Klimakartierung mittels numerischer Simulationen

Meteorologische Verhältnisse betrachtet man seit Inkrafttreten der 22. BImSchV nicht mehr nur auf Jahresmittelwerte bezogen, weil mit ihr Kurzzeitgrenzwerte auf Tages- bzw. Stundenbasis eingeführt wurden. Unbestritten ist, dass lufthygienische Extreme, wie etwa sommerliche hohe Ozonkonzentrationen, nur bei bestimmten Wetterlagen auftreten. Diese Wetterlagen werden mit dem Begriff eigenbürtig, autochthon oder austauscharm beschrieben. Bei solchen Wetterlagen spielen die Begriffe Kaltluft und regionale Strömungssysteme eine große Rolle. In Thüringen treten sie mit einer mittleren Häufigkeit von 11 bis 20 % der Zeit auf, wobei deren Häufigkeit im Sommer angesichts der Klimaszenarien für die Zukunft noch zunehmen dürfte. Die lufthygienisch weniger interessanten fremdbürtigen oder allochthonen Wetterlagen treten in einem weit größeren Zeitanteil auf. Bei lufthygienischen Bewertungen ist es aber notwendig, besonders die eigenbürtigen Wetterlagen zu betrachten.

Meteorologische und klimatologische Verhältnisse lassen sich durch Messung, Windkanaluntersuchungen oder numerische Simulation erfassen. Jedes dieser Verfahren hat Vor- und Nachteile. In Thüringen wurden in verschiedenen Gebieten numerische Simulationen durchgeführt, deren Ergebnisse teilweise durch Messungen ergänzt und kontrolliert wurden. Zur Anwendung kamen die Simulationsmodelle REWIH3D für den regionalen und FITNAH für den lokalen Bereich. Der meteorologische Teil von Luftreinhalteplänen beschäftigt sich in der Regel nur mit den Elementen, die die Verteilung der Luftschadstoffe bewirken. Damit sind aber bei weitem noch nicht alle stadtklimatologischen Aussagen, wie sie z. B. in der Flächennutzungs- oder Bauleitplanung benötigt werden, bereitgestellt. Die vorhandenen meteorologischen Simulationen erlauben Aussagen, die weit über die Luftreinhalteplanung hinausgehen. Deshalb werden die vorliegenden Unterlagen auch für diese Zwecke anwendungsorientiert zur Verfügung gestellt. Der Bedarf ist nach wie vor in allen Planungsebenen gegeben.

Spezielle Anwendungen klimatischer Simulationen

Klimatope, die die Temperatur sowie das nächtliche Abkühlungsverhalten in einem Gebiet charakterisieren, werden häufig aus Infrarotaufnahmen der Erdoberfläche (Thermalscannerbefliegungen), die bei einer eigenbürtigen Wetterlage in den späten Abend- und in den frühen Morgenstunden durchgeführt wurden, abgeleitet. Solche Daten liegen beispielsweise aus Erfurt und Weimar vor. Die Umsetzung der Oberflächentemperaturen in die gewünschten mittleren Lufttemperaturen bzw. Abkühlungsraten ist aufgrund des unterschiedlichen Wärmeüberganges nicht ohne Probleme. Es wurde daher für verschiedene Untersuchungsgebiete, wie z. B. Greiz der Weg beschritten, aus den vorhandenen FITNAH-Simulationen, die im 200 m-Raster vorliegen, Klimatope abzuleiten, ohne Befliegungen zu benötigen. Für Weimar war ein Vergleich zwischen beiden Methoden möglich.

Der durch die mittlere Lufttemperatur und die nächtliche Abkühlungsrate definierte Bereich wird gewöhnlich in 12 Klassen eingeteilt, die mit den Buchstaben B bis M bezeichnet werden. Die in der Stadtplanung interessanten Kaltluftgebiete (Bereich M) sind durch niedrige mittlere Lufttemperaturen und eine große Abkühlung der Luft in der Nacht gekennzeichnet. Entgegengesetzte Merkmale gelten für eine Wärmeinsel (Bereich B). Sie sind durch hohe mittlere Lufttemperaturen und eine geringe Abkühlungsrate der Luft in der Nacht bestimmt. Die folgende Abbildung zeigt eine durch Simulation erzeugte Klimatopkarte aus vorhandenen Datenfeldern des Untersuchungsgebietes Weimar. Zu erkennen sind die Ausdehnung der städtischen Wärmeinsel und die Kaltluftgebiete in der Umgebung.

