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Umweltatlas Berlin

04.10 Klimamodell Berlin - Analysekarten (Ausgabe 2009)

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Kartenbeschreibung

Nachfolgend wird eine gemeinsame Beschreibung für alle Einzelauswertungen der Modellrechnungen präsentiert. Zur schnelleren Orientierung im Text werden Verknüpfungen zu den einzelnen Schwerpunktbereichen angeboten:

Die Modellrechnungen wurden jeweils abends zur Zeit des Sonnenunterganges gestartet und bis Sonnenaufgang des darauf folgenden Tages durchgeführt. Die Zeitschnitte, zu denen die Modellergebnisse ausgelesen werden sollen, können prinzipiell frei ausgewählt werden (Minuten bis Stunden). Ausgewertet und in Form von Karten dargestellt werden für die einzelnen Klimaparameter die Zeitschnitte 22.00 Uhr und 06.00 Uhr. Der Termin 22.00 Uhr repräsentiert kurz nach Sonnenuntergang den Umschwung von der Einstrahlungs- zur Ausstrahlungssituation und steht für den Beginn einer Phase mit großer Abkühlungsdynamik in den unterschiedlich strukturierten Teilflächen im Stadtgebiet. Der 06.00 Uhr Termin steht für die maximale Abkühlung innerhalb des Stadtkörpers.

m Folgenden werden einzelne, exemplarische Ergebnisse der Modellrechnungen für das gesamte Stadtgebiet kurz dargestellt. Einen Überblick über die jeweils ausgewerteten klimatologischen Parameter gibt die Abbildung 3.

Bodennahes Temperaturfeld - Allgemeine Anmerkungen

Bei der Darstellung des bodennahen Temperaturfeldes handelt es sich um das Rastermittel der Temperatur in der bodennahen Schicht der Atmosphäre (0 - 5 m über Grund). Sind innerhalb einer Rasterzelle mehrere Landnutzungen mit unterschiedlichem Flächenanteil vorhanden, so berechnet sich die gezeigte Temperatur aus der anteilsmäßigen Wichtung. Insofern sind die simulierten Temperaturwerte nur für größere Gebiete mit einheitlicher bzw. entsprechender Landnutzung mit bodengebundenen Messwerten vergleichbar.

Ausschlaggebend für die Temperaturverteilung sind die landnutzungsabhängigen Boden- und Oberflächeneigenschaften sowie deren Wechselwirkungen mit den atmosphärischen Prozessen in der bodennahen Grenzschicht. Innerhalb des Erdbodens sind dabei Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Bedeutung. Je größer beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ist, umso schneller und tiefer kann Wärme in das entsprechende Material eindringen, aber auch wieder von diesem abgegeben werden.

Die Oberflächenbeschaffenheit natürlicher und künstlicher Flächen bestimmt über die Albedo (Reflexionsvermögen) und die Emissivität die Menge an Energie, die im kurzwelligen und im langwelligen Bereich der Strahlung für eine Erwärmung / Abkühlung zur Verfügung steht. Schließlich spielt der Turbulenzzustand der bodennahen Atmosphäre eine große Rolle bei dem Transport von fühlbarer und latenter Energie vom Erdboden weg oder zu diesem hin. Alle genannten Prozesse sind über die Energiebilanz des Erdbodens miteinander verknüpft und bestimmen die Temperatur der Oberflächen und der darüber liegenden Luftschichten.

Bodennahes Temperaturfeld

Die Temperaturverhältnisse der bodennahen Atmosphäre um 22 Uhr im Stadtgebiet sind in Karte 04.10.01 gezeigt. Aufgrund der großen Vielfalt landnutzungsbedingter Unterschiede dieser Einflussgrößen wird eine stark strukturierte räumliche Verteilung der bodennahen Temperatur simuliert. In den frühen Nachtstunden (22.00 Uhr) heben sich dabei die Hauptlandnutzungen in charakteristischer Weise gegeneinander ab.

Die Freiflächen werden tagsüber stark aufgeheizt und kühlen sich nach Sonnenuntergang ebenso stark wieder ab. Im Temperaturfeld treten vor allem die am Rand des Stadtgebietes gelegenen unbebauten, vegetationsgeprägten Freiflächen mit den geringsten Temperaturen hervor, da hier eine ungehinderte, nächtliche Wärmeausstrahlung erfolgen kann.

Die Waldflächen sind um diese Zeit noch etwa 1 K wärmer als die umgebende Flur, jedoch deutlich kälter als die bebauten Gebiete.

