Stadtklimatische Untersuchungen der sommerlichen Temperaturverhältnisse in Offenbach am Main als Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel

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1 Stadtklimatische Untersuchungen der sommerlichen Temperaturverhältnisse in Offenbach am Main als Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel Ergebnisbericht der Kooperation zwischen der Stadt Offenbach und dem Deutschen Wetterdienst Autoren: Meinolf Koßmann Heike Noppel Barbara Früh Deutscher Wetterdienst Abteilung Klima- und Umweltberatung Offenbach,

2 INHALT Seite Deutscher Wetterdienst 1 Abbildungsverzeichnis 4 Tabellenverzeichnis 8 Zusammenfassung 10 1 Einleitung 12 2 Methodik Allgemeine Erläuterungen Das Stadtklimamodell MUKLIMO_ Quadermethode Klimazeitreihen für die Quadermethode 17 3 Modellkonfiguration MUKLIMO_3 Modellgebiet und Auswertegebiet für Offenbach am Main Der Quader Verwendete Zeitreihen 23 4 Ergebnisse zum Klima im Zeitraum Räumliche Klimavariabilität in Offenbach im Zeitraum Auswirkungen unterschiedlicher Bebauungsstrukturen 26 5 Ergebnisse zur zukünftigen Klimaänderung Auswirkung der Klimaänderung bis zum Zeitraum Auswirkung der Klimaänderung zum Ende des Jahrhunderts 35 6 Stadtklimamessungen Das Messprogramm Ergebnisse der Messungen an den Stationen Profilmessfahrten 54 Stadtklima Offenbach - 2 -

3 7 Vergleich der Modellergebnisse mit den Messergebnissen 60 8 Schlussbemerkungen 66 9 Hinweise auf verwendete Topographiedaten Literatur 68 Stadtklima Offenbach - 3 -

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1: Schematische Darstellung der räumlichen Verfeinerung (Downscaling) der Klimasimulationsrechnungen von der globalen Skala zur städtischen Skala. Die auf IPCC Emissionsszenarien basierenden globalen Klimasimulationen dienen als Antrieb für ein Ensemble höher auflösender regionaler Klimamodelle. Die Ergebnisse der regionalen Klimamodelle dienen wiederum als Eingabedaten des Stadtklimamodells MUKLIMO_3 zur Berechnung der Änderung des urbanen Klimas Abbildung 2-2: Skizze des Quaders zur Illustration der Eckpunktsimulationen und der multiplen linearen Interpolation. Die Quadereckpunkte werden durch Tagesmittelwerte der Lufttemperatur T, der relativen Luftfeuchtigkeit rh und der Windgeschwindigkeit v bestimmt und sind für die im Gebiet von Frankfurt und Offenbach durchgeführten MUKLIMO_3 Simulationen in Tabelle 3-1 aufgelistet Abbildung 2-3: Änderung der Jahresmitteltemperatur im Mittel über Deutschland aus den Klimaprojektionsrechnungen für Vergangenheit und Zukunft (C20 und A1B) im Vergleich zur Referenzperiode Abbildung 3-1: Karte der Geländehöhe für das MUKLIMO_3 Modellgebiet, das um 30 gegen Nord gedreht ist. Die Position von langjährigen DWD-Messstationen sind mit einem + für den Flughafen Frankfurt/Main und einem o für Offenbach gekennzeichnet. Die strich-punktierten Linien zeigen die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offenbach. Die Koordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System Abbildung 3-2: Karte der Landnutzung: 2 Siedlung (locker); 3 Wald; 4 Park; 5 Gewerbe (dicht); 6 Gewerbe (locker); 7 Freiflächen; 9 Wasser; 10 Bankenviertel; 11 Ein- u. Mehrfamilienhäuser (locker); 12 Dorfkern u. Einfamilienhaussiedlung (dicht); 13 Reihenhaussiedlung; 14 Zeilenbebauung (mittel); 15 Zeilenbebauung (dicht) & Hochhäuser; 16 Blockbebauung; 17 City ab Mitte 19. Jh.; 18 - Historischer Stadtkern; 51 Gleise; 52 Kleingärten. Eingetragen sind zusätzlich die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offenbach. Die Koordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System. 20 Abbildung 3-3: Karte der Geländehöhe für den im Südosten des Modellgebiets liegenden Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach, durchgezogene Linien zeigen die Hauptverbindungsstraßen Abbildung 3-4: Karte der Landnutzung für den im Südosten des Modellgebiets liegenden Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach, durchgezogene Linien zeigen die Hauptverbindungsstraßen Abbildung 4-1: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) in Offenbach für den Evaluierungslauf Stadtklima Offenbach - 4 -

5 Abbildung 4-2: Box-Whisker-Plots für jede Landnutzungsklasse im Stadtgebiet von Offenbach für den Zeitraum (EVAL), sowohl für die mittlere jährliche Anzahl an Sommertagen (a) als auch Sommerabenden (b). Die beiden linken Klassen beziehen sich jeweils auf die Anzahl Tage gemittelt über alle Landnutzungen (1. Klasse von links) bzw. gemittelt über alle Landnutzungen mit Ausnahme des Waldes (2. Klasse von links). Die Zahlen über den Box-Whiskers geben die Anzahl der Gitterzellen für die jeweilige Landnutzungsklasse an. 28 Abbildung 5-1: Karten der Änderungen der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage N Tmax 25 in Offenbach als Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d) Abbildung 5-2: Karten der Änderungen der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende N T22 20 in Offenbach als Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d) Abbildung 5-3: Box-Whisker-Plots für die Änderung der mittleren jährliche Anzahl der Sommertage und Sommerabende (A1B) im Vergleich zu (C20) für REMO (blau), CLM (rot), STAR (magenta) und WETTREG (grün), ausgewertet für das Stadtgebiet von Offenbach Abbildung 5-4: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (N Tmax 25 ) in Offenbach für den Zeitraum (A1B) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Die Karten basieren auf der Addition der Anzahl Sommertage für den Zeitraum (EVAL, Abbildung 4-1a) und des Änderungssignals der Anzahl Sommertage des jeweiligen Regionalmodells zwischen den Zeiträumen und (A1B - C20, Abbildung 5-1) Abbildung 5-5: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende (N T22 20 ) in Offenbach für den Zeitraum (A1B) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Die Karten basieren auf der Addition der Anzahl Sommertage für den Zeitraum (EVAL, Abbildung 4-1b) und des Änderungssignals der Anzahl Sommerabende des jeweiligen Regionalmodells zwischen den Zeiträumen und (A1B - C20, Abbildung 5-2) Abbildung 5-6: Box-Whisker-Plots für die Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) bis (A1B) im Vergleich zu (C20) für REMO (blau), CLM (rot) und WETTREG (grün) im Mittel über das Stadtgebiet von Offenbach. 36 Abbildung 6-1: Lage der Stationen (Stadtplan: Stadt Offenbach am Main) Abbildung 6-2: Die Station an der Geleitsstraße ( Innenstadt ). Links: Blick von S (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005) Stadtklima Offenbach - 5 -

6 Abbildung 6-3: Die Station an der Elisabethenstraße ( Wohngebiet ). Links: Blick von O (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005) Abbildung 6-4: Die Station an der Mainwiese ( Umland ). Links: Blick von NW (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005) Abbildung 6-5: Die Station im Wetterpark ( Stadtrand ). Links: Blick von SW (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005) Abbildung 6-6: Für die Messungen In Offenbach eingesetzte Profilmesswagen des Deutschen Wetterdienstes Abbildung 6-7: Verlauf der Lufttemperatur (oben) und der Windgeschwindigkeit (unten) an den Messstationen in Offenbach während der Tage der Profilmessfahrten FF: Betrag der Windgeschwindigkeit, DD: Windrichtung Abbildung 6-8: Wie Abbildung 6-7 aber für die Tage der Profilmessfahrten Abbildung 6-9: Mittlere Differenzen zum Umland (Mainwiese) für das Sommerhalbjahr (April September) 2012 und Oben: Tageswerte der Lufttemperatur. Unten: Anzahl klimatologischer Kenntage Abbildung 6-10: Mittlerer Tagesgang der Lufttemperatur für die Monate Juni, Juli, August der Jahre 2012 und 2013 and den vier Stationen in Offenbach. Für die Stationen Innenstadt und Umland sind zusätzlich die Zahlenwerte der Stundenmittel angegeben Abbildung 6-11: Tagesgang der Lufttemperatur (oben) und der Temperaturdifferenz zum Umland (unten) in Offenbach für eine Schönwetterperiode ( bis ) aus Stundenwerten. 50 Abbildung 6-12: Verlauf der Windgeschwindigkeit (FF) und Windrichtung (DD) an den drei temporären Stationen in Offenbach für den selben Zeitraum wie Abbildung Abbildung 6-13: Stärkewindrosen an den vier Stationen in Offenbach auf Grundlage der 10- Minuten-Werte des Zeitraums Abbildung 6-14: Differenz der zeitkorrigierten, bei der Profilmessfahrt am Abend des gemessenen Lufttemperatur zur Lufttemperatur an der Messstation auf der Mainwiese (jeweils in 2 m ü. Grund). Messfahrten von 21:10 MESZ bis 23:40 MESZ korrigiert auf 22:20 MESZ 57 Abbildung 6-15: Wie Abbildung 6-14, aber für die Nacht des Messfahrten von 03:33 MESZ bis 06:04 MESZ korrigiert auf 04:30 MESZ Stadtklima Offenbach - 6 -

