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Umweltatlas Berlin

04.10 Klimamodell Berlin - Analysekarten (Ausgabe 2016)

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Methode

Eine wichtige Ursache für die Entstehung und die Ausbildung eines Stadtklimas sind die gegenüber dem Umland veränderten Boden- und Oberflächeneigenschaften im urbanen Raum. Daraus resultiert die städtische Überwärmung genauso wie eine städtische Lokalwindzirkulation. Wind und Temperatur sowie daraus abgeleitete Größen sind die dominierenden Einflussfaktoren zur Bewertung des Stadtklimas unter human-biometeorologischen und lufthygienischen Gesichtspunkten.

Die Untersuchung und Erfassung des Stadtklimas kann mit Hilfe verschiedener Methoden erfolgen. Hierzu zählen Feldmessungen und Fernerkundungsverfahren genauso wie Windkanalstudien und die Anwendung numerischer Simulationsmodelle.

Gerade numerische Simulationsmodelle sind in vorteilhafter Weise in der Lage, die aufgrund der großen Komplexität der Bebauungsstrukturen räumlich und zeitlich sehr stark veränderlichen meteorologischen Größen zu erfassen.

Die detaillierte Berechnung der Wind- und Temperaturverhältnisse im Großraum Berlin wurde auch in dieser Aktualisierung mit dem fortgeschriebenen Modell FITNAH (Flow over Irregular Terrain with Natural and Anthropogenic Heat Sources) durchgeführt. Eine genaue mathematische und physikalische Beschreibung des Modells ist bei Groß 1993 und Richter & Röckle o.J. zu finden. In diesen Quellen können weitere detaillierte Hinweise zu Grundgerüst und Arbeitsansatz des dreidimensionalen Modells FITNAH sowie zur Interpretation der Modellergebnisse anhand eines beispielhaften Vergleiches mit Messdaten unter Methode / ergänzende Hinweise eingesehen werden.

Generell gilt, dass numerische Simulationsmodelle in sehr vielen Gebieten der Meteorologie eingesetzt werden, da die resultierenden Erkenntnisse wichtige Basisinformationen für viele Lebensbereiche liefern. Die Wettervorhersage für die nächsten 1-5 Tage wird fast ausschließlich von solchen komplexen und umfangreichen Computermodellen erstellt. Auch die Erkenntnisse zu den möglichen Veränderungen unseres globalen Klimas in den nächsten Jahrzehnten resultieren aus solchen Rechnungen. Und schließlich werden Modelle ähnlichen Typs auch dazu verwendet, die lokalen und die regionalen Verteilungen der meteorologischen Variablen in der Atmosphäre zu berechnen (Groß 2002).

Unabhängig von den jeweiligen Maßstabsebenen und Aufgabenstellungen basieren alle Modelle auf dem gleichen mathematisch-physikalischen Gleichungssystem. Lediglich im Detail finden sich skalenspezifische Unterschiede.

Meteorologische Rahmenbedingungen für die Modellberechnung

Neben den modellinternen Festsetzungen spielen die meteorologischen Randbedingungen eine große Rolle. Im Rahmen des Gesamtprojektes wurden mit dem mesoskaligen Klimamodell FITNAH zwei Modellläufe für eine hochsommerliche Wetterlage mit einer horizontalen Auflösung von 10 m durchgeführt. Der erste Modelllauf basiert auf einer in Berlin während der Sommermonate relativ häufig auftretenden allochthonen Westwindwetterlage. Der zweite Modelllauf basiert auf einer für stadtklimatische Analysen regelmäßig verwendeten autochthonen Wetterlage ohne übergeordneten Windeinfluss. Aus den resultierenden meteorologischen Feldern wurden zusätzlich noch räumlich differenzierte Daten für verschiedene klimatologische Kenntage abgeleitet. Insgesamt stehen also drei sich ergänzende flächendeckende Datensätze zur Verfügung.

Während Hochdruckwetterlagen (autochthone Wetterlagen) können sich die lokalklimatischen Besonderheiten einer Landschaft besonders gut ausprägen. Eine solche Wetterlage wird durch wolkenlosen Himmel und einen nur sehr schwachen überlagernden synoptischen Wind gekennzeichnet. Bei den hier durchgeführten numerischen Simulationen wurden die großräumigen synoptischen Rahmenbedingungen entsprechend festgelegt:

  • Bedeckungsgrad 0/8
  • kein überlagernder geostrophischer Wind
  • relative Feuchte der Luftmasse 50 %
  • 19 °C Lufttemperatur um 21:00 Uhr über unbeeinflusstem Freiland.

