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Umweltatlas Berlin

04.10 Klimamodell Berlin - Analysekarten (Ausgabe 2016)

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Karte 04.10.02 Bodennahe Lufttemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

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 etwa 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 für den Transport von fühlbarer und latenter Energie vom Erdboden weg oder zu diesem hin (Karte 04.06 Oberflächentemperatur bei Tag und Nacht, Ausgabe 2001).

Alle genannten Prozesse sind über die Energiebilanz des Erdbodens miteinander verknüpft und bestimmen die Temperatur der Oberflächen und der darüber liegenden Luftschichten.

Karteninhalt

Die Temperaturverhältnisse der bodennahen Atmosphäre werden ebenfalls auf Raster- und Blockbasis sowie zu unterschiedlichen Tageszeiten als Ebenen der Hauptkarte abgebildet.

Generell sind zwar die nächtlichen Temperaturverteilungen aussagekräftiger zur Bewertung der klimatischen Potenziale an Ent- und Belastung von Flächen, jedoch zeigen sich auch in den Mittagsstunden (14:00 Uhr) entsprechend der Flächenverteilung charakteristische Unterschiede. Sowohl versiegelte Areale als auch rasengeprägte Freiflächen werden tagsüber stark aufgeheizt, was auf die intensive Sonneneinstrahlung, den Mangel an Verschattung sowie die starke Erwärmung der bodennahen Luftschicht zurückzuführen ist. Die auftretenden Temperaturen können hier zwischen 30 °C und 32 °C betragen, welche im Rahmen der modellierten sommerlichen Situation die höchsten Werte darstellt.

Sowohl Waldflächen als auch größere innerstädtische Grünanlagen wie der Große Tiergarten weisen um diese Zeit in ihren baumbestandenen Teilen etwa 3K niedrigere Temperaturen auf.

Baulich geprägte Gebiete liegen in ihrem Temperaturniveau zwar insgesamt höher, jedoch ist hier in der Rasterdarstellung eine die jeweilige kleinräumige Situation widerspiegelnde Differenzierung des Temperaturverhaltens festzustellen. Dies ist ein Ergebnis der mit dieser Version der Klimamodellierung einhergehenden weiteren Detaillierung von Datengrundlagen und Modellraster. Dadurch wird es nunmehr möglich, beispielsweise Rasterzellen mit Bäumen oder Rasen in ihrem Temperaturverhalten von versiegelten Flächen zu unterscheiden und entsprechend unterschiedlich zu bewerten. Die blockbezogene Aggregation glättet die Unterschiede durch die nicht gewichtete Mittelwertbildung.

Über Wasserflächen sind aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität die niedrigsten Temperaturen anzutreffen.

In Abhängigkeit von den individuellen Oberflächeneigenschaften der verschiedenen Landnutzungen kühlt sich die Erdoberfläche im Laufe der Nacht unterschiedlich stark ab, die Temperaturverteilung um 04:00 Uhr morgens spiegelt in etwa den Zeitpunkt der stärksten Abkühlung wider.

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 mehr oder weniger bebauten 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 städtisch geprägten Gebiete bleiben somit insgesamt wärmer. Die Temperaturunterschiede zum unbebauten Stadtrand bzw. dem Umland können in den frühen Morgenstunden mehr als 8 K betragen. Diese großen horizontalen Unterschiede werden in der Benachbarung zu innerstädtischen Freiflächen nicht ganz erreicht, z.T. findet auch ein negativer Einfluss aus den bebauten Bereichen in die Grünflächen statt.

Karte 04.10.03 Strahlungstemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Die Strahlungstemperatur ist eine wichtige Komponente für die Berechnung der bioklimatischen Bewertungsindices, wie den hier genutzten Indikator PET (vgl. Karte 04.10.05), da sie einen großen Einfluss auf die Wärmebilanz des Menschen hat.
Sie ist definiert als "einheitliche Temperatur einer schwarz strahlenden Umschließungsfläche, die zum gleichen Strahlungsenergiegewinn eines Menschen führt wie die aktuellen…kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse" (vgl. Matzarakis, A., Rutz, F., Mayer, H., 2000). Sie berücksichtigt die verschiedenen Strahlungsflüsse auf den Menschen, wozu die direkte (kurzwellige) Sonnenstrahlung, die diffuse Himmelsstrahlung, die kurzwellige Reflexstrahlung, die Gegenstrahlung der Atmosphäre sowie die von den Oberflächen ausgehende Infrarotstrahlung zählen. Die berechneten Größen in °C dürfen jedoch aufgrund dieser komplexen Werte-Zusammensetzung nicht direkt mit den Lufttemperaturwerten des betrachteten Rasters bzw. Blockes gleichgesetzt werden. Den unterschiedlichen Tagesverlauf der Strahlungs- und Lufttemperatur verdeutlicht Abbildung 10.


