VDI-RICHTLINIEN. Umweltmeteorologie Methoden bodengebundener Stadt- und Standortklimamessungen mit mobilen Messsystemen

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1 Frühere Ausgabe: Entwurf, deutsch Former edition: 10/10 Draft, in German only Zu beziehen durch / Available at Beuth Verlag GmbH, Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 ICS , VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankündigung im Bundesanzeiger einem öffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. Inhalt VDI-RICHTLINIEN Umweltmeteorologie Methoden bodengebundener Stadt- und Standortklimamessungen mit mobilen Messsystemen Environmental meteorology Methods of urban and site-related ground-based climate measurements with mobile measurement systems Seite Vorbemerkung Einleitung Anwendungsbereich Begriffe Formelzeichen und Abkürzungen Messgrößen Messsysteme Untersuchungsziele und Messaufgaben Messmethode und -strategie Prinzipielle Anforderungen an das Messsystem Technische Anforderungen Auswahl geeigneter Sensoren Qualitätssicherung während der Messfahrt Messplanung Grundsätze der Messroutenplanung für mobile Klimaaufnahmen Auswahl und Festlegung konkreter Messzeiten und -routen Klimaaufnahme Vorbereitung und Durchführung von Messfahrten Allgemeine Anforderungen Hinweise für die Durchführung von Temperaturmessfahrten Dezember 2011 December 2011 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English The draft of this guideline has been subject to public scrutiny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette). The German version of this guideline shall be taken as authoritative. No guarantee can be given with respect to the English translation. Contents Page Preliminary note Introduction Scope Terms and definitions Symbols and abbreviations Measurement variables Measurement systems Investigation objectives and measurement tasks Measurement method and strategy Basic requirements for the measurement system Technical requirements Selection of suitable sensors Quality assurance during the measurement run Measurement planning Principles of planning measurement lines for climate assessment using mobile measurement systems Selection and identification of specific measurement times and lines Climate assessment Preparation and performance of measurement runs General requirements Instructions on how to perform temperature measurement runs.. 41 Vervielfältigung auch für innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permitted Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL Fachbereich Umweltmeteorologie VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1b: Umweltmeteorologie

2 2 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 Seite 8 Datenbearbeitung und -auswertung Räumliche und zeitliche Zuordnung der Messdaten (Geocodierung) Qualitätssicherung der Messdaten Trendkorrekturen Räumliche Mittelung Weitere Analyse und Ergebnisvisualisierung Methode der flächendeckenden Regionalisierung Methode der zeitlichen Interpolation Anhang A Trendkorrekturmethoden am Beispiel der Lufttemperatur A1 Null-Methode A2 Lineare Trendkorrektur A3 Trendkorrektur nach der Globalmethode. 49 Anhang B B1 Gesamtstädtische Klimaanalyse Standardfall mit ortsfesten Referenzstationen Messfahrtprogramm B2 Semikontinuierliche Messverfahren B3 Aufbereitung und Darstellung regionalisierter Temperaturmessfahrtdaten im GIS. 57 Schrifttum Page 8 Data processing and evaluation Spatial and temporal allocation of the measured data (geocoding) Quality assurance of the measured data Trend corrections Spatial averaging Further analysis and visualisation of results Method of spatial downscaling Method of time interpolation Annex A Trend correction methods using the example of air temperature A1 Zero method A2 Linear trend correction A3 Trend correction according to the global method Annex B B1 Urban climate analysis Standard case with stationary reference stations Measurement run programme B2 Semi-continuous measurement methods.. 55 B3 Preparing and presenting downscaled data from a temperature measurement run in the GIS Bibliography Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der Übersetzung, jeweils auszugsweise oder vollständig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen ( die in den VDI-Merkblättern geregelt sind, möglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfügbaren Blätter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recommendations of the guideline VDI All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI Notices ( We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at