Die vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten bei einer austauscharmen Wetterlage bedingen einen herabgesetzten Luftaustausch in der bodennahen Luftschicht. Bei gleichzeitiger hoher Ein- und Ausstrahlung können sich somit lokal humanbiometeorologische und lufthygienische Belastungsräume ausbilden. Charakteristisch für diese (Hochdruck-) Wetterlage ist die Entstehung eigenbürtiger Kaltluftströmungen (Flurwinde), die durch den Temperaturgradienten zwischen kühlen Freiflächen und wärmeren Siedlungsräumen angetrieben werden.


Abb. 6: Temperaturverlauf und Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit zur Mittagszeit für verschiedene Landnutzungen

Berechnete Parameter und Kennwerte, abschließende Klimaanalysekarte

Im Rahmen der Analysephase des Projektes wurde eine Vielzahl an meteorologischen Parametern zu drei Zeitpunkten berechnet. Neben der Tagsituation (14:00 Uhr) wurden auch der Abend sowie der frühe Morgen zu den Zeitschnitten 22:00 Uhr und 04:00 Uhr simuliert. Die betrachteten Höhenniveaus liegen bei 2 m und 22 m über Grund.

Für den Analyseteil 04.10 liegen Rasterkarten und blockbezogene Karten vor, in denen sowohl Einzelparameter als auch meteorologische Kenntage als Flächenmittelwerte dargestellt werden. Die zusammenfassende Klimaanalysekarte 04.10.07 bildet den Abschluss des Analyseteils als ein Hauptergebnis der Untersuchung (vgl. Kartenbeschreibung).

Ermittlung der Kenntage im Stadtgebiet (04.10.06)

Als "Klimatologischer Kenntag" wird ein Tag bezeichnet, an dem ein festgelegter Schwellenwert eines meteorologischen Parameters erreicht oder überschritten wird. Im Kontext mit dem Thema Stadtklima sind vor allem die folgenden Kenntage relevant, da sie eng mit dem Auftreten bioklimatischer Belastungen in Siedlungsräumen verknüpft sind:

  • Sommertage (Maximumtemperatur ≥ 25 °C)
  • Hitzetage (Maximumtemperatur ≥ 30 °C)
  • Tropennächte (Minimumtemperatur ≥ 20 °C)

Die langjährigen Messungen von Klimaparametern (SenStadtUm 2015a) zeigen an Sommertagen für die verschiedenen Messstandorte im Stadtgebiet eine charakteristische Verteilung der Minimum- und Maximumtemperaturen. Die Verteilung spiegelt das unterschiedliche Wärmeverhalten der Stadt wider, das sich aus den verschiedenen Nutzungsstrukturen aber auch aus der Lage eines Standortes innerhalb des Stadtgebietes als Ganzes ergibt. Die räumliche Lage innerhalb der Stadt bestimmt so bei sonst vergleichbarer Nutzung inwieweit ein Standort von der kühleren Umgebung profitieren kann oder im Einfluss überwärmter angrenzender Stadtteile steht. Eine Freifläche im Einfluss der städtischen Wärmeinsel wird einen geringeren Tagesgang zeigen als eine vergleichbare Fläche außerhalb der Stadt. Da das absolute Niveau der sommerlichen Temperatur in erster Linie von der vorherrschenden Wetterlage bestimmt wird und nur eine Modifikation durch die Lage des Standortes im Stadtgebiet erfolgt, lassen sich auf Grundlage der charakteristischen Temperaturdifferenzen Rückschlüsse von den gemessenen Temperaturen eines Standortes auf das Niveau an einem anderen Standort ziehen.

Das überschreiten festgelegter Werte der Tagesminima- bzw. Maxima bestimmen das Auftreten der sogenannten Kenntage. Da gerade die Tagesextrema und ebenso die zeitgleich gemessenen Temperaturdifferenzen der Stationen untereinander eine charakteristische Verteilung zeigen, kann durch Kenntnis der Temperaturdifferenz zu einem Referenzstandort ermittelt werden, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass es auch dort zum überschreiten der Schwellenwerte kommt. Bei Kenntnis der Häufigkeiten der Kenntage pro Jahr an einem Referenzstandort können somit die Häufigkeiten an einem anderen Standort abgeschätzt werden.