Abb. 10: Tagesgänge von Lufttemperatur Ta, mittlerer Strahlungstemperatur Tmrt (aus Strahlungsmessungen: Tmrt,meas.; berechnet über RayMan: Tmrt,calc.) und Boden­oberflächentemperatur Ts (aus Strahlungsmessungen: Ts,meas.; berechnet über RayMan: Ts,calc.) an einem schönen Sommertag über Baumkronen (Überschirmungsgrad: 0,88) auf einer Grünfläche im nördlichen Stadtzentrum von Freiburg;
Bezugshöhe für Ta und Tmrt: 1,1 m Höhe über Grund
(vgl. Matzarakis, A., Rutz, F., Mayer, H., 2000)

Karteninhalt

Die Strahlungstemperatur um 14:00 Uhr zeigt, dass die Ausprägung dieses Parameters vor allem über die solare Einstrahlung gesteuert wird. Dabei weisen sowohl Äcker und Wiesen als auch versiegelte Flächen die höchsten Werte auf. In Waldflächen liegt aufgrund der Schattenwirkung des Kronendaches die niedrigste Strahlungstemperatur vor. In den Siedlungsflächen wird, bedingt durch das Nebeneinander von Gebäuden, versiegelter Fläche und Bäumen, ein kleinräumiges Mosaik von hohen und niedrigen Temperaturen berechnet. Das Werteniveau über Gewässerflächen liegt zwischen dem von Wald- und Siedlungsarealen. Dies ist zurückzuführen auf die hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers, seine besondere Art der Strahlungsabsorption und die im Wasserkörper stattfindenden turbulenten Durchmischungsvorgänge.

Zum Zeitpunkt 04:00 Uhr wird die Strahlungstemperatur vor allem über die (langwellige) Wärmeausstrahlung der verschiedenen Oberflächenstrukturen gesteuert. Dabei sind die höchsten Werte innerhalb der dicht bebauten Siedlungsgebiete festzustellen, was auf das hohe Bauvolumen und deren Wärmeabgabe in den Nachtstunden zurückzuführen ist. Wenig niedriger ist die Strahlungstemperatur über den Wasserflächen, welche die tagsüber gespeicherte Wärme nun z.T. wieder abgeben. Über den größeren Wiesen und Ackerflächen liegen die niedrigsten Werte vor, da deren Oberflächen gleichzeitig auch die höchste nächtliche Abkühlung aufweisen. Analog zur Lufttemperatur ist die Strahlungstemperatur in Waldbeständen in den Nachtstunden höher als über Freiland, aber immer noch niedriger als in den Siedlungsflächen.
Die mögliche Gesamtdifferenz zwischen den höchsten (Bebauung Potsdamer Platz) und niedrigsten Werten (offenes Freiland, z.B. Tempelhofer Feld) liegt bei der Strahlungstemperatur für die simulierte 'normale' Berliner Sommernacht in den Nachtstunden bei rund 9,5 Kelvin (K).

Karte 04.10.04 Nächtliche Abkühlung zwischen 22:00 Uhr und 04:00 Uhr

Karte 04.10.4 zeigt die nächtliche Abkühlung der Oberflächen der einzelnen Strukturen zwischen den Zeitpunkten 22:00 und 04:00 Uhr pro Rasterzelle bzw. als Blockmittelwert in Kelvin (K) pro Stunde. Das Ausmaß der Abkühlung kann dabei - je nach den landnutzungsabhängigen physikalischen Boden- und Oberflächeneigenschaften - große Unterschiede aufweisen. Die Stadtstrukturen zeichnen sich dahingehend in charakteristischer Weise ab. Die niedrigste Abkühlung liegt aufgrund deren hoher Wärmeleitfähigkeit und -kapazität über Gewässerflächen sowie den Siedlungsflächen mit hoher baulicher Dichte vor. Eine mäßige nächtliche Abkühlung ist in einem Großteil der übrigen Bebauung anzutreffen. Waldflächen und stark durchgrünte Siedlungstypen weisen dagegen deutlich höhere Abkühlungsraten auf. Diese ist über Äcker und Wiesen am stärksten ausgeprägt.