7 Abbildung 6-16: Wie Abbildung 6-14 aber für den Nachmittag des Messfahrten von 15:00 MESZ bis 17:39 MESZ korrigiert auf 16:10 MESZ Abbildung 7-1: Temperaturdifferenzen aus der Profilmessfahrt vom Mittag des und mittlere Anzahl der Sommertage aus den Modellsimulationen Abbildung 7-2: Temperaturdifferenzen aus der Profilmessfahrt vom Abend des und mittlere Anzahl der Sommerabende aus den Modellsimulationen Stadtklima Offenbach - 7 -

8 Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Parameter zur Beschreibung der städtischen Bebauung für die MUKLIMO_3 Landnutzungsklassen: mittlerer Gebäudegrundflächenanteil γ b, mittlere Gebäudehöhe h b in m, mittlerer Wandflächenindex w b und mittlerer Versiegelungsanteil der nicht bebauten Fläche zwischen den Gebäuden ν Tabelle 3-1: Tagesmittelwerte bodennaher Klimaparameter für die in Abbildung 2-2 illustrierten acht Eckpunktsimulationen der Quadermethode Tabelle 4-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der mittleren jährlichen Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für das gesamte Stadtgebiet von Offenbach im Zeitraum (EVAL) Tabelle 5-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage ( N Tmax 25 ) zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für REMO, CLM, WETTREG und STAR. Die Werte zeigen die Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20), ausgewertet über das Stadtgebiet von Offenbach Tabelle 5-2: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende ( N T22 20 ) zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für REMO, CLM, WETTREG und STAR. Die Werte zeigen die Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20), ausgewertet über das Stadtgebiet von Offenbach Tabelle 6-1: Temporäre und stationäre Messstationen in Offenbach Tabelle 6-2: Übersicht über die 6 Profilmessfahrten im Juli Aufgelistet sind die über die Route gemittelte Lufttemperatur in 2 m ü. Grund sowie die jeweilige maximale und minimale Abweichung von diesem Mittelwert (auf Grundlage von 10-m-Daten ohne Zeitkorrektur) Sonnenaufgang war am in Offenbach um 3:43 UTC (5:43 MESZ); Sonnenuntergang um 19:19 UTC (21:19 MESZ). Start- und Endpunkt der West- und Ostroute war die temporäre Station an der Geleitsstraße Tabelle 6-3: Wie Tabelle 6-2 aber für die Fahrten im Jahr Sonnenaufgang war am in Offenbach um 3:25 UTC (5:25 MESZ); Sonnenuntergang um 19:34 UTC (21:34 MESZ). Start- und Endpunkt der West- und Ostroute war die temporäre Station an der Elisabethenstraße Tabelle 6-4: Tageswerte der Wassertemperaturen des Main in C an den Tagen der Profilmessfahrten in Frankfurt-Nied (Quelle: HLUG) Stadtklima Offenbach - 8 -

9 Tabelle 6-5: Mittelwerte verschiedener Klimaparameter an den Messstationen berechnet auf Grundlage der Monate April September der Jahre 2012 und Tabelle 7-1: Mittlere Anzahl der Sommerabende und Sommertage pro Jahr aus den Messungen an der Station Frankfurt a. M. (Flughafen) für den Referenzzeitraum und den Zeitraum der Messungen in Offenbach (April 2012 bis September 2013) Tabelle 7-2: Mittlere Anzahl der Sommerabende und Sommertage pro Jahr aus den Klimasimulationen (Evaluationslauf) und den Messungen sowie anhand der Messungen in Frankfurt auf den Zeitraum korrigierten Messung. Bei den Klimasimulationen ist die Variationsbreite der vier den Stationen nächstgelegenen Gitterzellen wiedergegeben Tabelle 7-3: Tagesmittel einiger Parameter an der Station Frankfurt am Main (Flughafen) für die Tage der Profilmessfahrten. Für die Windrichtung ist der Schwankungsbereich der Stundenwerte angegeben Stadtklima Offenbach - 9 -

10 Zusammenfassung Das Klima in der Stadt Offenbach am Main und seine bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts zu erwartenden Veränderungen wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen der Stadt Offenbach und dem Deutschen Wetterdienst (DWD) untersucht. Der Schwerpunkt lag hierbei auf den zu Wärmebelastung führenden sommerlichen Temperaturverhältnissen. Ziel der Kooperation war einerseits die Schaffung einer, auf hoch auflösenden Computersimulationen basierenden, Datengrundlage für eine dem Klimawandel Rechnung tragende Stadtplanung in Offenbach und andererseits die Klimasimulationen durch detaillierte Klimamessungen bezüglich ihrer Qualität zu untersuchen. Die Computersimulationen mit dem Stadtklimamodell MUKLIMO_3 wurden mit einer räumlichen Auflösung von 100 m durchgeführt. Die Simulationsergebnisse und regionale Klimazeitreihen wurden dazu genutzt um mittels der im DWD entwickelten Quadermethode die mittlere jährliche Anzahl klimatischer Kenntage (Sommertage, Sommerabende) in Offenbach für vergangene und zukünftige 30-jährige Zeiträume zu bestimmen. Zur Berechnung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (Tage mit einer Höchsttemperatur von mindestens 25 C) und Sommerabende (Tage an denen um 22:00 MESZ die Lufttemperatur noch mindestens 20 C beträgt) im Zeitraum wurden Klimabeobachtungen des DWD als regionale Klimazeitreihe für die Quadermethode genutzt. Die durch den Klimawandel zu erwartenden Veränderungen der Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden im Zeitraum wurden bestimmt, indem ein Ensemble regionaler Klimaprojektionen als regionale Klimazeitreihe verwendet wurde. Die mit 100 m Auflösung berechnete Anzahl an Kenntagen zeigt, dass im Zeitraum im Stadtzentrum von Offenbach bis etwa 56 Sommertage (77 Sommerabende) pro Jahr auftreten, während über ländlichen Freiflächen außerhalb der Stadt im Mittel nur etwa 41 Sommertage (67 Sommerabende) pro Jahr erreicht werden. Die niedrigsten Werte von etwa 30 Sommertagen (60 Sommerabenden) pro Jahr finden sich in den Waldgebieten im Süden von Offenbach. Die Änderungen der Kenntage bis zum Zeitraum wurde auf der Basis von regionalen Klimaprojektionen der Klimamodelle REMO, CLM, WETTREG und STAR berechnet, die wiederum jeweils mit Simulationen des globalen Klimamodells ECHAM5 für das moderate IPCC SRES Szenario A1B angetrieben wurden. Wie schon bei Studien für andere Städte zeigte sich, dass die Zunahme der Sommertage und Sommerabende nicht signifikant von der Flächennutzung bzw. Bebauungsstruktur abhängt. Projektionsübergreifend ergibt die statistische Auswertung der Änderungssignale auf dem 90% Signifikanzniveau bis Mitte des Jahrhunderts im Stadtgebiet von Offenbach eine Zunahme um 5 bis 31 zusätzliche Sommertage und 6 bis 32 zusätzliche Sommerabende. Absolut ergeben sich durch diese Zunahme im Stadtzentrum von Offenbach etwa 70 bis 83 Sommertage und 91 bis 100 Sommerabende pro Jahr für den Zeitraum Stadtklima Offenbach

11 Temporäre Messungen erfolgten in Offenbach an 3 Stationen, die im Umland ( Mainwiese ), in einem Wohngebiet ( Elisabethenstraße ) und in der Innenstadt ( Geleitsstraße ) im Zeitraum bis durchgehend betrieben wurden und die Daten einer am Stadtrand ( Wetterpark ) gelegenen operationellen DWD Station ergänzen. Zusätzlich wurden an mehreren Tagen im Juli 2012 und Juli 2013 mittags, abends und vor Sonnenaufgang Profilmessfahrten mit ein oder zwei instrumentierten Kraftfahrzeugen durchgeführt um die thermischen Strukturen in der Stadt und dem nahen Umland zu erfassen. Die Stationsmessungen und die Profilmessfahrten zeigen, dass die nächtliche Abkühlung in der Stadt durch die Bebauung stark reduziert ist, wobei die städtische Wärmeinselintensität gegen 23:00 MESZ am stärksten ausgebildet ist und bis zu 7 K 1 betragen kann. Der Vergleich der Messungen mit den Modellsimulationen belegt bei Tag eine sehr gute Übereinstimmung der thermischen Situation in Offenbach. Nach Sonnenuntergang zeigen die Vergleiche aber deutliche Abweichungen zwischen Modell und Beobachtungen und geben somit wertvolle Hinweise zur Modellverbesserung. 1 Kelvin (K) ist die wissenschaftliche Einheit für Temperaturdifferenzen. Eine Temperaturdifferenz von 1 K entspricht umgangssprachlich einer Temperaturdifferenz von 1 Celsius Stadtklima Offenbach

