Helmut Mayer. Meteorologisches Institut

Transkript

1 Hitzestress im Stadtquartier Helmut Mayer Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

2 Städte sind in atmosphärische h Hintergrundbedingungen di auf regionaler Skala eingebettet.

3 atmosphärischer Hintergrund bezieht sich auf - thermische Situation - lufthygienische Situation - Freiburg Abhängigkeit von der großräumigen Wetterlage

4 Stuttgart: Inversionswetterlage, Februar 2006 Photo: Jürgen Baumüller

5 Stadtklima - Ursachen Modifizierung der regionalen atmosphärischen Hinter- grundbedingungen durch ein Δ (z.b. ΔT a, ΔVP, Δv, ΔT mrt, ΔNO 2, ) infolge städtischer Kennzeichen und Prozesse Δ: keine Konstante, sondern Funktion Abhängigkeit u.a. von Wetterlage, Zeit, Raumnutzung (Standort), Stadtklima urbane Mikroklimate kli (locall climate zones) spezifische urbane human-biometeorologische Bedingungen Kennzeichen: Belastung für Organismen (z.b. Stadtbewohner)

6 Klimawandel Erscheinungsformen des Klimawandels: - Trends von Klimavariablen (Lufttemperatur, Niederschlag, ) - eingelagertes Extremwetter - Hitzewellen - Dürre im Sommerhalbjahr - konvektive Niederschläge (Starkniederschläge) - starke Stürme (?) -

7 Extremwetter Hitzewellen in Südwestdeutschland: 2003, 2006, 2009, 2010 zukünftig? trockene Hitze - feuchte Hitze ( Schwüle )

8 Klimawandel - Stadtbewohner Regionaler Klimawandel: + Dynamik des Stadtklimas: Belastungen für Stadtbewohner: Veränderung der atmosphärischen Hintergrundbedingungen durch Trends von Klimavariablen und Extremwetter Flächenumnutzungen bauliche Verdichtungen Intensivierung von Verbrennungsprozessen erhöhte Beeinträchtigung von Leistungsfähigkeit Wohlbefinden Gesundheit (Morbidität, Mortalität) demographische Entwicklung Stress

9 Hitzestress - Fragen - Wie lässt sich Hitzestress in einer für Menschen relevanten Art beschreiben (quantifizieren)? thermischer Komfort thermische Indizes (nicht Lufttemperatur) - Von welchen Parametern (u.a. meteorologische) hängt Hitzestresst ab? Rolle von thermischer Hintergrundsituation - Maßnahmen gegen (regionalen) Hitzestress? z.b. Hitzewarnsystem des DWD - Wie wird Hitzestress lokal durch das Stadtdesign beeinflusst? Stadtplanung -Anpassung an Hitzestress Verhalten von Stadtbewohnern

10 Hitzestress in der Stadt (I) - großräumig vorgegeben - lokal verschärft in Abhängigkeit von - Stadtstrukturen - Straßendesign - - Hitze tagsüber im Freiraum - Hitze nachts in Innenräumen

11 Hitzestress in der Stadt (II) - Hitze erheblicher Stress für Stadtbewohner Handlungsbedarf d für die Stadtplanung in allen räumlichen Skalen zur lokalen Reduzierung der Auswirkungen von extremer Hitze auf Stadtbewohner überhaupt und inwieweit möglich? (trockene Hitze - feuchte Hitze) - methodische Grundlagen erforderlich (quantitativ!) Ergebnisse aus verschiedenen Projekten liegen vor z.b.: BMBF Verbundprojekt KLIMES, - Anwendung von human-biometeorologischen Bewertungsverfahren

12 thermische Indizes

13 Meteorological Institute mittlere Strahlungstemperatur T mrt T mrt S ε σ rad T mrt : mittlere Strahlungstemperatur ( C) S rad : gesamte absorbierte Strahlungsflussdichte (W m -2 ) ε: Emissionsvermögen menschlicher Körper (0.97) σ: Stefan-Boltzman Konstante ( W m -2 K -4 )