3 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 3 Einleitung Die Richtlinienreihe VDI 3785 besteht zurzeit aus zwei Blättern. Blatt 1 behandelt die Methoden von Klimauntersuchungen für Städte und Siedlungen allgemein und legt fest, welche Art von Untersuchungen für welche Klimagrößen für gesamtstädtische oder Einzelfall-Klimaanalysen als planungsrelevant anzusehen sind. Das vorliegende Blatt 2 behandelt die Methoden von Klimamessungen mit bewegten Messgeräteträgern. Die Berücksichtigung der bodennahen Klimaverhältnisse und die Prognose der aufgrund von Planungen oder Eingriffen möglicherweise zu erwartenden lokalen Klimaänderungen ist ein Erfordernis der Umweltund Daseinsvorsorge. Sie ist bei den meisten Fachplanungen durch Gesetze, Verordnungen und Verwaltungsvorschriften geregelt. Das Thema berührende Gesetze und Regelwerke sind z. B. BauGB, BImSchG, BNatSchG, BWaldG, ROG, SUPG, UVPG, WHG, WRRLVO, sowie einschlägige Landesgesetze, wie LandesNatSchutzG, LandesplanungsG, LandesKurG, aber auch Landesentwicklungspläne, regionale Raumordnungspläne und landschaftspflegerische Begleitpläne. Die vorliegende Richtlinie soll dem fachkundigen Personenkreis ermöglichen, auf der Grundlage der hier beschriebenen Vorgehensweise örtliche Klimaverhältnisse mithilfe mobiler Klimamesssysteme planungsgerecht und methodisch abgesichert zu erheben, auszuwerten und darzustellen. Die dazu notwendigen Klimadaten sind in gleicher Weise umfassend, sachgerecht, verständlich und nachvollziehbar zu erheben und darzustellen. Dies soll in einem der räumlichen Ausdehnung des Untersuchungsgebiets oder der Aufgabe/Planung entsprechenden Maßstab erfolgen. In dieser Richtlinie wird die Methode von Klimauntersuchungen für die Bauleitplanung (Flächennutzungsplan, Bebauungsplan, Grünplan usw.) und für die Standortplanung genehmigungspflichtiger Anlagen u. a. im Siedlungs- und Außenbereich behandelt. Introduction The series of guidelines VDI 3785 currently consists of two parts. Part 1 deals with the methods of climate investigations for cities and settlements in general and specifies which kind of investigations are to be considered relevant to which climate variables in the planning of urban or case-by-case climate analysis. The present Part 2 covers the method of climate measurements with mobile measurement systems. The consideration of climate conditions near the ground and the forecast of local climate changes that might be expected as a result of planning or interference are a need of environmental precautions and services of general interest. For sectoral planning, these are usually set forth in acts, ordinances, and administrative regulations. Acts and regulations related to this subject include, for example, the BauGB (Town and Country Planning Code), the BImSchG (Federal Immission Control Act), the BNatSchG (Federal Nature Conservation Act), the BWaldG (Federal Forest Act), the ROG (Federal Regional Planning Act), the SUPG (Act on the Introduction of Strategic Environmental Assessment and Implementation of Directive 2001/42/EG), the UVPG (Environmental Impact Assessment Act), the WHG (Water Resources Act), the WRRLVO (Implementation Decree of the Water Framework Directive), as well as corresponding federal state laws, such as the Landes- NatSchutzG (Nature Conservation Acts of the Federal States), the LandesplanungsG (Regional Planning Acts of the Federal States), the LandesKurG (Health Resort Acts of the Federal States), but also regional development plans adopted by a Land, regional development plans, and landscape conservation support plans. The purpose of the present guideline is to allow experts to investigate, evaluate, and present local climate conditions by means of mobile climate measurement systems, in compliance with planning and methodology and on the basis of the procedure described here. Similarly, the climate data needed for this are to be collected and presented in a comprehensive, appropriate and understandable way. This shall be done on a scale corresponding to the spatial extent of the area under investigation or to the task/planning. This guideline deals with the method of climate investigations for urban land use planning (land use plan, local development plan, open space plan, etc.) and for the site selection of installations subject to approval, i. a. in settled areas and external undeveloped

