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Umweltatlas Berlin

04.10 Klimamodell Berlin - Analysekarten (Ausgabe 2016)

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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:

  • 04.10.01 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstrom (22:00 Uhr und 04:00 Uhr)
  • 04.10.02 Lufttemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)
  • 04.10.03 Strahlungstemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)
  • 04.10.04 Nächtliche Abkühlung zwischen 22:00 und 04:00 Uhr
  • 04.10.05 Bewertungsindex Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET)
  • 04.10.06 Anzahl meteorologischer Kennwerte im Mittel der Jahre 2001-2010
    • Anzahl der Sommertage
    • Anzahl der Hitzetage
    • Anzahl der Tropennächte
  • 04.10.07 Klimaanalysekarte

Innerhalb der genannten Themen werden als weitere Differenzierungen in den Karten die unterschiedlichen räumlichen Strukturen (Raster, Block) sowie die verschiedenen Zeitpunkte und Höhenschnitte getrennt voneinander abgebildet. Diese unterschiedlichen Informationen sind je Thema über die Ebenenschaltung des Geoportals (Ebenenschaltung) wählbar.

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 die einzelnen Klimaparameter zu verschiedenen prägnanten Zeitpunkten (MEZ), die Rückschlüsse auf klimatische Funktionen und Bedeutungen zulassen.

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 04:00 Uhr Termin steht für die maximale Abkühlung innerhalb des Stadtkörpers in einer hochsommerlichen Strahlungsnacht. Beide Zeitpunkte sind daher vor allem für die Charakterisierung des nächtlichen Luftaustausches relevant. Der Zeitschnitt 14:00 Uhr ist darüber hinaus für die Beurteilung der bioklimatischen Situation am Tage geeignet, da zu diesem Zeitpunkt sowohl die solare Einstrahlung und in ihrer Folge auch die Lufttemperaturen stark ausgeprägt sind. Der Zeitpunkt 14:00 Uhr als Auswertezeit war darüber hinaus auch notwendig für die in der aktuellen Fassung der Planungshinweiskarten neu einbezogene Bewertung der bioklimatischen Belastungen während des Tages (SenStadtUm 2016).

Die Analysekarten 04.10.01 bis 04.10.05 liegen sowohl rasterbasiert als auch in blockbezogener Form vor. Dabei wird der statistische, nicht gewichtete Mittelwert aller den Block bzw. die Blockteilfläche schneidenden Rasterzellen dargestellt. Die meteorologischen Kenntage (Karte 04.10.06) sowie die Klimaanalysekarte (Karte 04.10.07) liegen hingegen nur blockbezogen vor, da diese nicht direkt modelliert, sondern aus den rasterbasierten Ergebnissen der Klimamodellierung abgeleitet wurden.

Im Folgenden werden einzelne, exemplarische Ergebnisse der Modellrechnungen für das gesamte Stadtgebiet kurz dargestellt.

Im Kapitel Kartenbeschreibung / ergänzende Hinweise erfolgt eine differenzierte Erläuterung anhand eines Ausschnittgebietes im Bereich Charlottenburg-Wilmersdorf.

Karte 04.10.01 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstrom (22:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Die gute Durchlüftung von Siedlungsgebieten kann zum Abbau von humanbiometeorologischen Belastungen führen (vgl. Moriske, H.-J., Turowski, E. 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 den Luftmassentransport bewerkstelligen kann, notwendig.

Die bodennahe Temperaturverteilung bedingt horizontale Luftdruckunterschiede, die wiederum Auslöser für lokale thermische Windsysteme sind. Ausgangspunkt dieses Prozesses sind die nächtlichen Temperaturunterschiede, die sich zwischen Siedlungsräumen und vegetationsgeprägten Freiflächen einstellen. An den geneigten Flächen setzt sich abgekühlte und damit schwerere Luft in Richtung zur tiefsten Stelle des Geländes in Bewegung. So entstehen an den Hängen die nächtlichen Kaltluftabflüsse (u.a. Mosimann, T. et al. 1999). Die Windgeschwindigkeit dieses kleinräumigen Phänomens wird in erster Linie durch das Temperaturdefizit zur umgebenden Luft und durch die Neigung des Geländes bestimmt.

