(c) LANUV
Sie sind hier: Startseite LANUV » Klima » FIS Klimaanpassung Nordrhein-Westfalen » Planung » Parameter

Gradtage

Karte  (i)

Gradtage stellen ein Maß zur Abschätzung des Heizenergiebedarfs dar. In der Regel liegen die Gradtage in Mittelgebirgsregionen deutlich höher als im Flachland. Der klimawandelbedingte Anstieg der Lufttemperaturen wird sich in einem Rückgang der Gradtage äußern.

Grundlagen

Gradtage stellen ein überschlägiges Maß für den Heizenergiebedarf während einer Heizperiode dar. Daraus können Rückschlüsse auf den klimabedingten Heizenergiebedarf und die dabei anfallenden Heizkosten gezogen werden. Gradtage sind eine allein von der Außentemperatur abgeleitete Größe. Wärmedämmende Maßnahmen an Gebäuden bleiben bei ihrer Berechnung unberücksichtigt.

Die Berechnung von Gradtagen erfolgt über die VDI Richtlinie 3807, Blatt 12 gemäß der folgenden Definition: Als Heiztage sind diejenigen Tage definiert, an denen das Tagesmittel der Außentemperatur weniger als 15 °C beträgt. Die Jahressumme der Gradtage (Jahresgradtage) ist die über alle Heiztage eines Jahres gebildete Summe der täglich ermittelten Differenz zwischen einer angenommenen Raumtemperatur von 20 °C und dem Tagesmittelwert der Außentemperatur. Die Einheit ist Kd/a (Kelvin·Tag/Jahr). Je höher die Gradtage sind, desto kälter war es im betreffenden Zeitraum und desto höher war der Heizenergiebedarf.

Datenbasis und Kartenerstellung

Die Datenerhebung und Auswertung der Beobachtungsdaten der Vergangenheit (1971-2000) sowie der Klimamodellsimulationen für die Zukunftszeiträume nahe  (2021-2050) und ferne Zukunft (2071-2100) wurden in Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst durchgeführt. Dabei wurde ein Klimamodellensemble aus 19 regionalen Modellen unter Zugrundelegung des A1B-Szenarios betrachtet. Die Vorgehensweise zur Kartenerstellung ist detailliert im Kapitel Methodik beschrieben (vgl. DWD 2015).

Kartenbeschreibung

In der Vergangenheit spiegelt die Verteilung der Gradtage deutlich den Reliefeinfluss mit den geringsten Werten entlang der Rheinschiene und den höchsten Werten in den Mittelgebirgen wider (vgl. Klimaatlas NRW).

In den Zukunftsprojektionen zeigen die Gradtage eine eindeutige abnehmende Tendenz für Nordrhein-Westfalen. Dabei bewegen sich die Abnahmen im Mittel für Nordrhein-Westfalen für die nahe Zukunft (2021-2050) zwischen 281 und 629 Kd/a. In der fernen Zukunft wird mit Werten von -730 bis -1252 Kd/a eine noch stärkere Abnahme projiziert (Tab. 1).

Tabelle 1: Veränderung der Gradtage (in Kelvin mal Tag pro Jahr) im Mittel für Nordrhein-Westfalen in den Zukunftszeiträumen 2021-2050 und 2071-2100 im Vergleich zur Referenzperiode 1961-1990 (Datengrundlage: Deutscher Wetterdienst) 

 

2021-2050
bezogen auf 1971-2000

2071-2100
bezogen auf 1971-2000

 

15. Perzentil

50. Perzentil

85. Perzentil

15. Perzentil

50. Perzentil

85. Perzentil

 

Veränderung der Gradtage (in Kelvin mal Tag pro Jahr

-628,7

-331,5

-281,1

-1252,0

-871,4

-730,3

 

 

 

Betrachtet man die räumliche Verteilung der Zukunftsprojektionen der Gradtage zeigt sich, dass eine leichte Tendenz für stärkere Abnahmen in den Höhenlagen wie den Mittelgebirgsregionen besteht, wohingegen die Abnahme der Gradtage in den Niederungen beispielsweise entlang des Rheins etwas geringer ausfällt (Abb. 1).

Abbildung 1: Mittlere jährliche Gradtage im Zeitraum 1971-2000 und Änderung der mittleren jährlichen Gradtage in den Perioden 2021-2050 und 2071-2100 bezogen auf den Referenzzeitraum 1961-1990 unter Annahme des Szenarios A1B und auf Basis eines Modellensembles (Datengrundlage: Deutscher Wetterdienst)

Fazit

Die Zukunftsprojektionen zeigen, dass sich der abnehmende Trend der Gradtage (vgl. Klimaatlas NRW) bis zum Ende des Jahrhunderts weiter fortsetzen wird.

Literatur

DWD - Deutscher Wetterdienst (Hrsg.) (2015): Deutscher Klimaatlas - Erläuterungen.