In der Humanbiometeorologie erfolgt die Bewertung der thermischen Umgebung in thermophysiologisch relevanter Weise über die Berechnung der Energiebilanz des menschlichen Körpers und der sich dabei ergebenden menschlichen Wärmeflüsse. Eine weit verbreitete Kenngröße zur Charakterisierung der Behaglichkeitsbedingungen ist das "Predicted Mean Vote" (PMV). In die die Behaglichkeit bestimmende Gleichung gehen eine Reihe von meteorologischen Einflussgrößen wie Wind, Lufttemperatur, Strahlung usw. ein. Durch Anbindung der Ergebnisse an eine lange Zeitreihe kann eine Aussage zur Wärmebelastung eines Gebietes getroffen werden. Beispielhaft ist in beigefügter Abbildung die Verteilung der Tage pro Jahr mit Wärmebelastung (PMV > 2, mäßige Wärmebelastung) im Untersuchungsgebiet Weimar dargestellt. Der Innenstadtbereich hebt sich dabei als nahezu geschlossener Belastungskomplex hervor. Allerdings ist im Mittel dort mit etwa 17 Tagen pro Jahr Überschreitung des vorgenannten PMV-Wertes nur mit einer gering erhöhten Wärmebelastung zu rechnen.

Für das Untersuchungsgebiet Weimar wurde durch den Deutschen Wetterdienst eine PMV-Karte durch Verwendung klassischer Methoden erarbeitet. Eine solche Untersuchung ist zeit- und kostenaufwändig, natürlich bei einer höheren Auflösung auch genauer. Die Übereinstimmung beider Karten ist gut.

Bedeutung lokaler Strömungsverhältnisse

Beim gegenwärtigen Klima in Mitteleuropa treten im langjährigen Mittel in ca. 20 % des Jahres Hochdruckwetterlagen auf. Liegt das Hoch genau über Mitteleuropa, sind großräumige Strömungen oft sehr schwach, weil der Luftdruckgradient niedrig ist. In diesen Fällen dominieren Strömungen, die sich aus den Wärmeinhalten der Erdoberfläche und der unmittelbar darüber liegenden Luftschicht ergeben. Durch unterschiedliche Temperaturen je nach Höhenlage, Hangausrichtung und Land- bzw. Bodennutzung erwärmt oder kühlt sich die Luft unterschiedlich stark ab. Die Folge sind kleinräumige geringe Luftdruckunterschiede, die bestrebt sind, sich auszugleichen. Die Luftdruckunterschiede entstehen dadurch, dass wärmere Luft eine geringere Dichte aufweist, somit leichter ist als kältere, was den Luftdruck reduziert.

Im Gegensatz dazu übt kältere Luft wegen der höheren Dichte einen größeren Luftdruck aus. Da kalte Luft schwerer ist, hat sie außerdem die Eigenschaft, im geneigten Gelände nach unten zu fließen. Somit entstehen bei Hochdruckwetterlagen eigenständige kleinräumige Strömungssysteme. Die bekanntesten sind die Land-See-Wind-Zirkulation oder die Berg-Tal-Wind-Zirkulation.

Diese Zirkulationssysteme spielen für die Luftqualität in zweierlei Hinsicht eine große Rolle. Zum einen können sie die Anreicherung der Luft mit Schadstoffen oder Gerüchen beeinflussen, sofern sich auf den Entstehungsflächen oder Zirkulationsbahnen Schadstoff- oder Geruchsemittenten befinden. Zum anderen üben sie auch einen Einfluss auf die klimatische Behaglichkeit der von ihnen berührten Gebiete aus.

Klimatische Stressfaktoren, wie Hitze-, Kälte- und Schwüleempfinden, hängen in entscheidendem Maße von lokalen Strömungen ab. Dabei ist klimatisch nicht immer eindeutig zu definieren, was zu bevorzugen ist, denn dies hängt von der Nutzungsfunktion der betroffenen Flächen ab. Im lufthygienischen Maßstab ist es hingegen einfacher, die wirkungsbezogene Bedeutung von lokalen Strömungen zu beschreiben.

Die TLUG beschäftigt sich bereits seit Jahren mit dem Phänomen lokaler und regionaler Strömungssysteme in Thüringen. Dazu gibt es zahlreiche messtechnische Untersuchungen und Simulationsrechnungen.

In letzter Zeit werden flächendeckende Temperaturfelder der bodennahen Luftschicht für unterschiedliche Zeiten durch eine Kombination aus Messungen und Rechnungen erzeugt. Diese ermöglichen Aussagen zum nächtlichen Abkühlungsverhalten innerhalb eines zu beurteilenden Gebietes. Die Methodik und Ergebnisse werden in der Kurzfassung eines Vortrags anlässlich der Deutsch-Österreichisch-Schweizer Meteorologentagung in Wien 2001 beschrieben.

Die folgenden beiden Abbildungen zeigen die aus kombinierten Messungen und Rechnungen erzeugten flächenhaften Temperaturfelder für einen Tag mit Hochdruckwetterlage an einem frühherbstlichen Tag in Eisenach.

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Bedeutung lokaler Strömungsverhältnisse