14 Strahlungsflussdichte S rad Meteorological Institute S rad 6 W α K α L i k i l i i 1 S rad : gesamte absorbierte Strahlungsflussdichte (W m -2 ) K i : kurzwellige Strahlungsflussdichten (W m -2 ) L i : langwellige Strahlungsflussdichten (W m -2 ) α k : kurzwelliges Absorptionsvermögen (0.7) α l : langwelliger Absorptionskoeffizient (0.97) W i : Winkelfaktoren prozentualer Anteil von K and L empfangen von humanprozentualer Anteil von K i and L i, empfangen von humanbiometeorologischer Referenzperson in jeder Richtung i

15 Untersuchungsdesign Analysen zum thermischen Komfort - experimentelle Methodik Entwurfsbausteine für klimawandelgerechten Städtebau auf human-biometeorologischer Grundlage - Befragungen (questionnaires) - Simulationsberechnungen (ENVI-met, BOTworld)

16 Simulationen (I) Quelle: Ali-Toudert und Mayer, 2006

17 Simulationen (II) Quelle: Ali-Toudert und Mayer, 2006

18 Simulationen (III) (a) exemplarische Ergebnisse ENVI-met Simulationen thermischer Index PET Freiburg, Rieselfeld ld (a) , 12 Uhr MEZ (b) worst case (c) worst case + 30 a Quelle: Huttner und Bruse, 2009 (b) (c)

19 Simulationen (IVa) Beschreibung Bebauung Wände Boden Vegetation H/W Canyon 1 Standard Quader (12 m) Canyon 2 Albedo Quader (12 m) Canyon 3 Quader (12 m) = 0.30, u = 0.5, Gehweg (Beton, = 0.40), keine 12 m/12 m c = 1200 Asphalt in Straßenmitte ( = 0.20) = 0.70, u = 0.5, wie Canyon 1 keine 12 m/12 m c = 1200 = 0.30, u = 1, c = 600 Canyon 4 Vegetation Quader (12 m) wie Canyon 1 Canyon 5 Materialveränderung (T Wand ) Vegetationsdichte wie Canyon 1 keine 12 m/12 m wie Canyon 1, natürlicher Boden unter Bäumen 16 m hoher Bäume, versetzt auf beiden 12 m/12 m Straßenseiten 16 m hoher Bäume, symmetrisch auf beiden 12 m/12 m Straßenseiten Quader (12 m) wie Canyon 1 wie Canyon 4 symmetrisch auf beiden Canyon 6 Albedo Straße Quader (12 m) wie Canyon 1 Gehweg (Beton, = 0.40), Asphalt in Straßenmitte ( = 0.40) keine 12 m/12 m Canyon 7 Wasser Quader (12 m) wie Canyon 1 wie Canyon 1 plus Wasser (2m breit) zwischen nördlichem/ westlichen Gehweg keine 12 m/12 m und Asphalt Canyon 8 Vorsprünge Quader (12 m), Vorsprünge (2 m über Gehsteig, 4 m wie Canyon 1 wie Canyon 1 keine 12 m/12 m breit) alle 4 m Canyon 9 Galerie Quader (12 m), Galerie (2 m breit) wie Canyon 1 wie Canyon 1 keine 12 m/12 m Canyon 10 Galerie + Vegetation wie Canyon 9 wie Canyon 1 wie Canyon 4 wie Canyon 4 12 m/12 m Canyon 11 cool colors Quader (12 m) wie Canyon 1, Emissivität 60% wie Canyon 1 keine 12 m/12 m Quelle: Huttner und Bruse, 2009