Bodenversiegelungsgrad

Karte  (i)

Grundlagen

Der Bodenversiegelungsgrad beschreibt den Anteil der durch Gebäude, aber auch Verkehrs- und Freiflächen versiegelten Fläche an der gesamten Gebietsfläche. Dabei weisen höhere Werte auf eine stärkere Versiegelung hin (100 % entspricht einer vollständigen Bodenversiegelung, 0 % einer völlig unversiegelten Gebietsfläche).

Datenbasis und Kartenerstellung

Der Bodenversiegelung wurde aus Satellitenbilddaten bestimmt. Bei Wolkenbedeckung konnte der Anteil der versiegelten Fläche nicht klassifiziert werden. Die Satellitendaten stammen von der Europäischen Umweltagentur (EEA – European Environmental Agency), die auch die Klassifizierung vorgenommen hat. Die Ergebnisse sind als Rasterdaten in 20 m- sowie 100 m-Auflösung erhältlich. Die Aufbereitung des Versiegelungsgrads der Gemeindeflächen wurde vom Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung vorgenommen und als wms-Dienst bereitgestellt.

Kartenbeschreibung

In der linken Karte in Abbildung 2 ist die Flächenversiegelung in einer Auflösung von 100 m angegeben. In der rechten Karte ist der Versiegelungsgrad pro Gemeindefläche dargestellt. Aus beiden Karten ergibt sich, dass die höchsten Versiegelungsanteile in den dicht besiedelten Regionen des Ruhrgebietes und entlang der Rheinschiene auftreten. Wohingegen in den ländlichen Räumen die versiegelten Flächen relativ klein sowie der Versiegelungsgrad gering ist.

Abbildung 2: Versiegelte Fläche (links) und Versiegelungsgrad pro Gemeinde in Nordrhein-Westfalen (Quelle: EEA 2011 und IÖR-Monitor©Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung)

Fazit

Die oben dargestellte Bodenversiegelung stellt eine Momentaufnahme dar. Für die zukünftige Entwicklung der Bodenversiegelung ist es schwierig geeignete Annahmen zu treffen. Für die Anpassung an den Klimawandel stellt die Entsiegelung von Flächen in jedem Fall - vor allem im urbanen Bereich - eine wichtige Maßnahme dar.

Literatur

EEA – Euopean Environmental Agency (2011): Raster data set of built-up and non built-up areas including continuous degree of soil sealing ranging from 0 - 100% in aggregated spatial resolution (100 x 100 m and 20 x 20m).

Link 1 (22.08.2014) Link 2 (22.08.2014)

IÖR-Monitor - Leibnitz-Institut für ökologische Raumentwicklung: Anteil der versiegelten Bodenfläche an Gebietsfläche.

Link 1 (22.08.2014) Link 2 (22.08.2014)  Link 3 (22.08.2014)

Potenzial zur Ausbildung einer urbanen Wärmeinsel

Karte  (i)

Mit dem Begriff „urbane Wärmeinsel“ wird der Temperaturunterschied zwischen Städten und den sie umgebenden ländlichen Bereichen beschrieben. Dieser entsteht in erster Linie durch die Bebauung und Versiegelung im urbanen Raum.

Grundlagen

Städte, insbesondere dicht bebaute Stadtquartiere mit einem hohen Versiegelungsanteil, weisen durchschnittlich höhere Lufttemperaturen auf als das unbebaute Umland. Der Effekt der Ausbildung einer Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland wird auch als städtische (urbane) Wärmeinsel oder UHI (von engl. Urban Heat Island) bezeichnet.

Die Ursachen dieses Effektes liegen

  • in den urbanen Materialien, die eine höhere Wärmekapazität und –leitfähigkeit besitzen,
  • in der größeren (dreidimensionalen) Oberfläche der Stadt, die mehr kurzwellige Strahlung aufnehmen kann als die ländliche Umgebung,
  • im höheren Energieverbrauch bzw. in der höheren Emission von Abwärme in Städten, beispielsweise durch Verkehr und die Gebäudeklimatisierung (Oke 1982),
  • in der Stadtgröße bzw. Bevölkerungsanzahl sowie
  • in der Einwohnerdichte der Stadt/des Stadtquartiers (Oke 1973).

Die größten Lufttemperaturdifferenzen zwischen Stadt und Umland treten bei austauscharmen Strahlungswetterlagen (windschwachen Hochdruckwetterlagen) auf und werden meist direkt nach Sonnenuntergang erreicht (Oke 1976), da dicht bebaute Gebiete die Hitze nur langsam abstrahlen.