12 1 Einleitung Nach heutigem Kenntnisstand wird sich die seit Ende des 19ten Jahrhunderts beobachtete Klimaerwärmung in Mitteleuropa bis zum Ende dieses Jahrhunderts fortsetzen. Wegen des hohen Bevölkerungsanteils der in Städten lebt und aufgrund des städtischen Wärmeinseleffekts (Kuttler, 2009), sind Städte und somit auch die Stadt Offenbach am Main von den zukünftig zu erwartenden Gesundheitsrisiken durch Wärmebelastung besonders betroffen. Um sich frühzeitig auf den erwarteten Klimawandel einzustellen, hat die Stadt Offenbach mit dem Deutschen Wetterdienst im Dezember 2011 eine Kooperationsvereinbarung getroffen. Der Stadt Offenbach sollen dabei Informationen zum aktuellen und zukünftigen Stadtklima zur Verfügung gestellt werden, gleichzeitig soll ein vom Deutschen Wetterdienst entwickeltes Verfahren anhand von Messungen evaluiert werden. Dabei wird auch auf Daten zurückgegriffen, die im Rahmen einer von 2007 bis 2011 durchgeführten Kooperation des DWD mit der Stadt Frankfurt am Main gewonnen wurden. Diese Kooperation mit der Stadt Frankfurt ermöglichte es dem Deutschen Wetterdienst ein neues Verfahren zur Untersuchung des vergangenen und zukünftigen Stadtklimas zu entwickeln und anzuwenden. Das Verfahren, die sogenannte Quadermethode, stellt die von Städten zur Klimaanpassung benötigten Klimainformationen mit hoher räumlicher Auflösung bereit. Als Eingangsdaten werden vieljährige regionale Klimazeitreihen und hoch aufgelöste Simulationen mit dem Stadtklimamodell MUKLIMO_3 verwendet. Die Evaluierung der Ergebnisse für Frankfurt am Main (Früh et al. 2011a, 2011b) zeigte, dass die mit der Quadermethode durchgeführten Berechnungen zur Änderung von klimatologischen Kenntagen (z.b. mittlere jährliche Anzahl Sommertage oder Sommerabende) durch den regionalen Klimawandel eine hohe Güte aufweisen. Da zur Evaluierung jedoch nur Daten von sehr wenigen Klimastationen zur Verfügung stehen, war eine Bewertung der räumlichen Variabilität der Klimakenntage nur sehr eingeschränkt möglich. Der Aufwand für die Erhebung von hoch aufgelösten Messdaten zur Evaluierung der berechneten räumlichen Klimavariabilität ist für große Städte wie Frankfurt besonders hoch. Da die räumlich hoch aufgelösten Simulationen mit MUKLIMO_3 auch das Gebiet der Stadt Offenbach am Main abdecken, ergab sich durch das vom Offenbacher Magistrat an den DWD herangetragene Interesse an einer Datengrundlage zur Entwicklung einer Anpassungsstrategie an den Klimawandel in Offenbach die Möglichkeit die erforderlichen Messdaten zur Modellevaluierung in einer kleinen Großstadt mit überschaubarem Aufwand zu erheben und auszuwerten. Dieser Bericht fasst die wesentlichen Ergebnisse der Kooperation zusammen. Der erste Teil des Berichts (Kapitel 2 bis 5) umfasst die Auswertung der ursprünglich für die Stadt Frankfurt berechneten Klimaprojektionen für das Stadtgebiet von Offenbach. Um den Umfang des Berichts zu begrenzen wird bezüglich der Methodenbeschreibung überwiegend auf die frei verfügbare Publikation von Früh et al. (2011a) verwiesen. Der zweite Teil des Berichts (Kapitel 6 und 7) beschreibt die Durchführung und Auswertung von Messungen in Offenbach sowie die auf den Messdaten basierende Evaluation der Klimasimulationen. Abschließende Bemerkungen sind in Kapitel 8 zusammengefasst. Stadtklima Offenbach

13 2 Methodik 2.1 Allgemeine Erläuterungen Um die globalen Projektionen des zukünftig zu erwartenden Klimas (IPCC, 2007) mit einer typischen räumlichen Auflösung von 200 km auf eine für die Stadtplanung nutzbaren Auflösung zu verfeinern, werden diese in zwei Arbeitsschritten herunter skaliert (Abbildung 2-1). Im ersten Skalierungsschritt werden die globalen Klimaprojektionsrechnungen mittels dynamischer und statistischer Methoden auf eine regionale Skala mit einer typischen Auflösung von 10 bis 20 km herunter gerechnet. Auf diese Weise erhaltene regionale Klimaprojektionen stehen für Deutschland in verschiedenen Datenbanken allen Interessierten zur Nutzung bereit. Sie erlauben die in Deutschland regional unterschiedlich ausfallende Klimaänderung abzuschätzen. Die für die vorliegende Studie genutzten regionalen Klimaprojektionen werden in Kapitel 2.4 beschrieben. Abbildung 2-1: Schematische Darstellung der räumlichen Verfeinerung (Downscaling) der Klimasimulationsrechnungen von der globalen Skala zur städtischen Skala. Die auf IPCC Emissionsszenarien basierenden globalen Klimasimulationen dienen als Antrieb für ein Ensemble höher auflösender regionaler Klimamodelle. Die Ergebnisse der regionalen Klimamodelle dienen wiederum als Eingabedaten des Stadtklimamodells MUKLIMO_3 zur Berechnung der Änderung des urbanen Klimas. Für den zweiten Skalierungsschritt von der regionalen auf die (lokale) städtische Skala wird in dieser Untersuchung das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 des Deutschen Wetterdienstes eingesetzt. Für die Kopplung zwischen regionaler und städtischer Skala wurde eine als Quadermethode bezeichnete spezielle Technik entwickelt und eingesetzt (Früh et al., 2011a und 2011b). Stadtklima Offenbach

14 2.2 Das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 Das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 (3-dimensionales mikroskaliges urbanes Klimamodell) des Deutschen Wetterdienstes wurde speziell zur Untersuchung stadtklimatologischer und geländeklimatologischer Fragestellungen entwickelt (Sievers und Zdunkowski, 1986; Sievers, 1990 und 1995). Basierend auf den Prinzipien der Massenerhaltung, Energieerhaltung und Impulserhaltung berechnet MUKLIMO_3 auf einem 3-dimensionalen Rechengitter den Tagesgang des Windes, der Lufttemperatur und -feuchtigkeit, der solaren und thermischen Strahlung, der Temperatur und des Feuchtegehalts im Erdboden sowie vieler weiterer relevanter Parameter. Die räumliche Auflösung des Modells liegt typischerweise zwischen wenigen Metern und mehreren hundert Metern. Die Rechengitterweiten können im Modellgebiet horizontal und vertikal variiert werden, wobei typischerweise in Bodennähe und in dem im Untersuchungsmittelpunkt stehenden Teil des Modellgebiets die höchste Auflösung gewählt wird. Die für Modellsimulationen benötigten Anfangs- und Randwerte für das Modellgebiet (und somit das Regionalklima) werden durch eine automatisch zusätzlich ablaufende ein- bzw. zweidimensionale MUKLIMO_3 Simulation mit ländlicher Landnutzung bestimmt. Simulationen mit MUKLIMO_3 werden meist für Zeiträume zwischen mehreren Stunden und einigen Tagen durchgeführt. Da die Modellphysik von MUKLIMO_3 keine Niederschlagsbildung enthält, kann das Modell nur für niederschlagsfreie Situationen eingesetzt werden. Neben den meteorologischen Eingangsgrößen benötigt das Modell für jede Gitterzelle die Höhe über NN und Informationen zur Art der Landnutzung. In Analogie zum Ansatz von Gross (1989) erfolgt die Beschreibung der Struktur der städtischen Bebauung anhand folgender Parameter: mittlerer Gebäudegrundflächenanteil γ b, mittlere Gebäudehöhe h b, mittlerer Wandflächenindex w b und mittlerer Versiegelungsanteil der nicht bebauten Fläche zwischen den Gebäuden ν (siehe Tabelle 2-1). Die Definition der MUKLIMO_3 Landnutzungsklassen für Bebauung orientiert sich an der technischen Beschreibung von neun verschiedenen Bebauungsstrukturen des Bundesministeriums für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau (BMBau, 1980). Da bei der verwendeten horizontalen Modellauflösung die Bebauungsstrukturen in einer Modellgitterzelle stark variieren können, erlaubt MUKLIMO_3 neben der primären (häufigsten) Bebauungsstruktur auch eine sekundäre (zweitwichtigste) Bebauungsstruktur zu simulieren (z.b. für die Klasse 15). Die Berechnung der Lufttemperatur in bebauten Gebieten berücksichtigt die Reflexion und Absorption von Strahlung (Sievers und Früh, 2012) sowie die Speicherung von Wärme in den Gebäuden. Die Beschreibung des Wärme- und Feuchtehaushalts des Bodens erfolgt nach der Methode von Sievers et al. (1983). Das Vegetationsmodell basiert auf einem erweiterten Ansatz nach Siebert et al. (1992). Weitere Details zum Modell MUKLIMO_3 finden sich in Früh et al. (2011a). Stadtklima Offenbach