20 Simulationen (IVa) Beschreibung Bebauung Wände Boden Vegetation H/W Canyon 1 Standard Quader (12 m) Canyon 2 Albedo Quader (12 m) Canyon 3 Quader (12 m) = 0.30, u = 0.5, Gehweg (Beton, = 0.40), keine 12 m/12 m c = 1200 Asphalt in Straßenmitte ( = 0.20) = 0.70, u = 0.5, wie Canyon 1 keine 12 m/12 m c = 1200 = 0.30, u = 1, c = 600 Canyon 4 Vegetation Quader (12 m) wie Canyon 1 Canyon 5 Materialveränderung (T Wand ) Vegetationsdichte wie Canyon 1 keine 12 m/12 m wie Canyon 1, natürlicher Boden unter Bäumen 16 m hoher Bäume, versetzt auf beiden 12 m/12 m Straßenseiten 16 m hoher Bäume, symmetrisch auf beiden 12 m/12 m Straßenseiten Quader (12 m) wie Canyon 1 wie Canyon 4 symmetrisch auf beiden Canyon 6 Albedo Straße Quader (12 m) wie Canyon 1 Gehweg (Beton, = 0.40), Asphalt in Straßenmitte ( = 0.40) keine 12 m/12 m Canyon 7 Wasser Quader (12 m) wie Canyon 1 wie Canyon 1 plus Wasser (2m breit) zwischen nördlichem/ westlichen Gehweg keine 12 m/12 m und Asphalt Canyon 8 Vorsprünge Quader (12 m), Vorsprünge (2 m über Gehsteig, 4 m wie Canyon 1 wie Canyon 1 keine 12 m/12 m breit) alle 4 m Canyon 9 Galerie Quader (12 m), Galerie (2 m breit) wie Canyon 1 wie Canyon 1 keine 12 m/12 m Canyon 10 Galerie + Vegetation wie Canyon 9 wie Canyon 1 wie Canyon 4 wie Canyon 4 12 m/12 m Canyon 11 cool colors Quader (12 m) wie Canyon 1, Emissivität 60% wie Canyon 1 keine 12 m/12 m Quelle: Huttner und Bruse, 2009

21 Simulationen (IVb) 80 Synthetische Straßenschlucht (E-W) S-exponierter Gehweg, 21./ PET ( C C) Canyon 1 Canyon 2 Canyon 3 Canyon 4 Canyon 5 Canyon 6 Canyon 7 Canyon 8 Canyon 9 Canyon 10 Canyon MEZ (h) Quelle: Huttner und Bruse, 2009

22 Fallstudie: Freiburg-Vauban

23 Fallstudie: Freiburg-Vauban SVF : 70% Anteil Baumkronen : 13% SVF : 6% Anteil Baumkronen : 81%

24 Lufttemperatur T a 30 Freiburg, Vauban, S exponierter Bürgersteig, 24. Juli 2008 T a, besonnt 25 T a, abgeschattet Ta ( C C) Uhrzeit (MEZ)

25 Lufttemperatur T a wesentliches Ergebnis: unter dem Kronenschirm (Abschattung) leichte Erniedrigung von T a (max.: -1.7 C) spiegelt nicht die veränderte Wahrnehmung von Hitze durch Stadtbewohner wider (sich wohl wohl fühlen) T a : ungeeignet zur Quantifizierung von thermischem Komfort auf lokaler Ebene

26 mittlere Strahlungstemperatur T mrt 80 Freiburg, Vauban, S exponierter Bürgersteig, 24. Juli 2008 T mrt, besonnt 60 C) Tmrt ( C 40 T mrt, abgeschattet Uhrzeit (MEZ)

27 mittlere Strahlungstemperatur T mrt wesentliches Ergebnis: unter dem Kronenschirm (Abschattung) deutliche Reduzierung von T mrt (max.: C) aufgrund von veränderten Strahlungsflussdichten aus der 3D Umgebung, g, absorbiert von human-biometeorologischer Referenzperson T mrt : Schlüsselvariable für den thermischen Komfort mrt

28 T mrt -T a 50 Freiburg, Vauban, S exponierter Bürgersteig, 24. Juli besonnt ( C) Tmrt - Ta T abgeschattet Uhrzeit (MEZ)

29 T mrt -T a wesentliches Ergebnis: T mrt -T a deutlich niedriger unter dem Kronenschirm (Abschattung) (max.: 9.4 C) als im besonnten Bereich (max.: 39.9 C)

30 thermischer Index PET 50 Freiburg, Vauban, S exponierter Bürgersteig, 24. Juli 2008 PET besonnt 40 PET b t PET ( C) PET abgeschattet Uhrzeit (MEZ)

