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Teilprojekt 3.1.2 - Grün- und Freiflächen, städtebauliche Strukturen, biometeorologische Effekte

Foto: Jana Planek

Die Häufigkeit extremer Hitzeereignisse – wie im „Rekordsommer“ 2003 – wird in den kommenden Jahrzehnten zunehmen. Besonders städtische Siedlungsräume werden stark davon betroffen sein, da diese Ereignisse die Belastungen für den Menschen durch die städtische Wärmeinsel verstärken. Strategien zum Umgang mit solchen Belastungen werden benötigt. Die Anpassung an die Auswirkungen des Klimawandels in Städten ist deshalb eine wichtige Aufgabe der Planung und ein wachsendes Forschungsfeld.

Im Teilprojekt 3.1.2 wurde untersucht, welche der städtisch geprägten Bereiche in der Modellregion besonders stark von thermischen Belastungen betroffen sind. In ausgewählten „Lupengebieten“ wurde der Frage nachgegangen, wie die negativen Auswirkungen von Hitzeereignissen abgemildert werden können. Auch wurden die Zusammenhänge zwischen der städtebaulichen Struktur, der Grünausstattung eines urbanen Raumes sowie der dort herrschenden klimatischen und lufthygienischen Situation beleuchtet. Dazu wurden statistisch ableitbare Beziehungen zwischen struktureller Ausprägung und Überwärmungseffekten herausgearbeitet und diskutiert, wie die klimatische Situation durch die städtebauliche Struktur beeinflusst werden kann. In einem weiteren Arbeitsbereich des Teilprojekts wurden durch Trendanalysen zuerst Risikoprognosen für ausgewählte Stadtbaumarten der Modellregion Dresden abgeleitet und anschließend Eignungsprognosen für zukünftige Neupflanzungen erarbeitet.

Nachfolgend erhalten Sie Informationen über Ziele, Forschung, Ergebnisse, Produkte und Partner des Teilprojektes. 


Ziele

Das Teilprojekt 3.1.2 beschäftigte sich mit den Themen „Ermittlung von Oberflächentemperaturen aus Fernerkundungsdaten“, „Bioklimatische Modellierung“, „Abgrenzung von sensitiven Siedlungsräumen“ und „Auswirkungen von Wärmebelastung auf Stadtbäume“. Die Untersuchung der Wärmebelastung in ausgewählten städtischen Räumen ermöglichte die Quantifizierung der tatsächlichen thermischen Belastung von Hitzeereignissen auf den Menschen. Alle Arbeiten im Teilprojekt zielten auf die Ableitung von Anpassungsmaßnahmen und Handlungsempfehlungen, z.B. für die Stadtplanung ab.

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Untersuchungsgebiet

Abb. 1: Lupengebiete des Teilprojekts 3.1.2

Definition von Stadtstrukturtypen

Das Untersuchungsgebiet wurde gemäß des sogenannten Strukturtypenansatzes durch die Bildung von Vegetations- und Stadtstrukturtypen gegliedert (siehe Abbildung 2). Charakteristische Kenngrößen, z.B. Grünausstattung, Grünvolumen, Bodendeckschichtenanteile, Versiegelungsgrad, Gebäudehöhe, Gebäudevolumen sowie ökologische Flächenleistungswerte wurden als strukturabhängige Attribute ermittelt, mit gemessenen Umweltzuständen überlagert, in einer Datenbank zusammengestellt und einer statistischen Analyse unterzogen. Die ermittelten Kenngrößen dienten auch als Eingangsdaten der bioklimatischen Modellierung.

Abb. 2: Beispiel für die GIS-basierte Verschneidung der Daten von Struktur und Umwelt (klicken um zu vergrößern)

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Einsatz von Fernerkundungsverfahren

Die unterschiedliche Wärmebelastung in Städten kann mit Hilfe von Fernerkundungsverfahren ermittelt werden. Diese Verfahren bieten eine Reihe von Vorteilen:

  • Flächendeckende thermische Charakterisierung größerer Räume
  • Landsat-Daten stehen kostenlos für viele Aufnahmezeitpunkte zur Verfügung
  • Daten als Grundlage für ein fortlaufendes Monitoring der stadtklimatischen Situation nutzbar
  • Basis zur Verbesserung von Planwerken, z. B. Ergänzungsmaterial zu Flächennutzungsplänen oder Klimatopkarten