Urbane Gebiete heben sich deutlich durch ein insgesamt höheres Temperaturniveau von der Umgebung ab. Allerdings ist die Temperaturverteilung in den bebauten Gebieten räumlich stark differenziert, da beispielsweise Rasterzellen mit Einzelhausbebauung, Kerngebiete, Industriegebiete und Verkehrsanlagen stark unterschiedliche Boden- und Oberflächeneigenschaften aufweisen. Auch wird das im Mittel höhere Temperaturniveau durch innerstädtische Grünanlagen wie Großer Tiergarten und die Bereiche ehemaliger Flughafen Tempelhof bzw. Flughafen Tegel unterbrochen.

In Abhängigkeit von den individuellen Oberflächeneigenschaften der verschiedenen Landnutzungen kühlt sich die Erdoberfläche im Laufe der Nacht unterschiedlich stark ab, die Temperaturverteilung um 06.00 Uhr morgens zeigt die Karte Karte 04.10.02.

Während bei Wasserflächen diese Abkühlung aufgrund des guten Wärmespeichervermögens nur sehr gering ausfällt, zeigen Freiflächen wie Äcker und Wiesen einen starken Temperaturrückgang. Dies liegt in der ungehinderten, langwelligen Ausstrahlung dieser Flächen begründet, wobei der Bodenwärmestrom durch Trockenheit zusätzlich reduziert werden kann. Bei Waldflächen schützt das Kronendach die darunter liegende bodennahe Atmosphäre vor einer starken Abkühlung; daher heben sich Wälder in der Temperaturverteilung als relativ warme Gebiete hervor.

In den urbanen Bereichen wird die Abkühlung durch die vorhandenen wärmespeichernden Materialien wie Beton und Stein deutlich reduziert. Zum einen trägt die tagsüber gespeicherte Wärmemenge dazu bei, dass die Temperatur nicht so stark zurückgeht. Zum anderen werden durch die niedrigen Windgeschwindigkeiten turbulenter und latenter Wärmestrom reduziert, die den Abtransport wärmerer Luft bewerkstelligen könnten. Die Stadtgebiete bleiben somit insgesamt wärmer. Während der Temperaturunterschiede zum unbebauten Umland in den Abendstunden typischerweise 2 K beträgt, wächst dieser Wert bis in die frühen Morgenstunden auf 6 K an. Diese großen horizontalen Unterschiede werden im Bereich der innerstädtischen Freiflächen nicht ganz erreicht. Hier macht sich die Nachbarschaft zu den relativ warmen bebauten Gebieten bemerkbar.

Luftaustausch und Luftmassenstrom als Kriterien klimatischer Ausgleichsleistungen

Die gute Durchlüftung von Siedlungsgebieten kann zum Abbau von humanbiometeorologischen Belastungen führen (vgl. Moriske und Turowski 2002). So kann in den Nachtstunden durch das Heranführen kühlerer Luft aus dem Umland das Temperaturniveau der in der Stadt lagernden wärmeren Luftmassen gesenkt werden, was zu einem Abbau der Wärmebelastung des Menschen in den Sommermonaten führt. Ist diese herangeführte kühlere Luft mit Luftschadstoffen unbelastet (Frischluft), so führt die Durchlüftung gleichzeitig auch zu einer Verbesserung der lufthygienischen Situation.

Zur Beurteilung der Durchlüftungssituation ist folglich die geeignete Zuordnung von Belastungsräumen und Ausgleichsräumen, die die entsprechende unbelastete Luft zur Verfügung stellen, sowie ein Zirkulationssystem, welches einen Luftmassentransport bewerkstelligen kann, notwendig.

Klimaökologische Ausgleichswirkungen gehen von den unbebauten Arealen aus, die in das Stadtgebiet eingestreut sind. Sie sind durch einen hohen Vegetationsanteil sowie einem geringen Versiegelungsgrad von weniger als 20 % charakterisiert und verbessern die lokalklimatische Situation selbst in den dicht bebauten Kernbereichen Berlins (vgl. Karte 04.10.03 bis Karte 04.10.06).

Die Ausgleichsleistung wird über thermisch und/oder orographisch induzierte Strömungssysteme erbracht. Um die Freiflächen, die benachbarte bebaute Bereiche mit Frisch-/Kaltluft versorgen, zu identifizieren und sie den unterschiedlichen Austauschprozessen zuordnen zu können, werden nachfolgende Abgrenzungskriterien verwendet. Bei klimaökologisch relevanten Freiflächen sollten die eigenbürtigen Ausgleichsströmungen mindestens eine Geschwindigkeit von 0,2 m/s während einer austauscharmen, sommerlichen Strahlungswetternacht erreichen. Die Ausgleichströmungen können als Hang- oder Talwinde bezeichnet werden, wenn Hang- bzw. Talbodenneigungen von > 1° auftreten. Thermisch induzierte Strömungssysteme sind in den nahezu ebenen Arealen zu finden (vgl. Abbildung 6).