31 thermischer Index PET wesentliches Ergebnis: unter dem Kronenschirm (Abschattung) deutliche Erniedrigung von PET (max.: C) d.h. um ca. zwei thermophysiologische Empfindungsstufen starker Hitzestress leichter Hitzestress hauptsächlich wegen veränderter T mrt Bedingungen Quantifizierung der human-biometeorologischen Wohlfahrtswirkung von Baumkronen bei Hitze im Sommer

32 K* abs (10-16 MEZ) - SVF Freiburg, L*abs) K* *abs/(k*abs K* abs /(K* abs +L* abs ) = *SVF R 2 = SVF (%)

33 T mrt (10-16 MEZ) - SVF Freiburg, C) Tmrt ( T mrt = 0.378*SVF R 2 = SVF (%)

34 Städte in Mitteleuropa extreme Hitze Sommerphänomen Tag länger als Nacht Ziele von Planungsmaßnahmen zur Aufrechterhaltung von thermischem Komfort für Stadtbewohner - primär: Reduzierung des Eintrags von Hitze tagsüber in alle Räume der Stadt (alle Raumskalen) - unter Einhaltung von Umweltschutzzielen - - sekundär: Sicherung von ausreichender Belüftung nachts: Bergwind, Kaltluftabfluss tagsüber: Seewind

35 Maßnahmen - Mitigation zur Reduzierung des Eintrags von Hitze in Stadtquartiere während des Tages: optimiertes Straßen- und Gebäudedesign Verwendung von kühlen Materialien Förderung von green - Dach- und Fassadenbegrünung - Straßenbäume ( Abschattung) - Vorgärten, Straßenbegleitgrün - größere urbane Grünflächen - V h tt H dä h d h A l fü l Verschattung von Hausdächern durch Anlagen für solare Energiesysteme

36 Dachbegrünung - Solaranlagen Stuttgart Quelle: Kapp und Reuter, 2010

37 Abschattungsmethoden (I) Hamburg

38 Abschattungsmethoden (II) Freiburg

39 Abschattungsmethoden (III) Freiburg

40 Abschattungsmethoden (IV) Jaffa

41 Abschattungsmethoden (V) Jaffa

42 Abschattungsmethoden (VI) Jaffa

43 Abschattungsmethoden (VII) Jaffa

44 Abschattungsmethoden (VIII) Bonn

45 Straßenbäume Zielkonflikte in der Wirkung von Straßenbäumen: - Abschattung ( thermischer Komfort) - Strömungshindernis ( Luftqualität) - Freisetzung von BVOC ( Ozonbildung) größte Bedeutung (unter human-biometeorologischem Aspekt): Abschattungswirkung durch Bäume (Kronenschirm) kurz- und langwellige Strahlungsflussdichten Wärmeflussdichten vitale Straßenbäume erforderlich - gesicherte Wasser- und Nährstoffversorgung (natürlich) - an den Klimawandel angepasst -

46 individuelle Anpassung Maßnahmen neben klimawandelgerechten urbanen Räumen: - Hitzewarnsysteme z.b. des Deutschen Wetterdienstes - individuelles Verhalten -

47 individuelles Verhalten (I)

48 Individuelles Verhalten (II)

49 Fazit I - Klimawandel - bereits gut beobachtbar (retrospektiv) - Klimaprojektionen (Klimavariable, Belastbarkeit, ) - Rasterweite von regionalen Klimamodellen - Städte - eingebettet in Hintergrundbedingungen - spezifische Kennzeichen spezifische Folgen (z.b. Stadtklima, local climate zones ) Belastungen für Stadtbewohner - Entwicklungsdynamik ( Herausforderung liegt im Bestand )

50 Fazit II - Klimawandel Städte erhöhter Stress für Stadtbewohner - Reaktionen auf das Risiko Stadtplanung ist gefordert - Mitigation (neben Adaptation) - human-biometeorologische Grundlagen weitgehend entwickelt Umsetzung in die Praxis, Überprüfung, permanenter Dialog - human-biometeorologische Bedeutung von Straßen- bäumen Sicherung der urbanen Lebensqualität auch unter sich ändernden Randbedingungen

51 Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit