je dichter der Bewuchs auf einer Fläche ist, desto weniger Niederschlagswasser gelangt in das Grundwasser und kann so durch die Pflanzen in die Atmosphäre verdunsten. Gleichzeitig verringern dicht bewachsene Parks die Windgeschwindigkeit und haben so Einfluss auf das Potential des Luftmassenaustauschs (ebd., S. 47 ff.). Wie in Kapitel 2.3.1 beschrieben, haben auch die vorherrschenden Baumarten in einem Park Einfluss auf den Schattenwurf und die Kühlwirkung. Schlussendlich ist ein optimales Kühlpotential von vielen verschiedenen Einzelfaktoren innerhalb einer Parkfläche abhängig. Eine vielfältige Bepflanzung mit ausgewogenen Anteilen von Wiesen, Bäumen und Sträuchern sowie möglichen Wasserflächen erscheint jedoch sinnvoll.

2.3.3 Grünstrukturen mit spezieller Nutzung und Bewässerung

In diesem Kapitel werden Grünflächen mit spezieller Nutzung näher beschrieben. Dazu zählen vor allem bewässerte Nutzflächen wie Gärten oder Friedhöfe. Ihnen wird ein spezifisches Kapitel gewidmet, da diese in besonderem Maße während der Untersuchungen für diese Arbeit auftraten.

Diese Grünstrukturen unterscheiden sich von Stadtparks im Sinne ihrer Bewirtschaftung und der Flächennutzung, da sie nicht ausschließlich als öffentliche Erholungsfläche dienen. Aufgrund der wiederkehrenden künstlichen Bewässerung geht von ihnen auch in längeren Trockenperioden ein größeres Verdunstungs- und Kühlpotential aus als bei nicht bewässerten Grünflächen (Laske 1994, S. 218). Während bei Gartenflächen eine höhere Strahlungsintensität, z.B. für den Gemüseanbau, erwünscht ist, weisen Friedhofsflächen durch ihren Laubbaumbestand oft mehr Schattenwurf auf, was zu einer deutlichen Reduzierung der Temperatur führen kann (ebd.) Jedoch haben diese künstlich angelegten Böden oft eine geringere Wasserspeicherfähigkeit aufgrund ihrer unnatürlichen Verdichtung, die durch Baumaßnahmen oder der Zusammensetzung der Bodenhorizonte entsteht (Bongardt 2006, S. 20).

In jedem Fall haben Bewässerungsmaßnahmen eine senkende Wirkung auf die bodennahe Lufttemperatur. Besonders können jedoch die mikroskaligen Temperatureffekte bei einer Bewässerung während der Tagsituation wahrgenommen werden, da es durch die direkte Evapotranspiration zu relativ geringen Lufttemperaturen im Gegensatz zum Baukörper kommen kann (Bongardt 2006, S. 28).

Um Aussagen über mikroskalige Effekte von Grünflächen auf die Lufttemperatur treffen zu können, müssen die Wirkungszusammenhänge zwischen städtischer Vegetationsstruktur und ihrer ökologisch-klimatischen Leistung verstanden werden. Mathey et al. (2011) entwickelten dazu auf Grundlage der Stadtbiotopenkartierung eine Strukturanalyse des städtischen Raumes. Dabei wurden 56 Stadtvegetationsstrukturtypen erarbeitet, die nach ihrem Versiegelungsgrad, ihrer Nutzung und der Vegetationsstruktur zusammengefasst worden sind. Dabei unterscheiden sie verschiedene Kenngrößen, um jene Strukturtypen beschreiben zu können: den Grünflächenanteil, das Grünvolumen, den Versiegelungs- und Überbauungsgrad sowie die Gebäudehöhe (S. 53 ff.). Im Folgenden sollen diese Fachbegriffe näher erläutert werden.

Der Grünflächenanteil [in %] beschreibt den Flächenanteil der Vegetation an der Gesamtfläche eines bestimmten Raums. Geht man hierbei von der Gesamtfläche Berlins aus, so beträgt der Anteil von öffentlichen Grünflächen 12,2% sowie weiteren Wald- und Landwirtschaftsflächen von 22,3% (SenUVK 2018, S. 1). Der Grünflächenanteil Berlins liegt also bei ca. einem Drittel. Das Grünvolumen [m3; km3] beschreibt die Ausdehnung der Vegetation eines festgelegten dreidimensionalen Raums. Hierzu wird die Grundfläche einer Grünstruktur mit der mittleren Vegetationshöhe multipliziert. Beide Messgrößen können für die gesamte Fläche und für die Vegetationsschichten erhoben werden. Der Versiegelungs- und Überbauungsgrad [in%] beschreibt den Anteil der Bodenbedeckung mit festen Materialien. Es werden also unbebaut versiegelte Flächen (Fahrbahnen, Parkplätze) und bebaut versiegelte Flächen (Gebäude aller Art) unterschieden (SenSW 2017). Teilversiegelte Flächen schließt der Versiegelungsgrad ebenfalls mit ein, während der Überbauungsgrad ausschließlich den Anteil der Bebauung beschreibt. Die Gebäudehöhe [in m] gibt schließlich die mittlere Höhe der Bebauung innerhalb von Stadtvegetationsstrukturtypen an, da diese in direktem Zusammenhang mit dem Luftmassenaustauschpotential, der Wärmespeicherung sowie Wärmeemission der Baumaterialien steht (Mathey et al. 2011, S. 53 - 58).

Mit Hilfe dieser Werte können Wirkungszusammenhänge zwischen Grünstrukturen und versiegelten Strukturen im städtischen Raum besser verstanden werden und als Grundlage für etwaige Klimamodellierungen dienen. Aber auch für die Analyse und Interpretation dieser Arbeit werden einige dieser Messgrößen verwendet, um Aussagen über die Messergebnisse treffen zu können.

3 Methodisches Konzept

3.1 Beschreibung der Messkampagne

3.1.1 Messdurchführung

Die Messkampagne teilte sich in zwei verschiedene Messverfahren. Zum einen wurden an ausgewählten Bereichen (s.a. Kapitel 3.2) mit einem bestimmten Versiegelungsgrad stationäre Messungen durchgeführt. Dazu wurden die Messgeräte (s.a. Kapitel 3.1.3) an den Standorten fest installiert und zeichneten während des gesamten Untersuchungszeitraums (s.a. Kapitel 3.1.2) im Tagesgang die Lufttemperatur auf. Dabei wurden weitere Messgrößen erhoben, die zum Zwecke dieser Arbeit eher keine Bedeutung haben.

Zum anderen erfolgte die Durchführung von mobilen Messungen. Hierzu wurde eine Messroute (s.a. Kapitel 3.2.2) festgelegt, die ebenfalls Anteile mit versiegelten Bereichen sowie Bereichen mit erhöhtem Grünflächenanteil beinhaltet. Die Länge der Messroute beträgt ca. 8km mit einer Rundenzeit von durchschnittlich 1h 50min. Insgesamt wurde die Messroute zu vier verschiedenen Tageszeiten gelaufen, d.h. vormittags (10:00 - 12:00Uhr), nachmittags (13:00 - 15:00Uhr), abends (16:00 - 18:00Uhr) und nachts (21:00 - 23:00Uhr). Hierbei war das Ziel, die bodennahe Lufttemperatur während verschiedenen Strahlungssituationen zu erfassen. Um den Standort während der mobile Messroute zu erfassen, wurde der Weg mit Hilfe der App OsmAnd aufgezeichnet.

3.1.2 Untersuchungszeitraum

Der Zeitraum der Messkampagne war wegen begrenzter Verfügbarkeit der Messgeräte vom 05.08.2019 - 23.08.2019. Aufgrund des eher bewölkten Monats August gab es, bis auf einige Ausnahmen, weniger intensive Strahlungstage. Jedoch war insgesamt die Wetterlage stabil, mit wenig Niederschlag. Die mobilen Messungen starteten mit einer Testmessung ab dem 06.08.2019 und fanden während des o.g. Untersuchungszeitraums statt. Mobil wurde an ausgewählten Tagen mit erhöhter Strahlung gemessen. Insgesamt konnten so an 5 Tagen mobile Messungen stattfinden. Die genauen Tage werden später in der Datenanalyse näher betrachtet. Es sei angemerkt, dass aufgrund des erhöhten Sicherheitsrisikos Messungen während der Nachtsituation (21 - 23 Uhr) nur begrenzt möglich waren.

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