Indikator-Factsheet: Sommerlicher Wärmeinseleffekt

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1 Indikator-Factsheet: Sommerlicher Wärmeinseleffekt Verfasser: Mitwirkung: Letzte Aktualisierung: Bosch & Partner GmbH (Stefan v. Andrian-Werburg) i. A. des Umweltbundesamtes / KomPass, FKZ Deutscher Wetterdienst DWD, Zentrales Klimabüro (Datenbereitstellung inkl. Beratung) Bosch & Partner GmbH (Stefan v. Andrian-Werburg) Nächste Fortschreibung: I Beschreibung Interne Nr. Einheit: Teil A: Anzahl Teil B: C Teil C: C Interpretation des Indikatorwerts: Titel: Sommerlicher Wärmeinseleffekt Fallstudie für Berlin Kurzbeschreibung des Indikators: Teil A: Häufigkeit von Wärmeinselsituationen in ausgewählten Großstädten während der meteorologischen Sommermonate Juni-August im Vergleich von DWD-Messstationen im Innenstadtbereich der jeweiligen Stadt zu DWD- Messstationen im Umland, unterschieden nach den Kategorien geringe Wärmeinselintensität (1-3 Kelvin), mittlere Wärmeinselintensität (>3 bis 6 Kelvin) und hohe Wärmeinselintensität (>6 Kelvin) Teil B: Maximale Wärmeinselintensität während der meteorologischen Sommermonate Juni-August Teil C: Mittlere Wärmeinselintensität während der meteorologischen Sommermonate Juni-August Berechnungsvorschrift: Datengrundlage für die Teile A bis C ist die Ermittlung des Wärmeinseleffekts für die einzelnen Tage des meteorologischen Sommers (Juni-August) nach der folgenden Formel: Wärmeinseleffekt Tag = T min Innenstadt T min Umland Teil A: Häufigkeit von Wärmeinselsituationen in ausgewählten Großstädten (geringe Wärmeinselintensität) = Anzahl der Tage innerhalb des meteorologischen Sommers mit Wärmeinseleffekt Tag >= 1 und Wärmeinseleffekt Tag <= 3 Analog für Wärmeinselsituationen mittlerer und hoher Wärmeinselintensität Teil B: Maximaler Wärmeinseleffekt = Maximaler Wert für Wärmeinseleffekt Tag innerhalb des meteorologischen Sommers Teil C: Mittlerer Wärmeinseleffekt = Σ Wärmeinseleffekt Tag / Anzahl der Tage des meteorologischen Sommers Teil A: Je größer der Indikatorwert, desto häufiger treten in den ausgewählten Großstädten Wärmeinselsituationen auf. Teil B: Je größer der Indikatorwert, desto größer ist der maximale Temperaturunterschied bei Wärmeinselsituationen in den ausgewählten Großstädten Seite 1

2 Teil C: Je größer der Indikatorwert, desto höher liegt der durchschnittliche Temperaturunterschied bei Wärmeinselsituationen in den ausgewählten Großstädten. II Einordnung Handlungsfeld: Indikationsfeld: Thematischer Teilaspekt: DPSIR: Bauwesen Umweltqualität in Städten Veränderung des Stadtklimas und der Luftqualität Impact III Herleitung und Begründung Referenzen auf andere Indikatorensysteme: Begründung: keine Als Auswirkungen des globalen Klimawandels werden für Mitteleuropa in Klimaszenarien u. a. ein Anstieg der durchschnittlichen Temperaturen und eine Änderung der Wettercharakteristik erwartet. Letztere wird sich u. a. in einer Zunahme austauscharmer Wetterlagen, thermischer Extremwerte sowie der Häufigkeit, Dauer und Intensität städtischer Wärmeinselereignisse äußern. In den Sommermonaten kann dies aufgrund des allgemeinen Temperaturanstiegs und der verringerten nächtlichen Abkühlung in den Stadtlagen zu einer zunehmenden Belastung für die Stadtbewohner führen. Von einem relevanten Wärmeinseleffekt wird ab einer Temperaturdifferenz von 1 Kelvin zwischen Stadt und Umland gesprochen (Wienert mdl.). Häufigkeit und Intensität der Wärmeinselereignissen hängen dabei vor allem von der Größe der