15 Tabelle 2-1: Parameter zur Beschreibung der städtischen Bebauung für die MUKLIMO_3 Landnutzungsklassen: mittlerer Gebäudegrundflächenanteil γ b, mittlere Gebäudehöhe h b in m, mittlerer Wandflächenindex w b und mittlerer Versiegelungsanteil der nicht bebauten Fläche zwischen den Gebäuden ν. Klasse Beschreibung γ b h b w b ν 1 Siedlung (dicht) 0, ,70 0,80 2 Siedlung (locker) 0,12 8 2,80 0,25 5 Gewerbegebiet (dicht) 0, ,90 0,55 6 Gewerbegebiet (locker) 0, ,50 0,80 10 Bankenviertel (primär) mit Hochhäusern (sekundär) 0,45 0, ,49 29,25 0,95 11 Ein- und Mehrfamilienhäuser (locker) 0,20 9 2,88 0,30 12 Dorfkern und Einfamilienhäuser (dicht) 0,50 9 2,23 0,80 13 Reihenhaussiedlung 0,35 9 1,73 0,30 14 Zeilenbebauung (mittel) 0, ,68 0,80 15 Zeilenbebauung (dicht) (primär) und Hochhäuser (sekundär) 0,12 0, ,49 10,53 0,90 16 Blockbebauung 0, ,08 0,80 17 City (ab Mitte 19. Jh.) 0, ,14 0,90 18 Historischer Stadtkern 0, ,62 0, Quadermethode Sehr hoch auflösende Simulationen mit dynamischen Klimamodellen wie MUKLIMO_3 sind für klimatologische Zeiträume von 30 Jahren extrem aufwendig und mit heutigen Computern noch nicht leistbar. Zur Reduzierung des Rechenaufwands wurde daher die Quadermethode als dynamisch-statistisches Downscaling-Verfahren entwickelt (Früh et al., 2011a und 2011b). Die Quadermethode basiert auf der Annahme, dass das lokale Auftreten wärmebelastender Wetterlagen im Wesentlichen von den regional repräsentativen Werten der drei Klimaparameter Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit abhängt. Die Minima und Maxima dieser drei Klimaparameter beschreiben einen dreidimensionalen Ereignisraum, der als Quader visualisiert werden kann (Abbildung 2-2). Stadtklima Offenbach

16 Abbildung 2-2: Skizze des Quaders zur Illustration der Eckpunktsimulationen und der multiplen linearen Interpolation. Die Quadereckpunkte werden durch Tagesmittelwerte der Lufttemperatur T, der relativen Luftfeuchtigkeit rh und der Windgeschwindigkeit v bestimmt und sind für die im Gebiet von Frankfurt und Offenbach durchgeführten MUKLIMO_3 Simulationen in Tabelle 3-1 aufgelistet. Da Klimabeobachtungen über sehr lange Zeiträume zwar die Tagesmaximum- und -minimumtemperatur umfassen, nicht aber die Tagesextrema für die relative Feuchte und für die Windgeschwindigkeit, wird im Folgenden für die regionalen Klimaparameter der Wertebereich ihrer Tagesmittelwerte betrachtet. Die für diese Studie gewählten Tagesmittelwerte an den Quadereckpunkten werden in Kap. 3.2 vorgestellt. Es werden für jede Hauptwindrichtung acht als Eckpunktsimulationen bezeichnete Berechnungen von räumlich hoch aufgelösten Tagesgängen des Lokalklimas mit dem Modell MUKLIMO_3 durchgeführt, die den in Abbildung 2-2 skizzierten Quader aufspannen. Den Tagesgang der Klimaparameter an allen Gitterpunkten von MUKLIMO_3 für einen beliebigen Tag X erhält man dann aus den Ergebnissen der acht Eckpunktsimulationen für die entsprechende Windrichtung mittels dreifacher linearer (tri-linearer) Interpolation auf die regionalen Mittelwerte des Tages X (Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit). Zur Bestimmung von klimatologischen Kenntagen werden die bodennahen Felder (Gitterpunktswerte) der Lufttemperatur bezüglich des Tagesmaximums, des Tagesminimums oder für eine bestimmte Uhrzeit des Tages ausgewertet. Stadtklima Offenbach

17 2.4 Klimazeitreihen für die Quadermethode Als Eingangsdaten für die Quadermethode werden, neben den MUKLIMO_3 Simulationen für die Klimabedingungen der Quadereckpunkte, langjährige Reihen von Tageswerten aus Klimabeobachtungen (z.b ) und aus regionalen Klimaprojektionen (z.b und ) benötigt. Diese für die tri-lineare Interpolation (s. Kap. 2.3) genutzten Klimazeitreihen müssen möglichst repräsentativ für die Region um die Stadt (ähnliche topographische Lage) und möglichst frei von städtischen Einflüssen sein (Deutschländer et al., 2008). Zur Ermittlung des zukünftigen regionalen Klimas wird im vorliegenden Fall ein Ensemble von vier regionalen Klimaprojektionen verwendet, um die Unsicherheiten, welche in diesen Modellsimulationen stecken, zu berücksichtigen. Zwei dieser vier Projektionen wurden mit den numerischen Klimamodellen REMO (Jacob et al., 2008; Modellbetreiber: Max-Planck-Institut für Meteorologie) und CLM (Hollweg et al., 2008; Modellbetreiber: CLM-Community) erzeugt, die beiden anderen mit statistischen Verfahren WETTREG (Enke et al., 2005; Modellbetreiber: Climate & Environment Consultancy Potsdam GmbH) und STAR (Orlowsky et al., 2008; Modellbetreiber: Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung). Alle 4 regionalen Klimaprojektionen sind mit Daten des globalen Klimamodells ECHAM5 (Roeckner et al., 2006a; Hagemann et al., 2006; Roeckner et al., 2006b) angetrieben (siehe Abbildung 2-1), wobei von dem moderaten SRES Emissionsszenario A1B (Abbildung 2-1) ausgegangen wird. Simulationen für Zeiträume im 20. Jahrhundert werden mit C20 (Kontrolllauf) bezeichnet. Hier präsentierte Auswertungen nutzen die Zeiträume (Kontrollzeitraum C20) und (SRES Szenario A1B, Nakicenovic und Swart, 2000). Ein detaillierter Überblick über die Modelle und Simulationen ist Früh et al. (2011a und 2011b) zu entnehmen. Abbildung 2-3: Änderung der Jahresmitteltemperatur im Mittel über Deutschland aus den Klimaprojektionsrechnungen für Vergangenheit und Zukunft (C20 und A1B) im Vergleich zur Referenzperiode Stadtklima Offenbach

18 Abbildung 2-3 zeigt die Änderung der 30-jährigen Mitteltemperatur in Deutschland im Vergleich zur Referenzperiode , wie sie von den vier regionalen Modellen sowie dem globalen Modell (ECHAM) prognostiziert wird. Die rötlichen Linien beziehen sich auf drei ECHAM5 Realisierungen (r1 bis r3), welche sich durch leicht unterschiedliche Klimabedingungen zu Beginn der Industrialisierung unterscheiden. Als Antrieb für die Regionalisierungsverfahren wurde ECHAM5-r1 verwendet. Die magenta-farbene und die blaue Linie zeigen die projizierte Temperaturzunahme der beiden regionalen Klimamodelle REMO und CLM, die nur wenige zehntel Grad voneinander abweichen. Die grüne Linie zeigt die mit WETTREG berechnete Temperaturzunahme als Mittel aller 20 verfügbaren Realisierungen auf der Basis von ECHAM5-r1. Im Vergleich zu allen anderen Verfahren ist die 30-jährige Mitteltemperatur in Deutschland aus WETTREG deutlich geringer. Die violette Linie zeigt eine vom PIK (Potsdam Institut für Klimafolgenforschung) ausgewählte Realisierung der STAR Ergebnisse, welche im Vergleich zu den anderen eine deutlich höhere Temperaturzunahme projiziert. Sie ist im Jahr 2040 nahezu identisch mit der wärmsten ECHAM5 Realisierung r2. Für die Auswertung sind alle 4 regionale Klimaprojektionen als gleich wahrscheinlich zu betrachten. Die sich regional und letztendlich auch für das Stadtgebiet ergebenden Unterschiede in den Klimaparametern spannen somit einen Wertebereich auf, innerhalb dessen im Rahmen der 4 Projektionen für das Emissionsszenario A1B die zukünftige Klimaänderung zu erwarten ist. Die regionalen Klimaprojektionsdaten von REMO, CLM und WETTREG (Jacob, 2005; Keuler und Lautenschlager, 2006; Kreienkamp und Enke, 2006) stammen aus der CERA-Datenbank des World Data Center for Climate in Hamburg ( Die Daten von STAR basieren auf der Version 2 des Verfahrens und wurden dem Deutschen Wetterdienst direkt vom PIK zur Verfügung gestellt. Stadtklima Offenbach

19 3 Modellkonfiguration 3.1 MUKLIMO_3 Modellgebiet und Auswertegebiet für Offenbach am Main Die horizontale Auflösung des Modellgebietes beträgt im 26,8 km x 20,4 km großen Kerngebiet 100 m. Dieses ist von sechs äußeren (hier nicht abgebildeten) Gitterzellen umgeben, deren Auflösung gröber ist und auf bis zu 500 m anwächst. Dies erfolgt, um eventuelle numerische Randeffekte der Modellsimulationen zu eliminieren. Insgesamt werden 280 Gitterzellen in x- Richtung und 216 Gitterzellen in y-richtung verwendet. In Abbildung 3-1 und Abbildung 3-2 ist die Topographie des Modellgebiets jeweils nur für den Bereich mit der 100 m Auflösung dargestellt. Die Ergebnisse der Modellsimulationen für die Stadtgebiet Offenbach werden für den im Südosten liegenden 11,1 km x 10,1 km großen Ausschnitt dargestellt (Abbildung 3-3, Abbildung 3-4). Die vertikale Auflösung des Modells MUKLIMO_3 reicht von 10 m in den untersten 100 m bis zu 50 m zwischen 200 m und 750 m Höhe bei 25 Schichten. Das Modellgebiet ist um 30 Grad gegen Nord gedreht. Die Quellen der Topographiedaten sind in Kapitel 9 beschrieben. Abbildung 3-1: Karte der Geländehöhe für das MUKLIMO_3 Modellgebiet, das um 30 gegen Nord gedreht ist. Die Position von langjährigen DWD-Messstationen sind mit einem + für den Flughafen Frankfurt/Main und einem o für Offenbach gekennzeichnet. Die strich-punktierten Linien zeigen die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offenbach. Die Koordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System. Stadtklima Offenbach