Bezugsgeometrie für die Ausweisung der Kenntage ist die Blockkarte 1:5.000 (ISU5_UA 2010), für die über statistische Verfahren die darin auftretenden rasterbasierten Temperaturwerte der Modellsimulation berechnet wurden. In einem weiteren Schritt wurden die Temperaturdifferenzen zu den für die DWD-Station Tempelhof berechneten Werten bestimmt (Messzeitraum 2001 bis 2010). Auf Grundlage dieser Temperarturdifferenzen und des funktionalen Zusammenhangs zwischen den Temperaturdifferenzen und den auftretenden Häufigkeiten der Kenntage können diese flächendeckend auf das Stadtgebiet interpoliert werden.

Klimaanalysekarte (04.10.07)

Die im Rahmen der Anwendung des Klimamodells FITNAH gewonnenen Ergebnisse haben zu einer umfassenden aktuellen Bestandsaufnahme der klimatischen Situation im Stadtgebiet und im näheren Umland geführt. Entsprechend der VDI-Richtlinie 3787, Blatt 1 stellt die Klimaanalysekarte "die räumlichen Klimaeigenschaften einer Bezugsfläche dar, die sich aufgrund von Flächennutzung und Topografie einstellen. Dargestellt werden die thermischen, dynamischen sowie lufthygienischen Verhältnisse. Anmerkung: Die Klimaanalysekarte beinhaltet und ersetzt die ehemalige synthetische Klimafunktionskarte" (VDI 2015).

Dieser Neustrukturierung der thematischen Ausrichtung und Benennung zur Erstellung von Klimakarten folgt auch die aktuelle Darstellung im Umweltatlas, indem die bisherige Klimafunktionskarte 04.11.1 als Teil der Bewertungskarten (SenStadt 2009a) durch die jetzige Klimaanalysekarte als Abschluss des analytischen Kartenteils ersetzt wird.

Ziel der Karte ist es, die Bereiche der Stadt nach ihrer unterschiedlichen klimatischen Funktion, d.h. ihrer Wirkung auf andere Räume abzugrenzen. Ausgangspunkt ist die Gliederung des Untersuchungsraumes in bioklimatisch und/oder lufthygienisch belastete Siedlungsräume (Wirkungsraum) einerseits und kaltluftproduzierende, unbebaute und vegetationsgeprägte Flächen andererseits (Ausgleichsraum). Sofern diese Räume nicht unmittelbar aneinander grenzen und die Luftaustauschprozesse stark genug ausgeprägt sind, können linear ausgerichtete, gering überbaute Freiflächen (Luftleitbahnen) beide miteinander verbinden. Aus der gegenseitigen Abgrenzung von Gunst- und Ungunsträumen sowie den verbindenden Strukturen ergibt sich somit ein komplexes Bild vom Prozesssystem der Luftaustauschströmungen des Ausgleichsraum-Wirkungsraum-Gefüges.

Die abzugrenzenden klimatischen Funktionsräume sollen Aussagen darüber liefern, in welchen Gebieten

  • einerseits ein Potential zur Entlastung anderer (angrenzender und auch weiter entfernter) Räume vorhanden ist,
  • andererseits über den großräumigen Einfluss hinaus die stärksten Zusatzbelastungen zu erwarten sind,
  • bevorzugt Luftaustauschbereiche anzunehmen sind, d.h. eine wichtige Rolle für den bodennahen Frischlufttransport übernommen wird.

Im Folgenden werden die einzelnen Legendeneinheiten erläutert.

Als kaltluftproduzierende Bereiche gelten vegetationsgeprägte Freiflächen wie Wälder, Parkanlagen und Kleingartenflächen, welche entsprechend ihrer Nutzung als "Grünflächen" dargestellt sind. Für die Charakterisierung ihrer klimatischen Ausgleichsleistung wird in der Klimaanalysekarte der Kaltluftvolumenstrom herangezogen. Er drückt den Zustrom von Kaltluft aus den benachbarten Rasterzellen in m³/s pro 10 m Rasterzelle aus (Karte 04.10.01).

Die Grünflächenanteile, welche einen klimaökologisch wirksamen Kaltluftvolumenstrom von mehr als 90 m³/s aufweisen, sind mit einer Schraffur hervorgehoben. Damit wird deutlich, welche Flächenanteile einer Grünfläche als klimatisch besonders relevant anzusehen sind.