4 4 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 Eingesetzt werden hierzu bodengebundene mobile Messsysteme (siehe auch VDI 3785 Blatt 1). Klimamessungen mit bewegten n wie Kraftfahrzeugen, Fahrrädern, Handwagen oder Rucksack werden entweder als selbstständige Verfahren der Klimaerfassung eingesetzt oder ergänzend zur Erfassung der klimatischen Parameter mittels stationärer Messnetze (temporäre Klimastationen) und Fernerkundungsverfahren (z. B. Thermal-Infrarot- Befliegungen, Satelliten-Thermografie) verwendet. land. To this end, ground-based mobile measurement systems are used (see also VDI 3785 Part 1). Climate measurements with mobile devices, such as motor vehicles, bicycles, trolleys, or backpacks, are either used as independent methods for the measurement of climate or they are used to additionally determine the climatic parameters by means of stationary measuring networks (temporary climate stations) and remote sensing methods (e. g. thermal infrared recording flights, satellite thermography). 1 Anwendungsbereich Als Klima bezeichnet man den Zustand der Atmosphäre über einen bestimmten Zeitraum in einem räumlich begrenzten Gebiet. Soweit sich dort eigenständige Klimacharakteristika ausbilden, spricht man im Sinne dieser Richtlinie in Stadt- und Siedlungsgebieten von Stadtklima, in der Umgebung eines Anlagenstandortes von Standortklima usw. Man grenzt hierdurch regionales, örtliches und lokales Klima gegenüber dem großräumigen oder globalen Klima ab. Für Untersuchungen zum Standortklima oder Klima in kleinräumigen Gebieten mit hoher räumlicher Differenziertheit kommen bevorzugt mobile Messungen infrage, da stationäre Netze wegen der Vielzahl erforderlicher Messstationen nicht mehr sinnvoll und wirtschaftlich vernünftig eingesetzt werden können. Ergebnisse von Fernerkundungsverfahren haben für diesen Zweck nur einen eingeschränkten Informationsgehalt, da sie z. B. im thermischen Bereich nur die Oberflächentemperatur liefern. Unter mobilen Klimamessungen versteht man im Sinne dieser Richtlinie Messverfahren, bei denen der oder die Messwertgeber während der Messung nicht ortsfest aufgestellt sind, sondern auf einem mobilen montiert durch ein als geeignet festgelegtes Untersuchungsgebiet bewegt werden. Werden die Messwertgeber während der Fahrt ständig betrieben, spricht man von kontinuierlichem Messbetrieb, werden sie nur an bestimmten Geländepunkten oder nur in bestimmten Zeitintervallen betrieben, von diskontinuierlichem Messbetrieb (siehe auch Abschnitt 5). Untersuchungsziele mobiler Klimamessungen sind räumliche Verteilungen der relevanten Klimagrößen im Untersuchungsgebiet. Dies können in Abhängigkeit von der jeweiligen Fragestellung sein: Lufttemperatur zu festgelegten Tages- und Jahreszeiten 1 Scope Climate is defined as the state of the atmosphere in a region over a certain period of time. As far as independent climate characteristics develop there, one speaks, in terms of this guideline, of urban climate in urban and settlement areas and of site-related climate in the vicinity of the site of an installation, etc. In this way, regional, geographical and local climate can be distinguished from large-scale or global climate. For investigations regarding the site-related climate or the climate in small areas with strong spatial differentiation, mobile measurements are preferably taken into account, since stationary networks cannot be used in a sensible and economically reasonable way because of the multitude of required measuring stations. Results of remote sensing methods only have limited information content for this purpose because they only provide the surface temperature in the e.g. thermal scope. In terms of this guideline, mobile climate measurements are measurement methods in which the sensor or sensors are not stationary, but they are moved through a suitable investigation area on a mobile. If the sensors are continuously driven during the measurement run, one speaks of continuous measuring operation. If they are only driven at certain points of the terrain or only within certain time intervals, one speaks of discontinuous measuring operation (see also Section 5). Investigation objectives of mobile climate measurements include spatial distributions of the relevant climate variables in the area under investigation. Depending on the respective objective, these can be: air temperature at given times of day or year

5 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 5 Luftfeuchte Strömungen solare und terrestrische Strahlung abgeleitete Größen wie Schwüle oder andere Bioklimagrößen Abgrenzung von Flächen mit einheitlicher mikroklimatischer Ausprägung (Klimatope) Diese räumlichen Verteilungen können dazu dienen, die zugrunde liegenden lokalen Zirkulationssysteme (siehe unten) zu beschreiben und zu erklären. Hiermit können auch die klimatischen Wirkungen von planerischen Eingriffen oder Landschaftsveränderungen beurteilt werden. Tabelle 1 gibt beispielhaft eine Übersicht über die Einsatzmöglichkeiten von mobilen Klimamessungen. air humidity flows solar and terrestrial radiation derived quantities like mugginess or other bioclimatic variables delimitation of areas with uniform microclimatic characteristics (climatopes) These spatial distributions can serve to describe and explain the underlying local circulation systems (see below). They can also be used to assess the climatic effects of planned changes or modifications to the landscape. Table 1 gives an overview of the applications of mobile climate measurements by way of examples. Tabelle 1. für Einsatzmöglichkeiten von mobilen Klimamessungen Anlass Gebiet Parameter Messzeit Messausstattung Luftqualität gebietsbezogener Immissionsschutz Luftreinhalte- und Aktionspläne Stadt (mehrere km 2 ) luftchemische Größen nachts, Hauptverkehrszeiten Weimar 1995, veröffentlicht in [2] Greiz 1997, veröffentlicht in [3] Jena 1998, veröffentlicht in [4] Planung Regional-/Landschaftsplan Region, Landschaftsraum (z.b. Kölner Bucht, Rhein-Neckar- Raum) Wind Stadtentwicklungs-/ Flächennutzungsplanung Stadt Wind Ortsteil mit Flächennutzungs-/Bauleitplanung Stadtteil lokale Strömungen, Fahrrad, Handwagen, Tragegestell Bauleit-/Freiraumplanung, Bebauungsplan kleinräumiges Planungsgebiet (< 1 km 2 ) lokale Strömungen Fahrrad, Handwagen, Tragegestell Speyer [5] Mainz [6] Koblenz (siehe Anhang B1) [7] Klimaanalysen Städtische Klimastudien Stadt oder Stadtteil (mehrere km 2 ) IR-Temperatur meist nachts, tags zur Ermittlung der Überwärmung Kurortklima Kurort und Wanderwege Wind zur Ableitung bioklimatischer Kennwerte, Strahlungsparameter tagsüber Tragegestell