20 Abbildung 3-2: Karte der Landnutzung: 2 Siedlung (locker); 3 Wald; 4 Park; 5 Gewerbe (dicht); 6 Gewerbe (locker); 7 Freiflächen; 9 Wasser; 10 Bankenviertel; 11 Ein- u. Mehrfamilienhäuser (locker); 12 Dorfkern u. Einfamilienhaussiedlung (dicht); 13 Reihenhaussiedlung; 14 Zeilenbebauung (mittel); 15 Zeilenbebauung (dicht) & Hochhäuser; 16 Blockbebauung; 17 City ab Mitte 19. Jh.; 18 - Historischer Stadtkern; 51 Gleise; 52 Kleingärten. Eingetragen sind zusätzlich die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offenbach. Die Koordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System. Abbildung 3-1 und Abbildung 3-3 zeigen die Geländehöhe über NN im MUKLIMO_3 Modellgebiet und im Modellauschnitt um Offenbach. Der Main fließt mäandrierend von Ost nach West und bildet im Norden und Nordwesten die Offenbacher Stadtgrenze. Hier treten mit Werten um 95 m über NN die niedrigsten Geländehöhen in Offenbach auf. Im Nordwesten des Modellgebiets liegen die Ausläufer des Taunus mit einer Modellhöhe von bis zu 281 m ü. NN. Der zu Frankfurt gehörende, etwa 6 bis 7 km nördlich des Offenbacher Stadtzentrums gelegene Berger Rücken hat eine Höhe von bis zu 205 m. Der bis zu 150 m erreichende Frankfurter Stadtwald liegt etwa 3 bis 4 km west-südwestlich des Offenbacher Stadtzentrums. Im generell relativ flachen, vom Main aus in südliche Richtungen langsam ansteigenden Gelände sind der Bieberer Berg (130 m) im Osten und die Rosenhöhe (125 m) im Süden der Stadt die bedeutsamsten natürlichen Geländeerhebungen in Offenbach (Abbildung 3-3). Diese werden noch überragt von den kleineren, etwa 170 m hohen künstlichen Aufschüttungen des Schneckenbergs (am Nordende des Bieberer Bergs) und des Monte Scherbelino (im Westen von Offenbach am Autobahnkreuz Offenbach). Stadtklima Offenbach

21 Abbildung 3-3: Karte der Geländehöhe für den im Südosten des Modellgebiets liegenden Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach, durchgezogene Linien zeigen die Hauptverbindungsstraßen. Abbildung 3-4: Karte der Landnutzung für den im Südosten des Modellgebiets liegenden Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach, durchgezogene Linien zeigen die Hauptverbindungsstraßen. Stadtklima Offenbach

22 Abbildung 3-2 und Abbildung 3-4 zeigen die Landnutzung im MUKLIMO_3 Modellgebiet und im Modellauschnitt um Offenbach. Die wichtigsten physikalischen Parameter der städtischen Landnutzungsklassen (Bebauungsstrukturen) können Tabelle 2-1 entnommen werden. In der Offenbacher Innenstadt ist die City-Bebauung überwiegend von Bezirken mit Blockbebauung umgeben. In den äußeren Stadtbereichen ist die Bebauung hingegen durch Cluster mit Zeilenbebauung, Reihenhausbebauung, Ein- und Mehrfamilienhäusern oder Gewerbe charakterisiert. Im Stadtgebiet gibt es einige größere Areale mit hohem Grünflächenanteil wie Kleingärten oder der Alte Friedhof. Städtische Waldflächen gibt es vor allem im Süden und auf dem Bieberer Berg im Osten. 3.2 Der Quader Wie in der Studie von Früh et al. (2011a, 2011b) wird in diesem Bericht das Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes der Lufttemperatur als Proxy Parameter für die Wärmebelastung herangezogen. Diese ist nicht zu verwechseln mit der Wärmebelastung im humanbiometeorologischen Sinn, die auf Basis von Wärmehaushaltsmodellen des Menschen (VDI, 2008) berechnet werden kann. Die zuvor beschriebene Quadermethode (Kap. 2.3) wird hier auf das Stadtgebiet von Offenbach am Main zur temperaturbasierten Analyse sommerlicher Hitzeperioden angewendet. Die als Quadereckpunkte gewählten Tagesmittelwerte der Temperatur, der relativen Feuchte und der Windgeschwindigkeit sind in Tabelle 3-1 aufgelistet. Die aus der Quadermethode resultierenden, interpolierten Temperaturfelder werden anschließend hinsichtlich der Überschreitung ausgewählter Schwellenwerte für 30-jährige Zeiträume ausgezählt (sog. klimatologische Kenntage). Die hier untersuchten Schwellenwerte sind wie folgt definiert: - Sommertage mit einer Tageshöchsttemperatur 25 C (N Tmax 25 ), - Sommerabende mit einer 22 MESZ Lufttemperatur 20 C (N T22 20 ), Die Sommertage geben Auskunft über hohe Temperaturniveaus am Nachmittag, an denen in der Regel das Tagesmaximum der Lufttemperatur erreicht wird. Sommerabende charakterisieren Abende, an denen man sich noch bei sommerlichen Temperaturen im Freien (z.b. im Biergarten) aufhalten kann. In Hitzeperioden wirken sich insbesondere hohe abendliche Temperaturen negativ auf das Wohlbefinden und die Gesundheit aus, da die hohe Wärmebelastung in der Nacht eine ausreichende Erholung des Organismus verhindert. Die von Früh et al. (2011a) durchgeführte Evaluation belegte für die mittlere jährliche Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit Beobachtungen. Andere Kenntage (heiße Tage, Tropennächte, etc.) wiesen aufgrund der geringen mittleren jährlichen Anzahl eine deutlich geringere Güte auf und werden daher im Folgenden nicht betrachtet. Stadtklima Offenbach

23 Tabelle 3-1: Tagesmittelwerte bodennaher Klimaparameter für die in Abbildung 2-2 illustrierten acht Eckpunktsimulationen der Quadermethode Simulation Lufttemperatur [ C] Rel. Luftfeuchtigkeit [%] Windgeschwindigkeit (m/s) ,0 (T c,min) 42 (rh c,min) 0,7 (v c,min) ,0 (T c,max) 42 (rh c,min) 0,7 (v c,min) ,0 (T c,min) 80 (rh c,max) 0,7 (v c,min) ,0 (T c,min) 42 (rh c,min) 3,0 (v c,max) ,0 (T c,max) 80 (rh c,max) 0,7 (v c,min) ,0 (T c,max) 42 (rh c,min) 3,0 (v c,max) ,0 (T c,min) 80 (rh c,max) 3,0 (v c,max) ,0 (T c,max) 80 (rh c,max) 3,0 (v c,max) 3.3 Verwendete Zeitreihen Die 30-jährigen Zeitreihen, welche die für Frankfurt und Offenbach regional repräsentativen Umgebungsbedingungen widerspiegeln und als Eingabedaten der Quadermethode dienen, stammen sowohl aus Beobachtungen als auch aus Klimaprojektionen. Die Zeitreihe der DWD-Messstation am Flughafen Frankfurt/Main wird zur Evaluierung der klimatologischen Kenntage verwendet. Zur Abschätzung der Klimaänderung werden Zeitreihen regionaler numerischer Klimamodelle und statistischer Regionalisierungsverfahren verwendet (Kap.2.4). Hierbei ist zu beachten, dass wegen Unsicherheiten der Regionalisierungsverfahren die Klimazeitreihen bei den numerischen Klimamodellen auf mehreren Gitterzellen und bei den statistischen Verfahren auf mindestens zwei Klimastationen der Region mit ähnlicher Lage basieren sollten (vgl. Deutschländer et al., 2008). Aus den Projektionen der numerischen, regionalen Klimamodelle REMO und CLM wurden Zeitreihen von vier Gitterzellen in der Nähe von Frankfurt extrahiert und zur Berechnung der Tagesmittelwerte der Lufttemperatur (T i ) und der relativen Feuchte (rh i ) in 2 m, sowie der Windgeschwindigkeit (v i ) in 10 m über Grund verwendet (Früh et al. 2011a). Aus den beiden statistischen Regionalisierungsverfahren WETTREG und STAR wurden die Zeitreihen an den Stationen Geisenheim (110 m ü. NN) und Kahl am Main (107 m ü. NN) ausgewählt. Beide Verfahren liefern jeweils die Tagesmittelwerte für T i, rh i und v i. welche im Mittel über die beiden Stationen verwendet werden (Früh et al. 2011a). Zur Berücksichtigung der Windrichtungsabhängigkeit des Temperaturfeldes wurde pro statistisch relevanter Windrichtung jeweils ein Quader aufgespannt. Die relevanten Windrichtungen an der Messstation Flughafen Frankfurt/Main für den Zeitraum sind Nordost (NE) und Südwest (SW). Die acht MUKLIMO_3 Rechnungen für jeden Eckpunkt eines Quaders Stadtklima Offenbach