Die Oberflächentemperaturen für die REGKLAM Modellregion wurden aus Daten des Thermalbandes von Landsat-5 und Landsat-7 abgeleitet, wofür insgesamt vier Szenen zur Verfügung standen. Die Auswahlkriterien für die Satellitendaten waren zum einen (möglichst) Wolkenfreiheit und zum anderen sollten die Aufnahmen an einem heißen Tag (Tmax>30°C) entstanden sein, wobei die DWD-Station Klotzsche als Referenzpunkt genutzt wurde. Die am Satelliten gemessenen Thermalstrahlungswerte wurden unter Anwendung einer Atmosphärenkorrektur in Oberflächentemperaturen umgerechnet. Durch Kombination der Temperaturwerte aller Datensätze wurde eine flächendeckende mittlere Temperaturverteilung für einen heißen Tag in der Modellregion berechnet.

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Bioklimatische Modellierung

Um die tatsächliche thermische Belastung von Hitzeereignissen für den Menschen im Siedlungsraum in geeigneter Weise zu quantifizieren, ist eine Untersuchung des Bioklimas notwendig. Dies erfolgt auf mehreren räumlichen Maßstabsebenen und unter Annahme verschiedener planerischer und klimatischer Rahmenbedingungen.

Für die Modellierung kommen spezielle Mikroklimamodelle wie ENVI-met und RayMan zum Einsatz, die eine direkte Bewertung der Umweltwirkungen (u.a. Lufttemperatur und -feuchte, Windgeschwindigkeit und Strahlung) auf den Menschen ermöglichen.

Ausgedrückt durch spezifische Bioklima-Indizes wie der Physiologisch Äquivalenten Temperatur (PET) können auf Basis des klimatischen Ist-Zustandes und von Szenarien verschiedene stadtplanerische Gestaltungsoptionen und Anpassungsmaßnahmen zur Verbesserung der thermischen Belastungssituation modelliert werden.

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Identifizierung sensitiver Siedlungsräume

Für die Sensitivität eines Siedlungsraums gegenüber Hitzeereignissen ist nicht allein die thermale Situation entscheidend, sondern auch die demographischen Gegebenheiten und die Flächennutzungsstruktur. Der hier vorgestellte Settlement Heat Sensitivity Index (SHSI) ist ein Instrument zur integrierten Bewertung dieser Faktoren. Dabei werden für festgelegte Bezugsflächen folgende Parameter betrachtet (siehe Abbildung 3):

  • Prozentualer Anteil der sensitiven Kohorten (z.B. Ältere über 75 Jahre)
  • Zusammensetzung der Flächennutzungsstruktur (Bewertung durch Vergabe von Gewichtungsfaktoren)
  • Biothermale Belastungsstufen (bestimmt durch Klassifizierung und Mittelung der PET-Werte)

Die definierte Sensitivität von Siedlungsräumen kann als Kriterium bei der Auswahl von Vorranggebieten für Anpassungsmaßnahmen dienen.

Abb. 3: Modellansatz zur Identifizierung sensitiver Siedlungsräume

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Dendroklimatologie und Ökophysiologie

Mit Hilfe der Dendroklimatologie/Jahrringuntersuchung lassen sich Rückschlüsse auf die Auswirkungen von lang- und kurzfristigem Trockenstress auf Gehölze ziehen. Dabei wird der Umstand genutzt, dass Bäume der außertropischen Waldregionen jedes Jahr einen neuen Jahrring anlegen und sich durch die Zeitreihenanalyse mehrerer Individuen evtl. übergreifende langfristige Trends der Klima-Zuwachs-Relation erkennen lassen.

Arbeitsschritte:

1. Probenahme (Zuwachsbohrungen)

2. Präparation

3. Vordatierung

4. Vermessung

5. Synchronisation (mathematisch-statistische Vergleiche und optischer Vergleich auf korrekte Synchronlage)

6. Indexierung (Trendeliminierung, Varianzstabilisierung, Autoregressive Modellierung)

7. Berechnung EPS (Express Population Signal) mit unterstützender Software (TSAPwin, COFECHA, ARSTAN, R, DendroClim2002)

Durch die Messung von ökophysiologischen Parametern wie Netto-Photosynthese und Transpiration mittels eines Porometers (Abbildung 4) sowie Wasserpotenzial in den Lichtkronen werden die Auswirkungen von kurzfristigem Trockenstress während der Sommermonate auf die Gehölze untersucht. Im Vergleich der Baumarten werden somit der Einfluss des Klimas, die Reaktion auf die Witterung und Veränderungen über die Zeit erkennbar.