Abbildung 6
Abb. 6: An Kaltluftentstehung bzw. Kaltluftabfluss beteiligte Grünflächen bzw. grünbestimmte Siedlungsräume im Stadtgebiet Berlin während einer austauscharmen sommerlichen Strahlungswetternacht (22.00 Uhr; Rasterauflösung 50 m)

Bedeutsame Ausgleichsleistungen sind von den großen zusammenhängenden Wald- und Parkflächen zu erwarten, die vor allem in den Randbereichen Berlins flächenhaft verbreitet sind. Aufgrund der hohen Abkühlungsraten in den Abend- und Nachtstunden sind diese Bereiche als wichtige Kaltluftliefergebiete anzusprechen. Tabelle 1 zeigt die prozentualen Flächenanteile im Stadtgebiet, die an der Bildung von Flurwinden sowie Kaltluftabflüssen beteiligt sind:

Tab. 1: Anteil der an der Ausbildung autochthoner Strömungssysteme beteiligten Flächen im Stadtgebiet.
Prozess
Flächenanteile in %
22.00 Uhr
Flächenanteile in %
06.00 Uhr
Thermisch induzierte
Strömungssysteme
24,2
37,2
Orographisch induzierte
Strömungssysteme
4,7
5,0
Tab. 1: Anteil der an der Ausbildung autochthoner Strömungssysteme beteiligten Flächen im Stadtgebiet. Unterschieden werden thermisch und orographisch (reliefbedingt) induzierte Strömungssysteme

Somit sind, beide Prozesse zusammengenommen, am Beginn einer Strahlungsnacht ca. 30 % des Stadtgebietes an der Ausbildung von Ausgleichsströmungen beteiligt, wobei der Flächenanteil im Verlauf der Nacht von 28,9 % um 22.00 Uhr auf 42,2 % um 06.00 Uhr morgens zunimmt. Diese Zunahme ist darauf zurückzuführen, dass weitere unbebaute Flächen insbesondere im Nordosten Berlins sowie im Umfeld des Müggelsees und des Grunewaldes an der Kaltluftbildung teilnehmen.

Die Folge ist, dass zum frühen Morgen zwar eine größere unbebaute Fläche an der Kaltluftentstehung mit einer Strömungsgeschwindigkeit > 0,2 m/s beteiligt ist, diese sich im Vergleich zum Zeitpunkt 22.00 Uhr jedoch auf einem etwas niedrigeren Niveau abspielt. Bei einem Vergleich der mittleren Luftaustauschrate aller Rasterzellen des gesamten Stadtgebietes fällt auf, das der mittlere Zellenwert von 14,4 (22.00 Uhr) auf 17,4 (06.00 Uhr) ansteigt. Im Gegenzug sinkt der maximale Zellenwert von 93,14 auf 90,58 ab. Insofern nimmt die mittlere Luftaustauschrate zwar insgesamt zu, die Höchstwerte des 22.00 Uhr Zeitschnittes bzw. die Intensität des Luftaustausches werden jedoch durch die zunehmende Nivellierung der Temperaturunterschiede nicht mehr erreicht.

Die Ausgleichsleistung der Freiflächen erreicht große Teile der Siedlungsräume in Berlin. Eine Bilanzierung für das Stadtgebiet ergibt:

  • Etwa 37 % der überbauten Flächen wird zum Zeitschnitt 22.00 Uhr von autochthonen Strömungen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,2 m/s erreicht bzw. durchdrungen.
  • Die Ausgleichsleistung der Freiflächen steigt aufgrund der Intensivierung der Kaltluftlieferung umlandbezogener Strömungssysteme im Laufe der Nacht auf eine räumliche Abdeckung von ca. 63 % der durch Bebauung geprägten Stadtareale (Zeitschnitt 06.00 Uhr).
  • Gleichzeitig verringert sich die Kaltluftlieferung der meisten innerstädtischen Grün- und Freiflächen. Dies ist darauf zurück zu führen, dass sie in eine wärmere Umgebung eingebettet sind und die Abkühlung im Verlauf der Nacht weniger stark ausgeprägt ist als die der Flächen des Umlandes.