Datenbasis und Kartenerstellung

Das Potenzial zur Ausbildung einer urbanen Wärmeinsel wurde im Rahmen der Studie „Klimawandel in Nordrhein-Westfalen – Regionale Abschätzung der Anfälligkeit ausgewählter Sektoren“ vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung erhoben. Zur Kartenerstellung des Potenzials für die Ausbildung einer städtischen Wärmeinsel wurden als Bestimmungsfaktoren die durchschnittliche Bevölkerungsdichte sowie der Versiegelungsgrad berücksichtigt. Die Daten wurden in einem Entscheidungsbaum mittels Fuzzy Logik verknüpft (Abb. 3). Mit Hilfe von Fuzzy Logik können quantitative Werte sprachlich (niedrig, mittel, hoch etc.) beschrieben werden. Hier wurde nur die Zugehörigkeit zur sprachlichen Klasse „hoch“ verwendet. Alle Zugehörigkeitsfunktionen steigen von einem unteren Schwellenwert bis zu einem oberen Schwellenwert linear an. Fuzzifizierte Datensätze können Werte zwischen 0 und 1 aufweisen, wobei 1 die volle Zugehörigkeit zur verwendeten linguistischen Klasse darstellt.

Abbildung 3: Entscheidungsbaum zur Bestimmung des UHI mit Hilfe von Fuzzy Logik (Quelle: Kropp et al. 2009)

Zur Abgrenzung der versiegelten Fläche wurden als Schwellenwerte 12,5 % und 40 % verwendet (Lissner et al. 2012). Dabei entspricht der untere Schwellenwert dem durchschnittlichen Versiegelungsgrad in Deutschland und der obere Schwellenwert nimmt fast den doppelten Wert des mittleren Versiegelungsanteils in Nordrhein-Westfalen (= 22 %) an (Lissner et al. 2012).

Zur Abgrenzung der Bevölkerungsdichte wurden die Werte 250 Einwohner (EW) pro Quadratkilometer sowie 1000 Einwohner pro Quadratkilometer verwendet (Lissner et al. 2012). Der untere Schwellenwert entspricht dabei wieder der durchschnittlichen Bevölkerungsdichte Deutschlands und der obere Schwellenwert stellt die Verdoppelung der mittleren Einwohnerdichte in Nordrhein-Westfalen dar (Lissner et al. 2012).

Alle Daten wurden auf Gemeindeebene bestimmt. Ein hohes Potenzial für die Ausbildung einer UHI ergibt sich, wenn in einer Gemeinde sowohl eine hohe Bevölkerungsdichte als auch ein hoher Versiegelungsgrad auftritt.

Kartenbeschreibung

In Abbildung 4 sind das Potenzial für die Ausbildung einer städtischen Wärmeinsel sowie die zur Bestimmung des Potenzials verwendeten Parameter Bevölkerungsdichte und Versiegelungsgrad auf Gemeindeebene dargestellt. In der Metropolregion Rhein-Ruhr ist fast flächendeckend ein sehr hohes Potenzial zur Ausbildung einer urbanen Wärmeinsel vorhanden. In weiteren Großstädten, wie Bielefeld und Aachen, ist ebenfalls ein sehr hohes Potenzial gegeben.

Abbildung 4: Potenzial für die Ausbildung einer urbanen Wärmeinsel basierend auf den Faktoren Bevölkerungsdichte und Versiegelungsgrad (Quelle: Kropp et al. 2009, Lissner et al. 2012)

Fazit

Das in Abbildung 4 dargestellte Potenzial für die Ausbildung urbaner Wärmeinseln bildet den Ist-Zustand ab. Für die zukünftige Entwicklung des Potenzials zur Ausbildung einer Wärmeinsel muss die Veränderung der Bevölkerungsdichte sowie mögliche Änderungen in der Landnutzung berücksichtigt werden. Zudem ist für viele Untersuchungen eine Differenzierung auf lokaler Ebene sinnvoll, da sich auch innerhalb einer Stadt in verschiedenen Stadtquartieren die Bevölkerungsdichte und der Versiegelungsgrad teilweise deutlich unterscheiden.

Literatur

Kropp, J.; Holsten, A.; Lissner, T.; Roithmeier, O.; Hattermann, F.; Huang, S.; Rock, J.; Wechsung, F.; Lüttger, A.; Pompe, S.; Kühn, I; Costa, L.; Steinhäuser, M.; Walther, C.; Klaus, M.; Ritchie, S.; & Metzger, M. (2009): Klimawandel in Nordrhein-Westfalen - Regionale Abschätzung der Anfälligkeit ausgewählter Sektoren“. Abschlussbericht des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) für das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und VerbraucherschutzNordrhein-Westfalen (MUNLV).

Lissner, T. K.; Holsten, A.; Walther, C. & Kropp, J. P. (2012): Towards sectoral and standardised vulnerability assessments: the example of heatwave impacts on human helath. In: Climatic Change, 112 (3-4): 687-708.

Oke, T. R. (1973): City Size and Urban Heat Island. In: Atmospheric Environment, 7 (8): 769-779.

Oke, T. R. (1976): The distinction between canopy and boundary-layer urban heat islands. In: Atmosphere, 14 (4): 268-277.

Oke, T. R. (1982): The Energetic Basis of the Urban Heat-Island. In: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 108 (455): 1-24.