Abb. 4: Ausschnitt der Messapparatur (Porometer) für die Ermittlung der Netto-Photosynthese und der Transpiration.

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Wärmebelastung städtischer Räume

Abbildung 1 zeigt die flächendeckende mittlere Temperaturverteilung für einen heißen Tag in der Modellregion, die aus einer Kombination von Temperaturwerten aus Landsat-Datensätzen berechnet wurde. Innerhalb von Siedlungs- und Stadtgebieten kommt es aufgrund der unterschiedlichen thermalen Eigenschaften natürlicher und anthropogener Materialien zu einer massiven Erwärmung. Künstliche Baustoffe, wie z.B. Asphalt und Beton, zeichnen sich durch eine hervorragende Wärmeleitung und -speicherung aus. Darüber hinaus absorbieren sie einen Großteil der einfallenden solaren Strahlung. Diese Energie wird jedoch im Gegensatz zu natürlichen Oberflächen nicht zur Verdunstung verwendet, sondern in Wärme umgewandelt, in tiefere Schichten transportiert und dort gespeichert. Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, erwärmen sich aufgrund der höheren Dichte und des geringen Wassergehaltes anthropogene Oberflächen deutlich schneller und intensiver als natürliche Oberflächen.

Abb. 1: Mittlere Oberflächentemperaturen in der REGKLAM-Modellregion an einem heißen Tag (klicken um zu vergrößern) (Quelle: T. Krüger)

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Bioklima-Index PET

Abb. 2: Hitzebelastung in Dresden an einem heißen Tag, ausgedrückt durch den Bioklima-Index PET

Aufgeheizte Oberflächen erwärmen anliegende Luftschichten in einem erheblichen Maß, sodass die dicht bebauten und überwärmten Stadtgebiete ebenso warme Umgebungsbedingungen für den Menschen schaffen, die bei bestimmten klimatischen Bedingungen zu thermischem Stress (Hitzestress) führen können. Abbildung 2 verdeutlicht die Hitzebelastung für die Stadtbewohner. Ausgehend von den Oberflächentemperaturen (Abbildung 3) decken sich stark überwärmte Stadtgebiete mit jenen Arealen, die thermischen Stress für den Menschen hervorrufen (Stadtzentrum, Flughafen, ausgewählte Siedlungsgebiete).

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Wärmesensitive Siedlungsbereiche

Eine Oberfläche ist umso kühler, je höher der Anteil von Vegetation bzw. je höher der Wassergehalt der Oberfläche ist. Bei Verdunstungsprozessen wird Wärme entzogen und die sogenannte Verdunstungskühle entsteht. Besonders kühl erscheinen im Stadtgebiet Dresdens die Dresdner Heide, die Elbe und einige landwirtschaftliche Flächen im Umland. Im Gegensatz dazu heizen sich jene Flächen besonders auf, die nur einen geringen Vegetationsanteil aufweisen und somit besonders stark überbaut sind. Dazu zählen neben der Alt- und Neustadt, auch der Flughafen im nördlichen Stadtgebiet, sowie einige dichtbebaute Siedlungsgebiete im Stadtzentrum.

Abb. 3: Mittlere Oberflächentemperaturen in der Landeshauptstadt Dresden an einem heißen Tag (klicken um zu vergrößern) (Quelle: T. Krüger)
Abb. 4: Hitzebelastung in Dresden an einem heißen Tag, ausgedrückt durch den Bioklima-Index PET (klicken um zu vergrößern) (Quelle: S. Hoechstetter, T. Krüger, C. Hoyer)

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Betroffenheitsindex SHSI

Abbildung 5 veranschaulicht den auf Nettoblöcke bezogenen Betroffenheitsindex SHSI  für Dresden. Der SHSI vereint in sich die wichtigsten Faktoren zur Abschätzung der Hitzebelastung der Bevölkerung; die thermische Situation, ausgedrückt durch PET (vgl. Abb. 3), die Einwohnerdichte von besonders hitzesensiblen Bevölkerungsgruppen (Ältere >75 Jahre, Kleinkinder <2 Jahre, Gesamtbevölkerung) und die thermischen Eigenschaften der Oberfläche. Die Zusammenführung in einen Index erlaubt die direkte Lokalisierung von thermisch belasteten Siedlungsgebieten in Abhängigkeit der bevölkerungs- und stadtstrukturellen Zusammensetzung. Auf dieser Basis können spezifische Anpassungsempfehlungen (u.a. Entsiegelung, Begrünung) abgeleitet werden.