24 wurden für beide Windrichtungen NE und SW durchgeführt. Dadurch erhält man einen NEund einen SW-Quader. Für alle Tage mit einer mittleren Windrichtung zwischen 315 und 135 wird der NE-Quader, für alle anderen Tage der SW-Quader zur Interpolation verwendet. Da weder WETTREG noch STAR Informationen über die Windrichtung liefern, wird hierfür eine zufällige Zeitreihe generiert, welche im Mittel der beobachteten Windrichtungsverteilung am Flughafen Frankfurt/Main entspricht. Diese Abschätzung basiert auf der Annahme, dass die Häufigkeitsverteilung der Windrichtung für WETTREG und STAR der beobachteten Windrichtungsverteilung entspricht und während des gesamten Projektionszeitraums konstant bleibt. Für nähere Informationen zu diesem Verfahren sei auf Früh et al. (2011b) verwiesen. 4 Ergebnisse zum Klima im Zeitraum Für die Berechnung von Klimaindizes (Kenntagen) für den Zeitraum wurde die beobachtete Zeitreihe am Flughafen Frankfurt/Main als Eingabe für die Quadermethode gewählt. Diese im Folgenden auch EVAL (Evaluierungslauf) genannte Simulation wurde von Früh et al. (2011a) zur Überprüfung der Belastbarkeit der Ergebnisse und zur Evaluierung des Verfahrens genutzt. Im nachfolgenden Abschnitt 4.1 werden die Ergebnisse des Evaluierungslaufs für die Bestimmung der räumlichen Variabilität der Klimaindizes im Stadtgebiet von Offenbach verwendet. Die Auswirkungen verschiedener Bebauungsstrukturen auf die Klimavariabilität in Offenbach werden in Abschnitt 4.2 analysiert. 4.1 Räumliche Klimavariabilität in Offenbach im Zeitraum Die Karte der für Offenbach berechneten mittleren Anzahl an Sommertagen (N Tmax 25 ) im Zeitraum zeigt für ländliche Freiflächen und entlang des Mains im Mittel etwa 41 Tage/Jahr und im Zentrum der Stadt bis über 56 Tage/Jahr (Abbildung 4-1a). Das Stadtgebiet mit den höchsten Werten wird von der Berliner Straße, dem Spessart- und Odenwaldring sowie der Sprendlinger Landstraße umschlossen. In den Waldgebieten südlich der Stadt ergeben sich die niedrigsten Werte von etwa 30 Sommertagen pro Jahr aufgrund von Verdunstung und Schattenwirkung der Bäume. Die mittleren, minimalen und maximalen Werte der Anzahl Sommertage im Stadtgebiet von Offenbach sind in Tabelle 4-1 zusammengestellt. Der Karte mit der mittleren Anzahl an Sommerabenden zeigt für ländliche Freiflächen etwa 67 Tage/Jahr und deutlich höhere Werte im Stadtgebiet (Abbildung 4-1b). In der Fußgängerzone, im Nordend (nördlich der Berliner Straße) sowie in den Stadtteilen Bürgel und Rumpenheim ergeben sich mit etwa 77 Sommerabenden pro Jahr die höchsten Werte. Auch entlang des Mains ergibt sich eine relativ hohe Anzahl an Sommerabenden, da hier im Vergleich zum Freiland die Abgabe der tagsüber im Wasser gespeicherten Wärme zu einer geringeren abendlichen Abkühlung führt. Die niedrigsten Werte von teilweise unter 60 Tage/Jahr finden sich auch bei den Sommerabenden in den Waldgebieten südlich der Stadt. Stadtklima Offenbach

25 (a) Anzahl Sommertage (N Tmax 25 ) (b) Anzahl Sommerabende (N T22 20 ) Abbildung 4-1: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) in Offenbach für den Evaluierungslauf Stadtklima Offenbach

26 Tabelle 4-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der mittleren jährlichen Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für das gesamte Stadtgebiet von Offenbach im Zeitraum (EVAL). Klimaindex Mittel Minimum Maximum Max. - Min. 90% Konfidenzintervall Sommertage 41,8 29,8 57,5 27,7 8,4 Sommerabende 67,3 57,2 77,7 20,5 8,6 4.2 Auswirkungen unterschiedlicher Bebauungsstrukturen Um die klimatologischen Auswirkungen der verschiedenen Landnutzungsklassen inklusive der Bebauungsstrukturen systematisch zu untersuchen, wurden statistische Auswertungen mit einem Bootstrap Verfahren durchgeführt (Früh et al., 2011a). Hierbei wurden für jede MUKLIMO_3 Gitterzelle Quantil-Werte der jährlichen Anzahl an Kenntagen bestimmt, die mit einem Box-Whisker-Plot 2 visualisiert werden. Abbildung 4-2a zeigt die über das Stadtgebiet von Offenbach gemittelten Quantil-Werte der Anzahl Sommertage (N Tmax 25 ) für den Zeitraum als Box-Whisker-Plots für jede einzelne Landnutzungsklasse. Aufgrund des Schattens der Bäume und der hohen Verdunstung ergibt sich für Waldflächen die geringste Anzahl Sommertage. Sie ist signifikant geringer als die Anzahl Sommertage gemittelt über alle anderen Landnutzungsklassen. Der Offenbacher Wald besteht überwiegend aus größeren zusammenhängenden Gebieten (z.b. im Süden der Stadt), wodurch die gute Ausprägung des Waldklimas begünstigt wird. Sind Landnutzungen hingegen nur in kleinflächigen Arealen vorhanden, führt der windbedingte horizontale Austausch mit benachbarten Modellgitterzellen mit anderer Landnutzung zu einer geringeren Ausprägung des landnutzungsspezifischen Lokalklimas. Parks und Grünflächen im Stadtgebiet haben, gerade bei wärmebelasteten Wetterlagen im Sommer, für die Stadtbewohner eine nicht unwesentliche Erholungswirkung. Sie bieten schattenspendende Bäume und sind auch durch Verdunstungsprozesse kühler als ihre bebaute Umgebung. Dies gilt auch schon für kleinere Parkanlagen mit Flächen unter 10 ha (Bongardt, 2006). Wasserflächen und Freiflächen zeichnen sich ebenfalls durch eine geringere Anzahl an Sommertagen im Vergleich zu bebauten Landnutzungsklassen aus. Im Allgemeinen nimmt die Anzahl Sommertage mit zunehmender Gebäudedichte zu, sofern die Gebäude niedrig bleiben und somit der Schattenwurf nicht zu ausgeprägt ist (Früh et al., 2011a). Aus Abbildung 4-2a 2 Der Box-Whisker-Plot ist ein Kasten-Diagramm, bei dem das obere Ende des Kastens das 75% Quantil und das untere Ende des Kastens (Box) das 25% Quantil zeigt. Dabei beschreibt das 25% Quantil den Wert, der von 25% der Werte einer Stichprobe unterschritten wird. Der Median entspricht dem 50% Quantil und ist mit einem dicken Querstrich gekennzeichnet. Die aus dem Kasten herausragenden Linien (Whisker) umfassen bei der gewählten Darstellung den Bereich zwischen dem 5% und 95%Quantil und entspricht dem 90% Konfidenzintervall (Kendon et al., 2008). Stadtklima Offenbach

27 ergibt sich jedoch kein statistisch signifikanter Unterschied in der Anzahl Sommertage zwischen den einzelnen Bebauungsstrukturen. In den Abend- und Nachtstunden spielt die Abgabe der tagsüber in der Bebauung gespeicherten Wärme eine wichtige Rolle. Hierdurch ergibt sich für die Anzahl an Sommerabenden (Abbildung 4-2b) ein anderes Ranking der Bebauungsklassen als bei den Sommertagen. Auch der Effekt der Wasserflächen hat sich umgekehrt. Von einer geringeren Belastung am Tage kommt es über Wasserflächen zu einer größeren Belastung in der Nacht, da Wasser ähnlich wie Gebäude tagsüber viel Wärme speichert und nachts wieder an die Atmosphäre abgibt. Im Wald ist nachts die bodennahe Ausstrahlung durch die Baumkronen reduziert, so dass der Unterschied zu den übrigen Landnutzungsklassen nicht mehr so signifikant ist. Stadtklima Offenbach

28 (a) Anzahl Sommertage (N Tmax 25 ) (b) Anzahl Sommerabende (N T22 20 ) Abbildung 4-2: Box-Whisker-Plots für jede Landnutzungsklasse im Stadtgebiet von Offenbach für den Zeitraum (EVAL), sowohl für die mittlere jährliche Anzahl an Sommertagen (a) als auch Sommerabenden (b). Die beiden linken Klassen beziehen sich jeweils auf die Anzahl Tage gemittelt über alle Landnutzungen (1. Klasse von links) bzw. gemittelt über alle Landnutzungen mit Ausnahme des Waldes (2. Klasse von links). Die Zahlen über den Box-Whiskers geben die Anzahl der Gitterzellen für die jeweilige Landnutzungsklasse an. Stadtklima Offenbach