Die Reichweiten der Entlastungswirkungen werden in der Klimaanalysekarte als Einwirkbereiche der Kaltluftentstehungsgebiete bezeichnet. Diese sind als Fortsetzung des von den Grün- und Freiflächen ausgehenden Kaltluftvolumenstroms in die Siedlungsflächen anzusehen. Hier liegen häufig eine gute Durchlüftung sowie ein tendenziell geringer Wärmeinseleffekt vor.

Eine (positiv) klimarelevante Bebauung weist einen Gesamtversiegelungsgrad von durchschnittlich weniger als 30 % auf. Aufgrund ihrer klimatisch günstigen Eigenschaften weisen diese Gebiete eine mehr oder weniger starke eigene Kaltluftentstehung auf und begünstigen das Einwirken nächtlicher Kaltluft in Richtung auf weiter entfernte Siedlungsareale.

Die Darstellung des Wärmeinseleffekts in den Siedlungsflächen und im Straßenraum veranschaulicht die thermische Situation im Stadtgebiet während der Nachtstunden. Grundlage dafür ist die jeweilige mittlere nächtliche Lufttemperatur pro Fläche um 04:00 Uhr, wobei der Wert gemittelt über alle Flächen 17,8 °C beträgt. Die Abgrenzung der Bewertungsklassen orientiert sich am in der VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1 (VDI 2008) beschriebenen Verfahren zur Z-Transformation, welches das lokale/regionale Werteniveau einer Analyse zugrunde legt und die Abweichung eines Parameters von den mittleren Verhältnissen in einem Untersuchungsraum bewertet. Anders als in der Planungshinweiskarte steht die räumliche Ausprägung des nächtlichen Wärmeinseleffektes im Vordergrund, so dass hier die Blockflächen mit einer Überschreitung des Flächenmittelwertes differenzierter dargestellt werden (Z-Wert < 0). In der Planungshinweiskarte werden die Siedlungsflächen mit einem Z-Wert ≤ 0 als bioklimatisch günstig bewertet.

Tab. 1: Bewertung des nächtlichen Wärmeinseleffekts in Siedlungsflächen und im Straßenraum Berlins während sommerlichen Strahlungswetterlagen
Mittlerer Z-Wert der Lufttemperatur um 04:00 Uhr pro Fläche Spannweite der mittleren Lufttemperatur um 04:00 Uhr pro Kategorie Bewertung
≤ 0 14,5 °C bis 17,8 °C Nicht vorhanden
> 0 bis ≤ 1 > 17,8 °C bis 18,7 °C Schwach
> 1 bis ≤ 2 > 18,7 bis < 19,5 °C Mäßig
> 2 ≥ 19,5 °C bis < 21,3 °C Stark
Tab. 1: Bewertung des nächtlichen Wärmeinseleffekts in Siedlungsflächen und im Straßenraum Berlins während sommerlichen Strahlungswetterlagen

Dies entspricht einem Temperaturwert von weniger als 17,8 °C, bei dem keine nächtliche Überwärmung vorliegt. Dem stehen die Siedlungs- bzw. Straßenflächen mit einem Mittelwert von mehr als 19,5 °C gegenüber, welcher als starker Wärmeinseleffekt eingeordnet wird. Dies entspricht einer überwärmung um mehr als 1,7 Kelvin (K).

Dem bodennahen Luftaustausch dienen linien- und flächenhafte Verbindungen unterschiedlicher Ursache und Ausprägung. Leitbahnen verbinden Kaltluftentstehungsgebiete (Ausgleichsräume) und Belastungsbereiche (Wirkungsräume) miteinander und sind somit elementarer Bestandteil des Luftaustausches. Unter Berücksichtigung des Prozessgeschehens, wurden in den Karten vier unterschiedliche Luftaustauschtypen herausgearbeitet:

  • Kaltluftleitbahn, vorwiegend thermisch induziert,
  • Kaltluftleitbahn, vorwiegend orographisch induziert (z.B. kleinere Flussniederungen),
  • Flächenhafter Kaltluftabfluss auf Hangbereichen (bei Hangneigungen > 1 °),
  • Großräumige Luftleit- und Ventilationsbahnen (Niederungen größerer Fließgewässer).