Durch die enge Verzahnung von bebauten Bereichen und Freiflächen weist Berlin insgesamt ein hohes klimaökologisches Ausgleichspotential auf. Kaltluftabflüsse haben daran aber aufgrund des meist flachen Reliefs einen vergleichsweise geringen Anteil. Sie treten flächenhaft vor allem in den folgenden Bereichen auf:

  • Östliches Havelufer entlang des Grunewaldes
  • Ostflanke des Grunewaldes
  • Südlich des Großen Müggelsees im Berliner Stadtforst Bürgerheide.

Als Leitbahnen für den Kaltlufttransport fungieren große, linear ausgeprägte Freiflächen mit einer verhältnismäßig geringen Oberflächenrauigkeit. Hinsichtlich dieser Funktion sind drei Bereiche des Havel- bzw. Spreetals als bedeutsam zu nennen. Zum einen der Havelabschnitt zwischen Pichelsee und Ruhlebener Straße, der auf einer Länge von ca. 3 km Kaltluft nach Norden in den Stadtteil Spandau führt. Zum anderen tritt der Rummelsburger See als Teil der Spree hervor, über den Kaltluft von Alt-Treptow und vom Plänterwald aus nach Rummelsburg strömt. Darüber hinaus ist noch ein Abschnitt der Dahme entlang von Grünauer- und Regattastraße zu nennen. Diese Ergebnisse decken sich mit den Befunden eines Gutachten des Deutschen Wetterdienstes (DWD 1996).

Aufgrund der wenig ausgeprägten Orographie sind solch relieforientierte Luftleitbahnen aber eher selten. Ein wesentlicher Beitrag der Niederungsbereiche von Fließgewässern zum Transport von Kaltluft aus dem Berliner Umland in das Stadtgebiet ist nicht zu erkennen, vielmehr treten nur Teile der Flusstäler innerhalb des Stadtgebietes als Leitbahnen in Erscheinung.

Als Beispiele für die Ausgleichsleistung von Freiflächen werden unter Kartenbeschreibung / ergänzende Hinweise 3 Standorte ausführlich dargestellt, um die Dynamik des Kaltlufthaushaltes im Grenzbereich von kaltluftproduzierender Freifläche zur Bebauung zu verdeutlichen.

Abschließend soll auf den Kaltlufthaushalt Berlins als Ganzes eingegangen werden. Dazu wird der Luft-Massenstrom herangezogen, wobei ausgehend von den 22.00 Uhr Werten die Kaltluftbewegung in einer Nacht von 8 Stunden quantifiziert wird. Somit werden im Stadtgebiet Berlin in einer austauscharmen, sommerlichen Strahlungswetternacht 2,3 Billionen m³ Kaltluft bewegt. Dies entspricht einem stündlichen Durchsatz von 0,29 Billionen m³. Welche Kaltluftmengen in den einzelnen Stadtteilen bewegt werden, zeigt Tabelle 2.

Tab. 2: Kaltluftvolumenstrom in den Berliner Bezirken während einer sommerlichen Strahlungswetternacht
Bezirk Massenstrom in Mrd. m³
pro Nacht von 8 h
Friedrichshain-Kreuzberg 42,93
Mitte 82,27
Neukölln 86,94
Tempelhof-Schöneberg 118,03
Lichtenberg 126,76
Marzahn-Hellersdorf 131,96
Charlottenburg-Wilmersdorf 212,01
Pankow 249,84
Spandau 250,01
Reinickendorf 257,87
Steglitz-Zehlendorf 308,83
Treptow-Köpenick 450,38
Tab. 2: Kaltluftvolumenstrom in den Berliner Bezirken während einer sommerlichen Strahlungswetternacht

Die stadtteilbezogenen Ergebnisse entsprechen den Erwartungen hinsichtlich Größe und Lage innerhalb des Stadtgebietes. Dabei zeigt sich, dass die Kernbereiche wie Friedrichshain - Kreuzberg sowie Mitte mit einem hohen Bebauungs- und Versiegelungsgrad einen vergleichsweise schwachen Massenstrom aufweisen. Anders ist die Situation in Stadtteilen wie Pankow, Reinickendorf oder Köpenick.

Zwar sind auch hier verdichtete Areale in Richtung auf das Stadtzentrum vorhanden, dies wird jedoch durch die großen, unbebauten Flächen im Verzahnungsbereich zum Umland wieder ausgeglichen. In den nicht überbauten, kaltluftbildenden Bereichen in den Randbezirken ist deshalb der größte Beitrag zum Kaltluftmassenstrom zu sehen.

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