29 5 Ergebnisse zur zukünftigen Klimaänderung Anstatt der Stationsmessungen (s. Kap. 4) können auch regionale Klimaprojektionen als Eingabe für die Quader-Methode verwendet werden. Zur Berücksichtigung der Unsicherheit der regionalen Klimamodelle verwenden wir ein Ensemble regionaler Klimaprojektionen bestehend aus Projektionen der Modelle REMO, CLM, WETTREG und STAR (Kap. 2.4 und 3.3). Im Folgenden werden diese Simulationen mit dem Namen des antreibenden regionalen Klimamodells benannt. Regionale Klimaprojektionen weisen einen Bias, d.h. eine generelle Abweichung der Klimawerte nach oben oder unten auf, der auch einen Bias in der mit der Quadermethode berechneten mittleren jährlichen Anzahl an Kenntagen verursacht (Früh et al., 2011a und 2011b). Es kann davon ausgegangen werden, dass der Bias im Wesentlichen durch systematische Fehler bedingt ist, und daher für vergangene und zukünftige Zeiträume gleich stark ausfällt. Die Bestimmung der durch den Klimawandel zu erwartenden Änderungen in der Anzahl an Kenntagen durch Differenzenbildung der Ergebnisse für zwei Zeiträume (Kapitel 5.1 und 5.2) bewirkt somit eine implizite Korrektur des Modell-Bias (Früh et al., 2011a und 2011b). Absolutwerte der zukünftig zu erwartenden Anzahl an Kenntagen (Kapitel 5.1) werden deshalb als Summe der Werte des auf Beobachtungsdaten basierenden Evaluierungslaufs ( ) und den auf regionalen Klimaprojektionen basierenden Änderungssignalen (z.b. Periode minus Periode ) berechnet. 5.1 Auswirkung der Klimaänderung bis zum Zeitraum Zur Abschätzung der Änderung der klimatologischen Kenntage in Folge der globalen Erwärmung wird für das MUKLIMO_3 Modellgebiet ein Vergleich der zukünftigen Bedingungen ( ) nach dem SRES A1B Szenario (Nakicenovic und Swart, 2000) mit denen der Kontrollperiode (C20) in der Vergangenheit ( ) durchgeführt (siehe Kap. 2.1). Dabei wird davon ausgegangen, dass die Landnutzung unverändert bleibt. Die projizierten Änderungen sind also allein auf ein verändertes globales und regionales Klima zurückzuführen, nicht z.b. auf eine veränderte Bebauung in der Stadt. Abbildung 5-1 zeigt die Änderung der Anzahl Sommertage ( N Tmax 25 ) für die vier Klimaprojektionen REMO, CLM, WETTREG und STAR als Differenz der Zeiträume (A1B) zu (C20) (vgl. Abbildung 4-1a). Es wird deutlich, dass REMO, CLM und WETTREG sehr ähnliche Werte für N Tmax 25 projizieren. Das Änderungssignal aus STAR ist jedoch deutlich größer. Insgesamt ist die räumliche Variabilität des Änderungssignals gering. Am ehesten ist eine räumliche Differenzierung bei STAR zu erkennen (z.b. höhere Werte über bebauten Gebieten, geringere über bewaldeten Gebieten). Stadtklima Offenbach

30 Tage/Jahr (a) REMO (b) CLM (c) WETTREG (d) STAR Abbildung 5-1: Karten der Änderungen der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage N Tmax 25 in Offenbach als Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Tabelle 5-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage ( N Tmax 25) zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für REMO, CLM, WETTREG und STAR. Die Werte zeigen die Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20), ausgewertet über das Stadtgebiet von Offenbach. Antrieb Mittel Minimum Maximum Max. - Min. 90% Konfidenzintervall REMO 12,8 11,0 15,1 4,1 16,3 CLM 12,8 11,4 14,9 3,5 14,2 WETTREG 11,2 10,0 13,4 3,4 9,3 STAR 24,7 21,8 27,8 6,0 11,9 Stadtklima Offenbach

31 Die Werte in Tabelle 5-1 zeigen die Änderungssignale (Mittel, Minimum, Maximum), also die Differenzen zwischen den Zeiträumen und Auch hier wird deutlich, dass die räumliche Variabilität innerhalb des Stadtgebietes (Differenz zwischen Maximum und Minimum) von N Tmax 25 gering ist und lediglich 3 bis 6 Tage pro Jahr beträgt. Das bedeutet, dass für das Änderungssignal der Unterschied zwischen dem Stadtgebiet und dem Umland sehr gering ist. Des Weiteren zeigt sich, dass die räumliche Variabilität von N Tmax 25 kleiner ist als die über das Stadtgebiet gemittelte Breite des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau. Aus dieser Tatsache kann geschlossen werden, dass die Zunahme von Sommertagen in der Stadt nicht signifikant höher ist als die Zunahme im Umland. Auch die in Analogie zur Frankfurter Studie (s. Abb. 6-4 in Früh et al., 2011) durchgeführten landnutzungsspezifischen Auswertungen (hier nicht gezeigt) belegen, dass sich die Änderungssignale der Sommertage für verschiedene Landnutzungen nicht signifikant unterscheiden. Das heißt, dass der derzeitige Unterschied zwischen der Stadt und dem Umland in der Zukunft etwa erhalten bleibt und nicht signifikant intensiviert wird. Allerdings hebt die Klimaänderung die Wärmebelastung sowohl in der Stadt als auch in deren Umland relativ gleichmäßig auf ein höheres Niveau. Das räumliche Mittel über das Stadtgebiet von Offenbach von N Tmax 25 ist für REMO, CLM und WETTREG sehr ähnlich und projiziert eine mittlere Zunahme von etwa 30% (ca. +12 Sommertage/Jahr). Auf der Basis der Klimaprojektion STAR ergibt sich für Offenbach allerdings ein deutlich höheres Änderungssignal N Tmax 25 (ca. +25 Sommertage/Jahr). Dies kann im Wesentlichen auf den stärkeren regionalen Temperaturanstieg von STAR im Vergleich zu den anderen regionalen Klimaprojektionen (siehe Abbildung 2-3) zurückgeführt werden. Die Änderung der Anzahl Sommerabende ( N T22 20 ) für die vier Klimaprojektionen REMO, CLM, WETTREG und STAR zeigt ebenfalls nur eine geringe räumliche Variabilität (Abbildung 5-2). Auch hier ist das von STAR projizierte Änderungssignal deutlich größer als das der anderen Klimaprojektionen. Wie Tabelle 5-2 zu entnehmen ist, ist der Mittelwert, das Minimum und das Maximum der Änderung der Anzahl Sommerabende im Stadtgebiet von Offenbach etwas höher, aber die räumliche Variabilität noch etwas geringer als bei den Sommertagen. Die mit diesen Ergebnissen verknüpfte Unsicherheit ist, wie sich an der Breite des 90% Konfidenzintervalls zeigt, auch etwas größer als bei den Sommertagen. Die Unterschiede sind jedoch unerheblich. Sowohl für N Tmax 25 (Abbildung 5-3a) als auch für N T22 20 (Abbildung 5-3b) stimmen die Konfidenzintervalle von REMO, CLM und WETTREG gut überein. STAR simuliert jedoch sowohl bei den Sommertagen als auch bei den Sommerabenden eine deutlich höhere Zunahme als die anderen Klimaprojektionen. Stadtklima Offenbach

32 Tage/Jahr (a) REMO (b) CLM (c) WETTREG (d) STAR Abbildung 5-2: Karten der Änderungen der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende N T22 20 in Offenbach als Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Tabelle 5-2: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende ( N T22 20) zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für REMO, CLM, WETTREG und STAR. Die Werte zeigen die Differenz zwischen den Zeiträumen (A1B) und (C20), ausgewertet über das Stadtgebiet von Offenbach. Antrieb Mittel Minimum Maximum Max. - Min. 90% Konfidenzintervall REMO 14,7 13,6 16,0 2,4 17,3 CLM 15,1 14,2 16,0 1,8 16,2 WETTREG 12,9 11,6 13,9 2,3 10,8 STAR 26,2 25,3 27,7 2,4 11,7 Stadtklima Offenbach

33 (a) Zunahme Sommertage ( N Tmax 25 ) (b) Zunahme Sommerabende ( N T22 20 ) Abbildung 5-3: Box-Whisker-Plots für die Änderung der mittleren jährliche Anzahl der Sommertage und Sommerabende (A1B) im Vergleich zu (C20) für REMO (blau), CLM (rot), STAR (magenta) und WETTREG (grün), ausgewertet für das Stadtgebiet von Offenbach. Für die Änderungssignale bis ergeben sich längere Whiskers, und damit ein breiteres Konfidenzintervall (Abbildung 5-3, Tabelle 5-1 und Tabelle 5-2), als für den Evaluierungszeitraum (Tabelle 4-1). Dies ist auf die Summe der Variabilität der Vergangenheit und Zukunft zurückzuführen, aber auch auf die höhere Variabilität der zukünftigen Temperatur selbst (Schär et al., 2004). Der Bereich der Anzahl an Kenntagen, der von den vier Box-Whiskers umschlossen wird (Abbildung 5-3), zeigt die Unsicherheit der Projektion auf Grund der Verwendung unterschiedlicher regionaler Klimamodellsimulationen als Eingabe für die Quader-Methode. Aus den Ergebnissen für die vier verwendeten Ensemble-Mitglieder können wir schließen, dass die mittlere jährliche Anzahl Sommertage in Offenbach bis auf dem 90% Signifikanzniveau um 5 bis 31 Tage zunehmen wird. Die mittlere jährliche Anzahl Sommerabende wird um 6 bis 32 Tage ansteigen. Legt man die auf Basis der Messungen im Zeitraum simulierte Anzahl Sommertage von 38 bis 46 Tage und Sommerabende von 63 bis 71 innerhalb des Stadtgebietes zu Grunde (5% Quantil bis 95% Quantil der Kenntage), so ergibt sich, dass bis zur Mitte diesen Jahrhunderts etwa jeder zweite bis vierte Tag des Sommerhalbjahres (April bis September) ein Sommertag und jeder zweite bis dritte Tag ein Sommerabend sein wird. Die relativ hohe Unsicherheit dieser Aussage ist teilweise durch die jährlichen Schwankungen des Klimasystems zu erklären, insbesondere aber durch die große Spannbreite an Klimatrends in den regionalen Klimaprojektionen verursacht. Die Anzahl der heißen Tage mit einer Höchsttemperatur von mindestens 30 C und der Tropennächte mit Lufttemperaturen, die nicht unter 20 C sinken, wird unserem Ensemble folgend um 2 bis 13 Tage bzw. 2 bis 11 Tage zunehmen (nicht gezeigt). Aufgrund der gegenwärtig noch geringen absoluten Anzahl dieser Kenntage (11 heiße Tage bzw. 0,6 Tropennächte pro Jahr an der Station Flughafen Frankfurt/Main) ergab die Auswertung des Evaluationslaufs ( ) relativ große prozentuale Abweichungen zu den Beobachtungsdaten (siehe auch Tabelle 5-1 in Früh et al. 2011a). Die Änderungssignale für diese Kenntage erlauben da- Stadtklima Offenbach