Stadt ab, daneben spielen aber auch die Wolkenbedeckung und die Windverhältnisse eine wichtige Rolle. Die größten Temperaturunterschiede zwischen Städten und ihrem Umland treten im Winter ebenso wie im Sommer in der Regel in Strahlungsnächten bei den täglichen Temperaturminima auf. D. h. der Wärmeinseleffekt tritt zu diesem Zeitpunkt mit der höchsten Intensität zutage. Der Indikator bezieht sich daher auf die Minima der Tagestemperatur. Hinsichtlich der Auswirkungen des Klimawandels spielt vor allem eine Zuspitzung der thermischen Belastung im Sommer eine Rolle. Eine Berücksichtigung von Monaten, in denen in der Regel keine bzw. keine größeren thermischen Belastungen auftreten, erscheint daher nicht notwendig. Für die Formulierung des Indikators wurden anhand eines Vergleichs der Stationen Berlin Alexanderplatz im Vergleich zu Berlin Schönefeld, für die zum Zeitpunkt der Indikatorentwicklung entsprechende Daten zur Verfügung standen, verschiedene Möglichkeiten zur Festlegung eines Bezugszeitraums untersucht. Geprüft wurde ein Bezug zum klimatologischen Kenntag Sommertag. Dieser Ansatz wurde allerdings verworfen, da die Anzahl der Sommertage je Jahr sehr stark variiert und das Ergebnis dominiert. Aus dem gleichen Grund wurden auch andere Ansätze mit Bezug zu Temperaturschwellenwerten verworfen. Des Weiteren wurden unterschiedliche Zeiträume hinsichtlich ihrer mittleren Minima der Tagestemperatur untersucht. In diese Untersuchung wurden einbezogen: Meteorologische Sommermonate Juni bis einschließlich August Hydrologisches Sommerhalbjahr Mai bis einschließlich Oktober Sommerhalbjahr April bis einschließlich September des sog. Testreferenz Seite 2

3 Schwächen: jahrs; das Testreferenzjahr wird von Ingenieuren und Planern für Berechnungen im raumlufttechnischen Bereich verwendet. Für die Prüfung extremer Belastungen werden für sehr warme Sommerhalbjahre (April bis September) Daten eines realen Jahreszeitraums verwendet. Gesamtjahr Als Kriterien der Prüfung wurden das mittlere Tagesminimum der Temperatur sowie die Differenz zwischen den mittleren Tagesminima der Temperatur der beiden Stationen Berlin Alexanderplatz und Berlin Schönefeld herangezogen. Im Ergebnis zeigte sich für die meteorologischen Sommermonate die höchste Abweichung der mittleren Tagesminima der Temperatur. Vor allem liegt das mittlere Tagesminimum der Temperatur mit über 15 C um wenigstens 2,4 C höher als in den anderen geprüften Zeiträumen. Damit ist zu erwarten, dass dieser Zeitraum die relevanten thermischen Belastungssituation besser abdeckt als andere Zeiträume und dass Wärmeinselsituation bei geringen Temperaturen, die nicht im Zusammenhang mit Belastungssituationen stehen, weitgehend aus der Berechnung ausgeschlossen sind. Für die Darstellung wird eine Einstufung in den drei Kategorien geringe Wärmeinsel-Intensität (1-3 Kelvin), mittlere Wärmeinsel-Intensität (>3 bis 6 Kelvin) und hohe Wärmeinsel-Intensität (>6 Kelvin) vorgeschlagen. Dabei wird berücksichtigt, dass die maximale festgestellte Wärmeinsel-Intensität, gemessen zwischen Berlin Alexanderplatz und Berlin Schönefeld, 8,8 K betrug. Zudem ist berücksichtigt, dass gemäß einer Auswertung einer großen Anzahl empirischer Studien für unterschiedliche Regionen der Erde eine Beziehung zwischen der maximalen Wärmeinselintensität und der Einwohnerzahl einer Stadt besteht. Danach stellt sich die maximale Wärmeinsel-Intensität in der Regel bei windschwachem, wolkenarmen Wetter ein und erreicht für Großstädte Werte