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Teilprojekt 1: Wärme-/Hitzebelastung

Abb.1: Messstation des DWD in Köln; Quelle: DWD
Bild einer Messstation des DWD in Köln

Messnetz

In enger Abstimmung mit der Stadt Köln wurde ein umfangreiches meteorologisches Messnetz  eingerichtet, das bis zum Projektende in Betrieb war. Auf dem Gebiet der Stadt Köln wurden meteorologische Messungen durchgeführt an

  • 4 Stationen des LANUV eigenen lufthygienischen Messnetzes,
  • 2 bestehenden, regulären DWD-Stationen und
  • 11 zusätzlichen DWD-Messstationen.

Die Parameter Lufttemperatur, Niederschlag, Wind (Windrichtung, Windgeschwindigkeit), Luftfeuchte und Strahlung wurden in hoher zeitlicher Auflösung erfasst.

Bei der Auswahl der Stationen wurde Wert darauf gelegt, möglichst viele unterschiedliche Stadtstrukturen zu erfassen. Eine Station steht auf einem begrünten Dach. Abbildung 2 zeigt die Lage der Messstationen.

Lagekarte der Messstationen
Abb. 2: Lage der meteorologischen Messstationen in Köln

Die stationären kontinuierlichen Messungen wurden durch Messfahrten mit dem Profilmessfahrzeug der Mobilen Messeinheit Essen des DWD ergänzt.

Ziel der Messungen war es,

  • das derzeitige Klima der Stadt Köln möglichst exakt zu erfassen (Belastungszonen, hot-spots) und
  • zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Messdaten zur Verfügung zu haben, um die Modellrechnungen zu verifizieren.

Untersuchungen zur Wärmebelastung mit dem Stadtklimamodell MUKLIMO_3

Die globalen Klimaprojektionen aufgrund ihrer groben Auflösung sind nicht ausreichend, um Aussagen zum Stadtklima von Köln bis zur Mitte dieses Jahrhunderts zu treffen. Daher liefert ein Ensemble von Klimaprojektionsrechnungen regionaler Klimamodelle den Input für das mikroskalige Stadtklimamodell MUKLIMO_3 des Deutschen Wetterdienstes: Durch dieses Downscaling "Globales Modell - Regionalmodell - Stadtklimamodell" waren Berechnungen mit einer räumlichen Auflösung von etwa 100 m für das Stadtgebiet Köln möglich. Es wurden die Bebauungsstrukturen und topographischen Gegebenheiten berücksichtigt, so dass die Berechnungen sowohl für den Ist-Zustand als auch das zukünftig erwartete Klima bis Mitte dieses Jahrhunderts detaillierte räumliche Aussagen zur Überschreitung von Schwellenwerten der Temperatur (z.B. Anzahl der Sommertage) lieferten. Mögliche Wärmebelastungszonen in Köln (sogenannten hot spots) konnten so identifiziert werden.

Wesentlicher Vorteil dieser Simulationen mit dem Rechenmodell MUKLIMO_3 ist die Möglichkeit, die Auswirkungen von Eingriffen und Veränderungen in das System "Stadt" gezielt untersuchen zu können, ohne dies in der Realität umgesetzt zu haben.


Abb. 3: Planungshinweiskarte für das Stadtgebiet Köln

Die zukünftige Wärmebelastung (Periode 2021 bis 2050) wird durch die Anzahl heißer Tage des MUKLIMO-Ensembles beschrieben (Klassen 1 bis 5);
die eingezeichneten Pfeile beschreiben wichtige Kaltluftabflüsse (Grundlage: KLAM-Modell des DWD);
vorhandene und geplante Grünzüge sind eingezeichnet; Windrichtungsverteilung (Windrose) der DWD-Station Flughafen Köln-Bonn (1981 bis 2010).

Erste Ergebnisse und Empfehlungen aus den Pilotprojekten des Deutschen Wetterdienstes in den Städten Frankfurt und Berlin sowie dem vom Umweltministerium NRW beauftragten "Handbuch Stadtklima" für das Ruhrgebiet konnten so in Köln getestet werden: wie z.B. ausreichende Schattenzonen durch Bäume im Innenstadtbereich, ein größerer Grünflächenanteil in der Stadt, der Aufbau neuer Stadtteile, die Umwidmung großer Brachflächen zu Grün- oder Wasserflächen oder die geeignete Standortwahl für Alten- und Pflegeheime.

Damit stellt das Modell ein "Labor" für planerische Maßnahmen in Zeiten des Klimawandels dar. Auf Grundlage dieser "Laborergebnisse" wurde eine Planungshinweiskarte angefertigt (Abb.3).

Untersuchungen zur Wärmebelastung mittels gefühlter Temperatur

Häufigere und länger andauernde Hitzeperioden und daraus resultierende Wärmebelastung beeinflussen die Gesundheit, die Leistungsfähigkeit und das Wohlbefinden der Menschen.

Der gesunde Organismus besitzt eine Anpassungsfähigkeit, seine innere Körpertemperatur unabhängig von atmosphärischen Bedingungen und ausgeübter Aktivität innerhalb einer geringen Schwankungsbreite konstant zu halten. Die Anpassungsleistung lässt sich mit Hilfe von Wärmebilanzmodellen von Menschen berechnen (VDI-Richtlinie 3787, Blatt 2, 2008). Dabei werden sowohl die meteorologischen Parameter wie Lufttemperatur, Wind, Feuchte und Strahlung als auch die Aktivität und Bekleidung des Menschen berücksichtigt.

Zu solchen Wärmebilanzmodellen gehört u.a. das Klima-Michel-Modell (KMM), das von einem Modellmenschen (Michel: männlich, 35 Jahre, 1,75 m groß, 75 kg schwer) ausgeht und das durchschnittliche subjektive Empfinden des Menschen berechnet. Das Modell wird auch beim Deutschen Wetterdienst zur Berechnung der gefühlten Temperatur (Einheit °C) verwendet. Die gefühlte Temperatur ist definiert als Lufttemperatur, die in einer Standardumgebung herrschen müsste, um das gleiche Wärme- oder Kälteempfinden zu erreichen und dient zur Beschreibung des thermischen Empfindens (Wärmebelastung, Behaglichkeit, Kältestress).

Die Ermittlung der gefühlten Temperatur ermöglicht, die Bereiche im Stadtgebiet zu identifizieren, die thermisch und physiologisch die Menschen belasten können. Dies wurde auf Basis der stationären Messungen für die Perioden mit austauscharmen Wetterlagen während der Projektlaufzeit durchgeführt.

Des Weiteren wurde der städtebauliche Planentwurf „Großmarktgelände Raderberg“ in Köln hinsichtlich der humanbioklimatischen Auswirkungen auf den Hitzestress an Sommertagen und auf sommerliche Austauschbedingungen untersucht. Anlass ist die geplante Süderweiterung der Innenstadt auf dem Großmarktgelände in Köln-Raderberg, das derzeit ein hoch versiegeltes Gewerbegebiet darstellt und einer neuen Nutzung einschließlich Wohnfunktion zugeführt werden soll. Der Planentwurf wurde in einem nächsten Schritt stadtklimatisch optimiert. Die Berechnungen wurden mit dem dreidimensionalen mikroskaligen Stadtklimamodell ENVI-met durchgeführt.

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