34 her keine verlässlichen Aussagen über deren zukünftige Entwicklung, sondern lediglich tendenzielle Hinweise. Abbildung 5-4 und Abbildung 5-5 zeigen die Absolutwerte der mittleren jährlichen Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden im Zeitraum , die man durch Addition des Evaluationslaufs ( ) und der Änderungssignale der Klimaprojektionen für Offenbach ( minus ) erhält. Die Karten belegen für die 4 Projektionen im Zentrum von Offenbach eine Zunahme auf etwa 70 bis 83 Sommertage und 91 bis 100 Sommerabende pro Jahr, während die räumlichen Unterschiede in der Anzahl der Kenntage sich durch den Klimawandel kaum verändern (vgl. Abbildung 4-1). Tage/Jahr (a) REMO (b) CLM (c) WETTREG (d) STAR Abbildung 5-4: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (N Tmax 25) in Offenbach für den Zeitraum (A1B) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Die Karten basieren auf der Addition der Anzahl Sommertage für den Zeitraum (EVAL, Abbildung 4-1a) und des Änderungssignals der Anzahl Sommertage des jeweiligen Regionalmodells zwischen den Zeiträumen und (A1B - C20, Abbildung 5-1) Stadtklima Offenbach

35 Tage/Jahr (a) REMO (b) CLM (c) WETTREG (d) STAR Abbildung 5-5: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende (N T22 20) in Offenbach für den Zeitraum (A1B) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Die Karten basieren auf der Addition der Anzahl Sommertage für den Zeitraum (EVAL, Abbildung 4-1b) und des Änderungssignals der Anzahl Sommerabende des jeweiligen Regionalmodells zwischen den Zeiträumen und (A1B - C20, Abbildung 5-2) 5.2 Auswirkung der Klimaänderung zum Ende des Jahrhunderts Zum Ende des Jahrhunderts ( ) liegen nur die Klimaprojektionen von REMO, CLM und WETTREG vor. In Abbildung 5-6 sind die Box-Whisker-Plots für die über das Stadtgebiet von Offenbach gemittelte Änderung der Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) bis im Vergleich zu dargestellt. Sowohl für N Tmax 25 als auch für N T22 20 zeigen die Konfidenzintervalle von REMO, CLM und WETTREG nur eine geringe Übereinstimmung. Dies spiegelt die größere Unsicherheit des Änderungssignals zum Ende des Jahrhunderts wider. Aus den Ergebnissen für die drei verwendeten Ensemble-Mitglieder können wir schließen, dass die mittlere jährliche Anzahl Sommertage und Sommerabende in Offenbach bis auf dem 90% Signifikanzniveau um 25 bis 59 Tage bzw. 32 bis 62 Tage zu- Stadtklima Offenbach

36 nehmen wird. Die für diesen Zeitraum abgeleiteten Unsicherheiten sind tatsächlich jedoch noch größer, da in dem verwendeten Ensemble lediglich die Klimaprojektionen des A1B Emissionsszenarios analysiert wurden. Zum Ende des Jahrhunderts sind die Auswirkungen der unterschiedlichen Emissionsszenarien jedoch so groß, dass sie zusätzlich berücksichtigt werden müssen (siehe Abbildung 2-3). (a) Zunahme Sommertage ( N Tmax 25 ) (b) Zunahme Sommerabende ( N T22 20 ) Abbildung 5-6: Box-Whisker-Plots für die Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) bis (A1B) im Vergleich zu (C20) für REMO (blau), CLM (rot) und WETTREG (grün) im Mittel über das Stadtgebiet von Offenbach. Trotz der großen Unsicherheiten zeigt diese Untersuchung, dass sich die Wärmebelastung in den Städten bis zum Ende des Jahrhunderts mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit deutlich verstärken wird. Adaptationsmaßnahmen zur Minderung der Wärmebelastung des Menschen werden somit umso wichtiger. Stadtklima Offenbach

37 6 Stadtklimamessungen 6.1 Das Messprogramm Ziel der Kooperation zwischen Deutschem Wetterdienst und der Stadt Offenbach war unter anderem die Evaluation der Modellergebnisse bzw. der mit der Quadermethode berechneten Kenntage anhand von Messungen. Dazu wurden ergänzend zu der in Offenbach vom DWD betriebenen stationären Wetterstation im Wetterpark an drei Standorten im Stadtgebiet von April 2012 bis September 2013 temporäre Messstationen eingerichtet, an denen kontinuierlich die Lufttemperatur, die Luftfeuchte sowie der Wind gemessen wurden. Im Juli 2012 und Juli 2013 wurden zusätzlich Profilmessfahrten durchgeführt, bei denen zu verschiedenen Tageszeiten auf einer ca. 40 km langen Route quer durch das Stadtgebiet die Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie teilweise auch der Wind und die Strahlung gemessen wurden. Stationsmessungen Die Standorte für die drei temporären Messstationen wurden so ausgewählt, dass sie drei unterschiedliche städtische Bereiche bzw. Bebauungsstrukturen repräsentieren: - Die dicht bebaute Innenstadt. - Ein weiter außen gelegenes und weniger dicht bebautes Wohngebiet. - Das von Bebauung weitgehend unbeeinflusste Umland der Stadt. Die Station in der Innenstadt ( Geleitsstraße ) wurde auf einem Parkplatz zwischen der Geleitsstraße und der Hospitalstraße eingerichtet. Der Parkplatz ist von geschlossener Blockbebauung umgeben. Der Untergrund ist versiegelt und von einigen Bäumen bestanden. Lufttemperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit und richtung wurden in 2 m ü. Grund gemessen. Die Station im Wohngebiet ( Elisabethenstraße ) stand im Garten des Seniorenheims in der Elisabethenstraße. In unmittelbarerer Umgebung überwiegt Zeilenbebauung. Der Untergrund war Rasen. Auch hier wurden die drei Parameter Temperatur, Feuchte und Wind in 2 m ü. Grund gemessen. Die dritte Station ( Mainwiese ) stand auf einer Wiese im Nordosten der Stadt zwischen Main und Schultheis-Weiher. Sie repräsentiert das Umland der Stadt und dient als Referenz für die anderen Messungen. Lufttemperatur und feuchte wurden ebenfalls in 2 m ü. Grund gemessen, die Windgeschwindigkeit und richtung aber in 10 m ü. Grund. Stadtklima Offenbach

38 Die Areale für die Stationen wurden von der Stadt Offenbach zur Verfügung gestellt. Die Messungen liefen durchgehend vom 1. April 2012 bis 30. September Es wurden abgesehen von kürzeren Ausfällen durch technische Probleme während der gesamten 18 Monate durchgehend 10-Minuten-Werte abgespeichert. Diese wurden zu Stundenwerten und Tagesmittelwerten verdichtet und ausgewertet. Die drei erwähnten Stationen werden durch die vom Deutschen Wetterdienst seit 2005 im Wetterpark der Stadt Offenbach operationell betriebene Messstation ergänzt. Die Station liegt auf einem kleinen Hügel (118 m ü. NN) am südöstlichen Stadtrand von Offenbach etwas außerhalb des bebauten Gebietes (Abbildung 6-1 und Abbildung 6-5). Neben einigen weiteren Messgrößen werden hier wie auf der Mainwiese Temperatur und Feuchte in 2 m ü. Grund gemessen und der Wind in 10 m ü. Grund. In Tabelle 2-1 sind die vier Stationen mit ihren geographischen Koordinaten aufgelistet. In Abbildung 6-1 ist die Lage der vier Stationen im Stadtgebiet markiert. Abbildung 6-2 bis Abbildung 6-4 zeigen die drei temporären Stationen sowie ihre Umgebung anhand eines Fotos und eines Luftbildes. Tabelle 6-1: Temporäre und stationäre Messstationen in Offenbach. Repräsentanz Name Rechtswert Hochwert Höhe (m ü. NN) Messhöhen (m ü. Grund) Innenstadt Geleitsstraße Wohngebiet Elisabethenstraße Umland Mainwiese Wind 10 sonst 2 Stadtrand Wetterpark Wind 10 sonst 2 Stadtklima Offenbach

39 Abbildung 6-1: Lage der Stationen (Stadtplan: Stadt Offenbach am Main). Stadtklima Offenbach

40 Deutscher Wetterdienst Abbildung 6-2: Die Station an der Geleitsstraße ( Innenstadt ). Links: Blick von S (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). Abbildung 6-3: Die Station an der Elisabethenstraße ( Wohngebiet ). Links: Blick von O (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). Abbildung 6-4: Die Station an der Mainwiese ( Umland ). Links: Blick von NW (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). Abbildung 6-5: Die Station im Wetterpark ( Stadtrand ). Links: Blick von SW (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). Stadtklima Offenbach