zwischen 6 K ( Einwohner) und 9 K (3 Millionen Einwohner) (Kuttler 1997, zit. nach. BBSR 2012). Untersuchungen für Deutschland weisen ebenfalls eine maximale Wärmeinselintensität von ca. 9 K aus und bestätigen damit die vorgeschlagene Einstufung (z. B. Kuttler W. 2011). Für die Ermittlung des Wärmeinseleffekts sind üblicherweise umfangreiche Messreihen notwendig. Für die Bestimmung der maximalen Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland werden dabei zunächst möglichst charakteristische Standorte im Stadtzentrum sowie im Stadtumland ermittelt, an denen möglichst zuverlässig und unter verschiedenen Witterungsbedingungen der Wärmeinseleffekt erfasst werden kann. Die Standortwahl für die Klimamessstationen des DWD erfolgt nicht mit dem Ziel einer Bestimmung des Wärmeinseleffekts, sondern unter anderen Gesichtspunkten (z. B. räumliche Repräsentativität bezogen auf ganz Deutschland bzw. einzelne Regionen, Verfügbarkeit von Flächen zur Einrichtung von Messstationen). Im Vergleich zur üblichen Vorgehensweise zur Bestimmung von Wärmeinseln kann die Verwendung von Daten der Klimamessstationen daher nur eine Annäherung bedeuten, da keine aufwändigen Untersuchungen zur Bestimmung der hierfür optimalen Standorte durchgeführt werden. Zudem können Ungenauigkeiten dadurch entstehen, dass die Temperaturminima an der städtischen und der Umlandstation zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen werden. Es kann nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass die Daten der Klimamessstationen im Umland der jeweiligen Städte einer Beeinflussung durch städtische Faktoren unterliegen. Z. B. steht für die Station Berlin Schönefeld zu vermuten, dass sie durch Wärmefahne der Stadt Berlin beeinflusst ist. Für den Indikator ist ein erhöhter Berechnungsaufwand erforderlich, da aus den zugrundeliegenden Klimadaten der auszuwertenden Stationen umfangreichere Ableitungen notwendig sind, bis der Indikator erzeugt werden kann. Durch die Verlegung der Station Alexanderplatz kommt es zu einer Unterbrechung der Datenreihe, sodass die Fallstudie für die Jahre 2011 bis voraussichtlich 2013 aktuell nicht wird berechnet werden können. Es ist noch zu prüfen, ob Seite 3

4 die Daten trotz der Verlegung homogen sind und die Zeitreihe in einfacher Weise fortgeführt werden kann, oder ob die Verlegung die Vergleichbarkeit der Datenreihe beeinträchtigt. Erläuterungen zur Fallstudie: Rechtsgrundlagen, Strategien: In der DAS beschriebene Klimawandelfolgen: In Rücksprache mit dem DWD stellt die Fallstudie den Wärmeinseleffekt in den meteorologischen Sommermonaten am Beispiel Berlins auf der Grundlage der Differenz der täglichen Minima der Lufttemperatur zwischen den Klimamessstationen Berlin Alexanderplatz (Innenstadt) und Berlin Schönefeld (Umland) dar (vgl. auch Behrens & Grätz 2009). Da die Wärmeinselintensität wesentlich von der Einwohnergröße abhängt (Kuttler 1997, zit. nach. BBSR 2012), bildet die Fallstudie durch den Fokus auf Berlin die Stadt mit der potenziellen intensivsten Wärmeinsel in Deutschland ab. Für andere Großstädte sind keine Stationspaare mit einer entsprechenden Eignung und langjährigen Zeitreihen vorhanden. Von den derzeit durch den DWD betriebenen Messstationen entspricht die Station Berlin Alexanderplatz in ihrer Charakteristik den Anforderungen zur Bestimmung des Wärmeinseleffekts am besten, und auch die Station Berlin Schönefeld als Stadtumlandstation ist für die Darstellung geeignet. Aufgrund dieser Eigenschaften wird auch