Karte 04.10.5 Bewertungsindex Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Meteorologische Parameter wirken nicht unabhängig voneinander auf den Menschen ein. Von besonderer Bedeutung ist die Bewertung des thermischen Wirkungskomplexes. Hier spielen alle Klimaparameter, die den Wärmehaushalt des Menschen direkt beeinflussen eine Rolle: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und thermophysiologisch wirksame Strahlung. Zur Beurteilung des thermischen Wirkungskomplexes wurden die drei Verfahren

  • Universal Thermal Climate Index (UTCI)
  • Predicted Mean Vote (PMV) und
  • Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET)
modelliert und verglichen.

Zur Bewertung der Tagsituation ist im Ergebnis der Index PET herangezogen worden (vgl. Höppe und Mayer 1987). Gegenüber den ebenfalls berechneten Indizes wie dem bisher verwendeten PMV hat PET vor allem den Vorteil, aufgrund seiner °C-Einheit auch von Nichtfachleuten besser nachvollzogen werden zu können. Darüber hinaus handelt es sich bei dem PET um eine Größe, die sich in der Fachwelt mittlerweile zu einer Art "Quasi-Standard" entwickelt hat und umweltmedizinische Gesichtspunkte stärker berücksichtigt, so dass sich die Ergebnisse aus Berlin grundsätzlich auch mit denen aus anderen Städten (auch außerhalb Deutschlands) vergleichen lassen.

Der PET wurde aus dem Münchener Energiebilanzmodell MEMI abgeleitet und beruht wie auch die anderen Verfahren auf dem Wärmeaustausch des Menschen mit seiner Umgebung (vgl. Höppe 1984).
In Tabelle 3 werden - bezogen nur auf die Tagesstunden - das thermische Empfinden (abgeleitet aus dem Verhalten einer "Standardperson", die eine mittlere thermische Empfindlichkeit repräsentiert) und die physiologische Belastungsstufe dem Index PET gegenübergestellt. Bei 20 °C stellt sich eine optimale Behaglichkeit ein. Bei höheren Werten liegt eine Wärmebelastung vor, während sich bei tieferen Werten Kältestress ergibt.

Tab. 3: Zuordnung von Schwellenwerten für den Bewertungsindex PET während der Tagesstunden
PET in °C Thermisches Empfinden Physiologische Belastungsstufe
4 Sehr kalt Extreme Kältebelastung
8 Kalt Starke Kältebelastung
13 Kühl Mäßige Kältebelastung
18 Leicht kühl Schwache Kältebelastung
20 Behaglich Keine Wärmebelastung
23 Leicht warm Schwache Wärmebelastung
29 Warm Mäßige Wärmebelastung
35 Heiß Starke Wärmebelastung
41 Sehr heiß Extreme Wärmebelastung
Tab. 3: Zuordnung von Schwellenwerten für den Bewertungsindex PET während der Tagesstunden (vgl. Matzarakis, A., Mayer, H., 1996; VDI 2008)

Karteninhalt

Die PET-Werte um 14:00 Uhr zeigen eine starke Abhängigkeit der auftretenden Wärmebelastung am Tage von der örtlichen Verschattungssituation. Eine mäßige Wärmebelastung an wolkenlosen Sommertagen mit starker Sonneneinstrahlung weisen dementsprechend Waldbestände sowie durch von Bäumen und Gehölzen geprägte Flächen auf. Hier tragen die verminderte direkte Sonneneinstrahlung durch Schattenwurf der Vegetation und die Verdunstung von Wasser zum vergleichsweise geringen Belastungspotential bei. Aufgrund ihrer Aufenthaltsqualität insbesondere in der Nachbarschaft stärker überbauter Quartieren kommt daher den innerstädtischen Grünflächen eine hervorgehoben wichtige Rolle zu. Dem stehen die stark besonnten Areale gegenüber, wo die Wärmebelastung am Tage die höchsten Werte aufweist. Dabei werden über Rasenflächen ähnlich hohe Temperaturen erreicht wie über versiegelten Arealen.

Die Situation am frühen Morgen für den Zeitschnitt 04:00 Uhr zeigt, dass sich Äcker und Wiesen - vor allem am Stadtrand Berlins - kurz vor Sonnenaufgang stark abgekühlt haben, während die bebauten Stadträume in einem deutlich höheren Werteniveau verbleiben. Dieses wird lediglich durch die größeren innerstädtischen Grünflächen wie das Tempelhofer Feld, das Gleisdreieck oder den Großen Tiergarten unterbrochen, die sich je nach Vegetationsstruktur den PET-Werten der freien Flächen am Stadtrand oder im Umland angeglichen haben.

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