Die Ausweisung der Kaltluftleitbahnen orientiert sich am autochthonen Strömungsfeld der FITNAH-Simulation. Bei den ausgewiesenen Leitbahnen handelt es sich, mit Ausnahme der Flussniederungen, um vegetationsgeprägte Flächen mit einer linearen Ausrichtung auf Wirkungsräume.

Um die Areale mit Hangneigungen > 1 ° zu kennzeichnen, auf denen ein flächenhafter Kaltluftabfluss stattfindet, wurde mit dem in FITNAH 3D eingesetzten Geländehöhenmodell eine Reliefanalyse durchgeführt.

Zur Darstellung der verkehrsbedingten Luftbelastung wurden die Daten der Umweltatlas Karte 03.11.2 Verkehrsbedingte Luftbelastung nachrichtlich übernommen (SenStadtUm 2011). In der Karte sind mit Feinstaub (PM10) und Stickstoffdioxid (NO2) die beiden zentralen verkehrsbedingten Luftschadstoffe zu einem Immissionsindex verknüpft worden.

Die Signatur Windfeldveränderungen kennzeichnet Siedlungsflächen mit Potenzial zu erhöhter Böigkeit und plötzlicher Windrichtungsänderung. Dabei handelt es sich um die Flächentypen Kerngebiete und Großsiedlungen, von deren Bebauung entsprechende Effekte auf das Windfeld ausgehen können.

Darüber hinaus werden in der Klimaanalysekarte auch Lärmschutzeinrichtungen dargestellt, welche nachrichtlich aus der Lärmkartierung übernommen wurden (SenStadt 2013a). Deren Relevanz für die klimatischen Funktionen ergibt sich aus der Tatsache, dass es sich um Strukturen handelt, welche z.T. mehrere Meter Höhe aufweisen können. Daraus ergibt sich ein potenzieller Einfluss auf nächtliche Kaltluftströmungen. Die Kenntnis über deren Lage stellt eine wichtige Zusatzinformation bei der Beurteilung der Luftaustauschprozesse dar, da Lärmschutzwände nicht explizit im Modell berücksichtigt werden konnten.

Verifizierung der Ergebnisse des Klimamodelles FITNAH

Zur Überprüfung der aus den Modellläufen abgeleiteten Informationen wurde auf eine Studie zu den lokalklimatischen Funktionen der Freiflächen im Bereich des Gleisdreieckes in Berlin-Schöneberg zurückgegriffen.

Anhand eines umfangreichen Vergleiches wurden die Messergebnisse der Studie mit den Simulationsresultaten der Modellanwendung verglichen.

Im Ergebnis dieses Vergleiches kann eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Messkampagne und der Modellierung des lokalen Strömungsfeldes mit FITNAH in der Region Gleisdreieck festgestellt werden.

Die eigenbürtigen, lokalen Strömungsphänomene, die durch die Modellrechnung postuliert werden, können zum großen Teil über die Messungen belegt werden. Angaben zur Strömungsrichtung und -geschwindigkeit liegen in den gleichen Größenordnungen. Die relevanten Luftaustauschprozesse - kleinräumige, orographisch bedingte Kaltluftabflüsse aus dem Viktoriapark/Kreuzberg und thermisch induzierte Ausgleichsströmungen zwischen den Freiflächen des Gleisdreiecks und der angrenzenden Bebauung - werden qualitativ und quantitativ gleich erfasst und dargestellt (vgl. Vogt 2002a, S. 26 ff). Eine eher regional geprägte Ausgleichsströmung zwischen der Berliner Innenstadt und dem Umland kann hingegen durch beide methodischen Ansätze nicht belegt werden (vgl. Methode / ergänzende Hinweise).

Ansatz, Datengrundlagen und Methode des zur Aktualisierung der Klimadaten eingesetzten Verfahrens stellen auf eine größtmögliche, gleichzeitig flächendeckende Detailliertheit der resultierenden Aussagen ab. Aufgrund der dynamischen Entwicklung in der Stadt ändern sich jedoch die Ausgangsvoraussetzungen für die Bewertung auf einzelnen Flächen schneller als der mögliche Fortschreibungszyklus der Karten im Umweltatlas. Es wird daher empfohlen, die Überlagerungsfunktion mit den jeweils aktuellen Luftbildern im Geoportal für eine Flächenkontrolle sowie zum Vergleich mit den Sachdaten der Analysekarten zu nutzen. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Verwendbarkeit der Bewertungsergebnisse ziehen.

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