die längere Unterbrechung der Messungen seit dem Sommer 2011 bis in das Jahr 2014 hinein in Kauf genommen, da mit der Neueinrichtung der Station in unmittelbarer Nähe zum früheren Standort auch eine langfristige Verfügbarkeit vergleichbarer Daten sowohl für die Fallstudie als auch für den Indikator gewährleistet erscheint. Perspektiven für eine bundesweite Darstellung des Indikators: Derzeit wird durch den DWD die Einrichtung eines Stadtklimamessnetzes konzipiert, das einen repräsentativen Querschnitt der (wärmebelasteten) Großstädte in Deutschland hinsichtlich ihrer stadtklimatischen Verhältnisse abbilden können soll. Als Standorte im Gespräch sind neben Berlin auch die Städte München, Frankfurt, Hamburg und Halle sowie das Ruhrgebiet. Der früheste mögliche Zeitpunkt für den Beginn der Datenerhebungen ist nach derzeitigem Sachstand das Jahr Die Messreihen dieser Stationen können perspektivisch auch als Datengrundlage für eine Erweiterung des Indikators zur sommerlichen Wärmeinselsituation in Großstädten dienen. Mit der Hinzunahme von weiteren Stationen entsteht die Notwendigkeit, die Fallstudie auch methodisch weiterzuentwickeln. Zum ersten ist eine Prüfung erforderlich, welche DWD-Klimamessstationen jeweils das Umland der hinzukommenden Städte in geeigneter Weise repräsentieren können. Zum zweiten ist eine Anpassung der Darstellung vorzunehmen, da die bisherige Darstellung nicht direkt um die Ergebnisse weiterer Städte ergänzt werden kann. Sinnvoll könnte als Hauptindikator eine Darstellung der mittleren sowie als Zusatz- Indikator eine Darstellung zur maximalen Wärmeinselintensität jeweils für alle gewählten Großstädte sein. Die Bildung eines arithmetischen Mittels zur Aggregation der Ergebnisse der gewählten Großstädte scheint aufgrund der jeweils individuellen Verhältnisse der Städte, z. B. der Topographie, sowie des Zusammenhangs mit der Einwohnergröße nicht zielführend. Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel 2008 (DAS) Handlungskonzept der Raumordnung zu Vermeidungs-, Minderungs- und Anpassungsstrategien in Hinblick auf die räumlichen Konsequenzen des Klimawandels vom (MKRO 2013), beschlossen von der Ministerkonferenz für Raumordnung am DAS: Kap : Die Stadtklimaeffekte mit Auswirkungen auf die Gesundheit könnten durch den Klimawandel zusätzlich verstärkt werden. Kap : Durch das voraussichtlich häufigere Auftreten von Wärmeperioden und Hitzewellen im Sommer werden insbesondere in verdichteten Räumen Wärmeinseln entstehen Seite 4

5 Ziele: DAS: Kap und 3.2.1: Geeignete Architektur sowie Stadt- und Landschaftsplanung können beitragen, eine klimatisch bedingte verstärkte Aufheizung der Städte und damit Hitzestress zu lindern. Gerade in Ballungszentren sollte die Frischluftzufuhr über unverbaute Frischluftkorridore gewährleistet sein. Dies kann durch die Anlage unverbaubarer Frischluftschneisen und extensiver Grünanlagen als Kälteinseln erfolgen. Städteplaner und kommunale Behörden sollten dem Trend einer weiteren Versiegelung von Freiflächen durch Siedlungs- und Verkehrsflächen entgegen wirken. Kap : Die Raumordnung kann bei der Steuerung der Siedlungsentwicklung unter dem Aspekt der Gesundheit zukünftig verstärkt bioklimatischen Belastungsgebieten Rechnung tragen. Zur Milderung von Hitzefolgen müssen Frisch- und Kaltluftentstehungsgebiete sowie -abflussbahnen im Rahmen der Siedlungsentwicklung freigehalten werden. MKRO 2013, Kap. 3.4: Handlungsschwerpunkte im Handlungsfeld Schutz vor Hitzefolgen (bioklimatische