Abb. 5: Nettoblockbezogener Betroffenheitsindex der Gesamtbevölkerung für das Stadtgebiet Dresden (Hauptkarte) und das Stadtzentrum (Ausschnitt)

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Stadtplanerische Gestaltungsoptionen

  • Erhöhung der Grünflächendichte und Vernetzung von Grünflächen
  • Verkürzung der Entfernung zu Erholungsflächen
  • Nutzung des Brachflächenpotenzials
  • Entsiegelung
  • Gebäudebegrünung
  • Begleitgrünausstattung und Umgestaltung für Verkehrsflächen
  • Freihaltung von Kaltluftschneisen und Grünachsen
  • Einbinden von Wasserflächen in Grünsysteme
  • Durchmischung der Bevölkerungsstruktur

Abbildung 6 stellt den gegenwärtigen Zustand eines Dresdner Innenstadtbereiches (Robotron-Areal), einem Szenario, das aus dem Revitalisierungsplan Dresden abgeleitet ist, gegenüber. Diesem Plandokument liegt das Leitbild der Landeshauptstadt Dresden einer „kompakten Stadt im ökologischen Netz“ zugrunde. Neben einer baulichen Verdichtung im nördlichen Teil, wird eine flächige Entsiegelung und Begrünung von Parkplätzen simuliert. Die Schaffung einer kompakten Grünachse entlang der West-Ost-Orientierung des Areals soll einerseits den Grünflächenanteil und die Grünvolumendichte steigern, andererseits den Transport von kühler, feuchter Luft von den Grünflächen im Osten ausgehend in das überwärmte Stadtzentrum begünstigen. Der Vergleich der Abbildungen zeigt eine Temperaturabnahme um 0,4 K im revitalisierten Modellgebiet. Die Temperaturdifferenz an einigen Umbaupunkten (entsiegelte Parkplätze, Grünachse) beträgt zum Ist-Zustand bis zu 3 K.

Abb. 6: Modellierte Verteilung der Lufttemperatur um 14 Uhr im IST-Zustand (links) und im Revitalisierungsszenario (rechts) im Lupengebiet Robotron-Areal. (klicken um zu vergrößern)

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Ergebnisse zur Studie Auswirkungen der Wärmebelastung auf Stadtbäume

Klima-Zuwachs-Analyse

Für die drei untersuchten Baumarten auf zwei Straßenbaumstandorten konnten sicher datierte Chronologien gebildet werden (Abb. 7). Damit wurden Analysen von Zuwachsleistung, Zuwachsverhalten sowie eine Prüfung der Abhängigkeit von Zuwachs und Witterung von urbanen Straßenbäumen möglich. Die Ahornblättrige Platane und die Rot-Eiche zeigen hohe Zuwachsleistungen. Dagegen zeigt der Spitz-Ahorn nur einen geringen Radialzuwachs. Im Zuwachsverhalten lassen sich für Ahornblättrige Platane und Rot-Eiche eher gleichförmige Reaktionen (geringere Empfindlichkeit) und für Spitz-Ahorn sensitive Reaktionen (empfindlicher auf exogene Einflüsse) feststellen. Bei den Rot-Eichen lässt sich ein starker Einfluss des Vorjahreszuwachses auf den Zuwachs im Folgejahr (hohes Puffervermögen, Alter und Länge der Chronologie) ableiten. Dagegen zeichnet sich der Spitz-Ahorn durch eine geringe Autokorrelation (geringes Puffervermögen) aus. Alle drei Baumarten zeigen signifikante Klima-Zuwachsreaktionen mit einer stärkeren Abhängigkeit der Zuwachswerte von den Niederschlägen.

 

Abb. 7: Standortchronologien von Ahornblättriger Platane (PLA), Rot-Eiche (REI), Spitz-Ahorn (SPAH) zeigen Unterschiede im Zuwachsniveau und –verhalten und deutliches Jugendwachstum der Rot-Eichen. Pfeile markieren trockene Jahre (z.B. 1954, 1976).