Neben den orographisch bedingten Strömungen mit Kaltluftabflüssen bilden sich auch so genannte Flur-/Strukturwinde, d.h. eine direkte Ausgleichsströmung vom hohen zum tiefen Luftdruck aus. Sie entstehen, wenn sich stark überbaute oder versiegelte Gebiete stärker erwärmen als umliegende Freiflächen, und dadurch ein thermisches Tief über den urbanen Gebieten entsteht. Der resultierende Druckgradient kann daraufhin durch einströmende kühlere Luftmassen aus dem Umland ausgeglichen werden (u.a. Kiese, O. et al. 1992). Für die Ausprägung dieser Strömungen ist es wichtig, dass die Luft über eine gewisse Strecke beschleunigt werden kann und nicht durch vorhandene Hindernisse wie Bebauung abgebremst wird. Die Flur-/ Strukturwinde sind eng begrenzte, oftmals nur schwach ausgeprägte Strömungsphänomene, die bereits durch einen schwachen überlagernden Wind überdeckt werden können. Ihre Geschwindigkeit liegt meist unterhalb von 0,2 m/s (Mosimann, T. et al. 1999).

Die landnutzungstypischen Temperaturunterschiede beginnen sich schon kurz nach Sonnenuntergang herauszubilden und können die ganze Nacht über andauern. Dabei erweisen sich insbesondere Wiesen- und Ackerflächen als kaltluftproduktiv. Abhängig von den Oberflächeneigenschaft und Abkühlungsraten geht damit die rasche Entwicklung von Kaltluftströmungen einher, die zunächst vertikal nur von geringer Mächtigkeit (5-10 m Schichthöhe) sind und sich zwischen der Vielzahl der unterschiedlich temperierten Flächen ausbilden.

Karteninhalt

Klimaökologische Ausgleichswirkungen gehen potenziell von allen unbebauten und unversiegelten Arealen aus, inner- wie außerhalb des Stadtgebietes. Inwieweit dieses Potenzial auch zur Entfaltung kommen kann, hängt von jeweiligen Rahmenbedingungen ab, die von der Flächengröße, der Vegetationsstruktur, der Lage im Stadtgebiet sowie dem baulich geprägten Umfeld abhängen. Die im Verhältnis zu anderen Metropolen noch große Anzahl innerstädtischer Freiflächen ist für eine topografisch weitgehend ungegliederte Stadt wie Berlin von großem Wert, da hier die stadtklimatischen Ausgleichsleitungen für den Kernbereich der Stadt vorrangig durch die thermisch bedingten Zirkulationen erfolgt, die wiederum eine möglichst große Nähe von Grün- und bebauten Flächen zueinander erfordert (vgl. Karte 04.11.1 Planungshinweise Stadtklima 2015, Abb. 8).

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.

Die Raster-Kartenebenen stellen das sich zu den nächtlichen Analysezeitpunkten 22:00 Uhr und 04:00 Uhr in 10 m x 10 m Auflösung ausgeprägte Kaltluftströmungsfeld bodennah in 2 m sowie auf Dachniveau in 22 m über Grund dar. Die Windfeld in Form der Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit wird über die Pfeilrichtung und Pfeillänge in Form von Vektoren für alle Zellen des Modellrasters mit einer klimatisch relevanten Mindestgeschwindigkeit von = 0,05 m/s abgebildet. Ergänzt werden diese rasterbezogenen Daten durch die Darstellung des Kaltluftvolumenstroms als Flächenwert in m³/s. Unter dem Begriff Kaltluftvolumenstrom versteht man das Produkt aus der Fließgeschwindigkeit der Kaltluft, ihrer vertikalen (Schichthöhe) und horizontalen Ausdehnung des durchflossenen Querschnitts (Durchflussbreite). Er beschreibt somit diejenige Menge an Kaltluft in der Einheit m³, die in jeder Sekunde durch eine – in diesem Fall - 10 m x 10 m Rasterzelle strömt (vgl. Abbildung 9).