Belastungsgebiete) : Schutz überörtlich bedeutsamer klimawirksamer Freiräume / Ausgleichsflächen: Die Sicherung oder Schaffung von stadtklimatisch relevanten Freiräumen muss in der übergeordneten Landes- und Regionalplanung ansetzen und später in der Bauleit- und Fachplanung umgesetzt werden. Räumliche Steuerung der Siedlungsflächen-/Infrastrukturentwicklung: Festlegung von Siedlungszuwachsflächen als Vorranggebiete sowie Infrastrukturtrassen und -standorte in den Raumordnungsplänen (siehe auch Kap. 2.2); textliche Vorgaben für die Bauleitplanung, wonach bei der Siedlungsentwicklung und anderen raumbedeutsamen Planungen, Maßnahmen und Nutzungen die klimatischen Auswirkungen und erkennbare Gefährdungen durch extreme meteorologische Ereignisse berücksichtigt werden sollen; Darstellung von thermischen Belastungsgebieten Berichtspflichten: keine IV Technische Informationen Datenquelle: Räumliche Auflösung: Geographische Abdeckung: Zeitliche Auflösung: Fallstudie: Deutscher Wetterdienst (DWD): Klimadaten ausgewählter Klimamessstationen Punktdaten Klimamessstationen Berlin Alexanderplatz (Zentrum) und Berlin Schönefeld (Umland) Berlin jährlich, seit 1975 In den 1990er Jahren sind für die Station Berlin Alexanderplatz die Messreihen unvollständig. Die Indikatorwerte für die Jahre 1992 bis 1995 sowie 1997 können daher nicht berücksichtigt werden. Von August 2011 bis voraussichtlich Mai 2014 sind aufgrund einer vorübergehenden Schließung und Verlegung der Station keine Daten verfügbar. Der Indikator kann für die Jahre 2011 bis 2013 nicht berechnet werden, ab dem Jahr 2014 ist eine Berechnung voraussichtlich wieder möglich. Beschränkungen: keine Verweis auf _Daten_Waermeinsel.xlsx Daten-Factsheet: Seite 5

6 V Zusatz-Informationen Glossar: Weiterführende Informationen: Wärmeinseleffekt: Der Wärmeinseleffekt beschreibt die positive horizontale Temperaturdifferenz (Δ TS-U > 0 K) zwischen Stadt und Umland gemessen in 2 Meter Höhe. Städte sind im Jahresmittel u. a. aufgrund der stärkeren Aufwärmung am Tage und der eingeschränkten Abkühlung in der Nacht um etwa 1 bis 2 Grad wärmer als die sie umgebende Landschaft. Besonders große Temperaturunterschiede treten in Strahlungsnächten bei den täglichen Temperaturminima auf. In mitteleuropäischen Großstädten können durchaus maximale Wärmeinselintensitäten von bis zu 10 K beobachtet werden. Wärmeinselintensität: Die Wärmeinselintensität beschreibt das Ausmaß der Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland. Strahlungsnacht: Nacht, in der es aufgrund fehlender oder geringer Bewölkung zu einer ungehinderten terrestrischen Wärmeabstrahlung und somit zu einer starken Abkühlung kommt. Åström D., Forsberg B., Ebi K., Rocklöv J. 2013: Attributing mortality from extreme temperatures to climate change in Stockholm, Sweden. Nature Climate Change 3 (2013), ; doi: /nclimate2022 Baumüller J. 2009: Stadtklima und Stadtplanung im Klimawandel. In: UVP- Gesellschaft (Hrsg.): UVP-Report. Ausgabe 22, 5/2008, Hamm, S BBSR Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (2012): Handbuch zu den neuen Testreferenzjahren 2011 (TRY). mabauen/2008/testreferenzjahre/03 ergebnisse.html Behrens U. & Grätz A. 2009: Stadtplanung und Klimawandel - Eine Kooperation mit der Stadtentwicklungsverwaltung von Berlin. In: Klimastatusbericht Deutscher Wetterdienst (Hrsg.), Offenbach, S Früh B., Becker P., Deutschländer T., Hessel J.