6 6 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 Tabelle 1. für Einsatzmöglichkeiten von mobilen Klimamessungen (Fortsetzung) Anlass Gebiet Parameter Messzeit Messausstattung Großräumige klimatische Merkmale, z.b. Regionalwind Gebietsprofil, z.b. Bundesland Strömung nach Aufgabenstellung Stadtklimaanalyse und Luftreinhalteplan Gera 1999 [8] Stadtklimaanalyse Essen 2001 [9; 10] Sindelfingen [11] Klimaanalyse Freiburg [12] Stadtklima Speyer [5] Stadtklima Mainz [6] Stadtklima Koblenz [7] Verwaltungs-, Genehmigungsverfahren Anlagenplanung und Genehmigung z.b. bei Landwirtschaft, Reststoffverwertung Umkreis um Anlagen (ca. 1 km 2 ) Wind alle Tageszeiten alle Ausstattungen möglich, je nach Gebietsausdehnung Verkehrswegeplanung und Genehmigung im Umkreis um Verkehrswege Lufttemperatur, Luftfeuchte, lokale Strömungen, IR-Temperatur in der Regel nachts Beispiel Sindelfingen (siehe Anhang B2) [11] Hydrologisch-klimatische Untersuchungen Klimatische Wasserbilanz von Gewässern Steh- und Fließgewässer Wassertemperatur, Strömung, Verdunstung in der Regel tagsüber Boot mit Klimatologisches Gutachten zum Betriebsabschlussplan des Tagebaus Golpa-Nord/Gröbern [13; 14] Gutachten zur Nebelhäufigkeit entlang der Nordverlängerung A38 Magdeburg Schwerin [15] Untersuchungen zum Klima der Rheinauen, mobile Messungen [16] Table 1. of applications of mobile climate measurements Reason Area Parameter Measurement time Measurement equipment Air quality area-related pollution control Clean air plans and action plans city (several km 2 ) humidity, local air flows, air chemical parameters at night rush hours Weimar 1995, published in [2] Greiz 1997, published in [3] Jena 1998, published in [4] Planning Regional/landscape plan region, landscape (e.g. Cologne Bay, Rhine-Neckar area) humidity, local air flows, wind Urban development planning/land use planning city air humidity, local air flows, wind District with zoning planning/urban development planning quarter humidity, local air flows, bicycle, trolley, backpack

7 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.v., Düsseldorf 2011 VDI 3785 Blatt 2 / Part 2 7 Table 1. of applications of mobile climate measurements (continued) Reason Area Parameter Measurement time Measurement equipment Urban development planning, open space planning, local development plan small planning area (< 1 km 2 ) humidity, local air flows bicycle, trolley, backpack Speyer [5] Mainz [6] Koblenz (see Annex B1) [7] Climate analyses Urban climate studies city or quarter (several km 2 ) air humidity, local air flows, IR temperature usually at night, during daytime for the determination of overheating Health resort climate health resort and hiking paths humidity, wind to derive bioclimatic characteristics, radiation parameters during daytime backpack Large-scale climate features, e.g. regional wind area profile, e.g. federal state air humidity, air flow according to measurement task Urban climate analysis and clean air plan Gera 1999 [8] Urban climate analysis Essen 2001 [9; 10] Sindelfingen [11] Climate analysis Freiburg [12] Urban climate Speyer [5] Urban climate Mainz [6] Urban climate Koblenz [7] Administrative/approval procedures Planning of installations and approval e.g. in agriculture, waste material recycling (within a radius of about 1 km 2 ) around installations humidity, local air flows, wind at all times of the day any equipment possible, depending on the extent of the area Transportation route planning and approval in the vicinity of traffic routes air humidity, local air flows, IR temperature generally at night Example Sindelfingen (see Annex B2) [11] Hydrological-climatic investigations Climatic water balance of waters bodies of standing and flowing water humidity, water temperature, flow, evaporation generally during daytime Boat with Climatological report on the operations closure plan of the Golpa-Nord/Gröbern opencast mine [13; 14] Expert report on the frequency of fog along the northern extension of the motorway A38 Magdeburg Schwerin [15] Studies on the climate of the Rheinaue wetlands, mobile measurements [16]