Abbildung 9
Abb. 9: Prinzipskizze Kaltluftvolumenstrom
(Quelle: GEO-NET 2013)

Der Volumenstrom ist damit ein Maß für den Zustrom von Kaltluft und bestimmt die Größenordnung des Durchlüftungspotenzials. Da er ein über die Höhe integrierter Parameter ist, erfolgt keine Darstellung für das Dachniveau. Abgebildet sind alle Zellen des 10 m x 10 m Rasters mit einem Wert von > 60 m³/s, für die eine potenzielle klimaökologische Wirksamkeit bestimmt wird. Die qualitative Bewertung dieser meteorologischen Größe zeigt Tabelle 2. Die Einstufung des rasterbasierten Kaltluftvolumenstrom orientiert sich an dem in der VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1 (VDI 2008) beschriebenen Verfahren zur Z-Transformation. Dieses Vorgehen legt das lokale/regionale Werteniveau in einem Untersuchungsraum zugrunde und bewertet die Abweichung eines Parameters von den mittleren Verhältnissen in diesem Gebiet. Als Resultat ergeben sich mittels dieser Methode vier Bewertungskategorien der Stufung sehr günstig / günstig / weniger günstig / ungünstig.

Tab. 2: Klassifizierung der rasterbasierten Kaltluftvolumenströme
Mittlerer Z-Wert pro Rasterzelle Bewertung Volumenstrom in m³/s
< -0,5 Gering ≤ 60
0 bis -0,5 Mittel > 60 - 90
1 bis 0 Hoch 90 - ≤ 145
1 (obere S1-Schranke) Sehr hoch > 145
Tab. 2: Klassifizierung der rasterbasierten Kaltluftvolumenströme

Die Eindringtiefe der Kaltluft in die Siedlungsräume und damit auch das Maß der bioklimatischen Gunstwirkung während sommerlicher Hochdruckwetterlagen hängt von der Bebauungsstruktur und der Intensität der Kaltluftdynamik ab. Entsprechend der zunehmenden Bebauungshöhe und -dichte wird etwa Einzel- und Reihenhausbebauung besser durchströmt als eine Block- und Blockrandbebauung.

Zum Analysezeitpunkt 22:00 Uhr kurz nach Sonnenuntergang setzt abendliche Abkühlungsphase ein, die in ihrer Intensität von den jeweiligen Strkturen abhängt und damit auch das sich ausbildende Kaltluftströmungsfeld beeinflusst.Im Umfeld innerstädtischer Grün- und Freiflächen handelt es sich dabei meist um eher kleinräumig ausgeprägte Luftaustauschprozesse, bei denen der Kaltluftvolumenstrom kaum über 90 m³/s hinausgeht. Die Kaltluft wirkt, abhängig von der Größe einer Kaltluft produzierenden Fläche und der umgebenden Bebauung, zwischen 50 m und 300 m in die Bebauung ein. Dies macht deutlich, dass vor allem eine ausreichende Zahl und günstige Lage dieser Entlastungsflächen für die Reduzierung innerstädtischer Belastungen von Bedeutung ist.

Hohe bzw. sehr hohe Volumenströme sind zu diesem Zeitschnitt lediglich in den Randbezirken zu beobachten und stehen meist im Zusammenhang mit lokalen Kaltluftabflüssen. Diese sind am östlichen Havelufer entlang des Grunewaldes oder südlich des Großen Müggelsees im Stadtforst Bürgerheide anzutreffen.

Zum Zeitpunkt 04:00 Uhr ist die Abkühlung der Grün- und Freiflächen und damit auch die Kaltluftproduktion deutlich fortgeschritten Die Spanne der Eindringtiefe variiert spürbar und beträgt, abhängig von den baustrukturellen Bedingungen, zwischen 100 m und mehr als 1000 m. In Bereichen durchgrünter Siedlungstypen kommt zusätzlich noch deren 'eigenbürtige' Erzeugung von Kaltluft hinzu, die sich dann günstigen bioklimatischen Bedingungen dort niederschlägt (SenStadtUm 2016). Teile der innerstädtischen Block- und Blockrandbebauung sowie der bezirklichen Zentren werden hingegen auch in der zweiten Nachthälfte nicht nennenswert von Kaltluft durchströmt, da ihre hohe Bebauungsdichte und das damit höhere Temperaturniveau etwaige Kaltluftströmungen abschwächen, soweit sie sich überhaupt im potenziellen Einwirkbereich von Ausgleichsflächen befinden.

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