Tabelle 1: Signifikante Einflüsse der Temperatur und der Niederschläge auf den Zuwachs im Zeitraum 1917 bis 2008 (Korrelationskoeffizienten mit 95% Signifikanzniveau)

Die Tabelle 1 zeigt signifikante Einflüsse der Temperatur und des Niederschlages auf den Zuwachs im Zeitraum von 1917 bis 2008. Für alle drei Baumarten besitzt die Septembertemperatur des Vorjahres eine zentrale Bedeutung: bei hohen Temperaturen in dieser Zeit, erfolgt ein geringer Zuwachs im Folgejahr (negativ korreliert). Für die einzelnen Baumarten wurden weitere Korrelationen festgestellt:

  • Spitz-Ahorn und Platane: Niederschläge im Juni und Juli am stärksten mit Zuwachs korreliert
  • Spitz-Ahorn: Zunehmender Einfluss von Temperaturen des Vorjahres und der Niederschläge im September des Vorjahres
  • Platane: insgesamt Temperatur des Vorjahressommers und des Herbstes signifikant negativ mit Radialzuwachs des Folgejahres korreliert
  • Rot-Eiche: Niederschläge des Vorjahres im September und November bedeutet Trend Klima-Zuwachs
  • Ahornblättrige Platane: Insgesamt abnehmender Einfluss von Temperatur und Niederschlag, gleichbleibend starke Korrelation zu Juni-Niederschlägen des Jahres der Ringbildung

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Stadtplanung als Steuerinstrument zur Klimaanpassung? - Eine Modellstudie im Dresdner Stadtteil Friedrichstadt

Aktuelle Klimaszenarien zeigen eine Häufung thermischer Extreme in den Sommermonaten: Maßnahmen zur Klimaanpassung in Städten gewinnen zunehmend an Bedeutung und neue Konzepte zur Konsensfindung von Interessengegensätzen, z. B. zwischen Umweltamt und Grundstückseignern bzw. Stadtplanungsamt, sind gefragt. Vorliegende Ergebnisse zu den Auswirkungen von Stadtumbauszenarien auf das urbane Mikroklima können als Entscheidungshilfe für Planungskonzepte genutzt werden.

Am Tag:

1.) Wechselspiel von Strahlungswirkung (Abschattung und Abkühlung) und Windwirkung (Abbremsung und Erwärmung);

2.) Schattenwirkung von Gebäuden und Stadtgrün ist z. T. gleichwertig und Effizienz von Durchlüftung und Ausdehnung des Beschattungsbereiches abhängig!

In der Nacht:

Wirkung des Verbauungsgrades und Gegenstrahlungseffekt meist dominanter als Effekt der Windabschwächung, Vegetation wirkt eher abkühlend

 

Konsequenzen für die Stadtplanung

Stadtplaner müssen neben Klimaanpassung viele weitere Gesichtspunkte für die Attraktivität von Städten wie Ökonomie, Soziales, Vermeidung von Zersiedlung berücksichtigen. Wichtig ist es die Klimafunktionen verdichteter Räume zu stärken. Sinnvolle Maßnahmen sind z.B. Dachbegrünung, vernetzte Grünzüge, Verbindung von Durchlüftungsbahnen und Verschattungsräumen.

Abb. 8: Darstellung von Gebäuden, Vegetation und versiegelten Oberflächen im Modell Envi-met für den Ausgangszustand sowie die Variante 1 (2040, relativ starke Bebauung) und Variante 2 (2040, relativ starke Begrünung). (klicken um zu vergrößern)

Abb. 9 bis 11:
oben: Lufttemperatur 14:00 Uhr
mitte: physiologische Äquivalenttemperatur (PET) 14:00 Uhr
unten: PET 00:00 Uhr

(klicken um zu vergrößern)

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Partner

Projektverantwortung


Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR)
Prof. Dr. Wolfgang Wende
Dr. Tobias Krüger
Franz Held


Projektpartner

Technische Universität Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie
Dr. Valeri Goldberg

Technische Universität Dresden, Institut für Forstbotanik und Forstzoologie
Prof. Dr. Andreas Roloff
Sten Gillner

Umweltamt der Landeshauptstadt Dresden
Wolfgang Socher  

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Ansprechpartner

Prof. Wolfgang Wende
W.Wende[...]ioer.de


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