-D., Koßmann M., Mieskes I., Namyslo J., Roos M., Sievers U., Steigerwald T., Turau H., Wienert U. 2011: Estimation of climate change impacts on the urban heat load using an urban climate model and regional climate projections. Journal Applied Meteorology and Climatology, Vol. 50, No. 1, Kuttler W. 2011: Climate change in urban areas Part 1, Effects. Environmental Sciences Europe 2011, 23:11 doi: / Kuttler W. 2010: Urbanes Klima Teil 1. In: Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft, 70 (2010), Nr. 7/8. Kuttler W. 2010: Urbanes Klima Teil 2. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft; 70 (2010), Nr. 9. Kuttler W. 2009: Zum Klima im urbanen Raum. In: Klimastatusbericht Deutscher Wetterdienst (Hrsg.), Offenbach, S Kuttler W. 1997: Städtische Klimamodifikation. VDI-Berichte Nr. 1330, Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg & Amt für Umweltschutz Stuttgart 2007: Städtebauliche Klimafibel Online. VI Umsetzung Aufwand und Verantwortlichkeiten Aufwandsschätzung: Datenbeschaffung: Datenverarbeitung: Erläuterung: 1 nur eine datenhaltende Institutionen 3 Vor der Zusammenführung der Daten zur Darstellung des Indikators ist eine komplexere Datenaufbereitung notwendig Seite 6

7 Die Fortschreibung des Indikators (Fallstudie) nimmt etwa 4 Stunden in Anspruch. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Übertragung der umfangreichen Messdaten des DWD in das Daten-Factsheet in mehreren Schritten vorzunehmen ist. Zunächst sind die Daten gemäß den Angaben des DWD aus dem ASCII-Datenformat in das Excel-Format zu konvertieren. Anschließend sind die Datensätze um die für die Auswertung notwendigen Einträge (Stationsname, Stadt, Typ) zu ergänzen. Dabei ist darauf zu achten, dass jeweils identische Eintragungen vorgenommen werden, damit die Funktionalität der im Daten- Factsheet verwendeten Excel-Formeln gewährleistet ist. Im nächsten und letzten Schritt sind die Formeln in den verschiedenen Tabellenblättern fortzuschreiben. Dabei sind auch manuelle Anpassungen der verwendeten Formeln vorzunehmen. Datenkosten: Zuständigkeit: keine Deutscher Wetterdienst (DWD), Sachgebiet Stadt- und Regionalklimatologie Erläuterung: Bezogen auf die Fallstudie kann in einer umfangreicheren Untersuchung noch eine Optimierung hinsichtlich der Stationsauswahl für die Umlandstation erfolgen. Für die Darstellung des Berliner Umlands könnte alternativ die DWD- Messstation Kaniswall verwendet werden. Diese wurde bislang nicht geprüft, da sie erst im Jahr 1996 eingerichtet wurde und daher die Länge der möglichen Zeitreihe deutlich eingeschränkt ist. Bei Vorliegen einer mindestens 20-jährigen Zeitreihe ist zu prüfen, ob diese Station den Unterschied zwischen Stadt und Land nicht besser darstellen könnte. Die Auswirkungen der Stationsverlegung zwischen den Jahren 2011 und 2013 werden durch den DWD geprüft. Der Umgang mit der Datenreihe vor und nach der Verlegung richtet sich nach den Ergebnissen dieser Prüfung. Aufgrund der unmittelbaren räumlichen Nähe der neuen Messstation zum bisherigen Standort wird davon ausgegangen, dass die Datenreihe ohne größere Einschränkungen verwendet werden kann. VII Darstellungsvorschlag Häufigkeit von Wärmeinselsituationen im Sommer (Juni-August) nach Intensität [Anzahl] Wärmeinselintensität 1-3 Kelvin Wärmeinselintensität >6 Kelvin Maximale Wärmeinselintensität Mittlere bzw. Maximale Wärmeinselintensität im Sommer (Juni-August) [Kelvin] Wärmeinselintensität 4-6 Kelvin Wärmeinselsituationen gesamt Mittlere Wärmeinselintensität Datenquelle: DWD (Klimamessstationen Berlin Alexanderplatz und Schönefeld) Seite 7