Fachbeitrag Stadtklima zum städtebaulichen Entwurf Mitte Altona in Hamburg

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1 Fachbeitrag Stadtklima zum städtebaulichen Entwurf Mitte Altona in Hamburg Auftraggeber: Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt Amt für Landes- und Landschaftsplanung Alter Steinweg Hamburg Auftragnehmer: GEO-NET Umweltconsulting GmbH Große Pfahlstraße 5 A Hannover Tel. (0511) FAX (0511) in Zusammenarbeit mit: Prof. Dr. G. Gross Anerkannt beratender Meteorologe (DMG), Von der IHK Hannover-Hildesheim öffentlich bestellter Gutachter für Immissionsfragen und Kleinklima April 2012

2 Auftrag: Standort: Auftraggeber: Projektnummer: snummer: Fachbeitrag Stadtklima zum städtebaulichen Entwurf Mitte Altona in Hamburg Stadt Hamburg Bundesland: Hamburg Deutschland Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt Amt für Landes- und Landschaftsplanung Alter Steinweg Hamburg 2_11_015 2_11_015_Mitte_Altona_Rev03 Version: 4 Datum: 16. April 2012 Erstellt von: Dipl.-Geogr. Dirk Funk Unter Mitarbeit von: Prof. Dr. Günter Groß Geprüft von: Dipl.-Geogr. Peter Trute Die Erstellung des Gutachtens erfolgte nach Stand der Technik nach bestem Wissen und Gewissen. Das Gutachten bleibt bis zur Abnahme und Bezahlung alleiniges Eigentum des Auftragnehmers. Die Veröffentlichung bzw. Vervielfältigung und Weitergabe des Gutachtens bzw. von Auszügen oder Ergebnissen an Dritte bedarf des schriftlichen Einverständnisses von GEO-NET Umweltconsulting GmbH.

3 Inhaltsverzeichnis Seite: Inhaltsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... II Tabellenverzeichnis... II 1 Aufgabenstellung Datengrundlage und Aufbau der Geodatenbasis Der Masterplan "Mitte Altona" Geländehöhe und Nutzungsstruktur Methodik Das Mesoskalenmodell FITNAH Synoptische Rahmenbedingungen für die Modellrechnung Ergebnisse Ergebnisse zum Kaltlufthaushalt der FITNAH-Modellierung Bodennahes Temperaturfeld Autochthones Windfeld Kaltluftvolumenstrom Bioklimatische Situation Zusammenfassung der Ergebnisse und Fazit Allgemeine Hinweise Vorhabenbezogene Planungshinweise Literatur Seite I

4 Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Masterplan Mitte Altona... 2 Abb. 2 Geländehöhe im Untersuchungsraum... 3 Abb. 3 Nutzungsstruktur im Istzustand... 4 Abb. 4 Unterschiedliche Rasterweiten bei einem digitalen Geländehöhenmodell... 6 Abb. 5 Eingangsdaten für die Modellrechnung... 7 Abb. 6 Temperaturverlauf und Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit... 8 Abb. 7 Untersuchungsablauf...9 Abb. 8 Temperaturfeld im Istzustand...13 Abb. 9 Temperaturfeld im Planzustand Variante Abb. 10 Temperaturfeld im Planzustand Variante Abb. 11 Differenz der Lufttemperatur zwischen Variante 1 und Istzustand...16 Abb. 12 Differenz der Lufttemperatur zwischen Variante 2 und Istzustand...17 Abb. 13 Prinzipskizze Flurwind...18 Abb. 14 Autochthones Strömungsfeld und Windgeschwindigkeit im Istzustand...21 Abb. 15 Autochthones Strömungsfeld und Windgeschwindigkeit im Planzustand Variante Abb. 16 Autochthones Strömungsfeld und Windgeschwindigkeit im Planzustand Variante Abb. 17 Differenz der Windgeschwindigkeit zwischen Variante 1 und Istzustand...24 Abb. 18 Differenz der Windgeschwindigkeit zwischen Variante 2 und Istzustand...25 Abb. 19 Kaltluftvolumenstrom und autochthones Strömungsfeld im Istzustand...28 Abb. 20 Kaltluftvolumenstrom und autochthones Strömungsfeld im Planzustand Variante Abb. 21 Kaltluftvolumenstrom und autochthones Strömungsfeld im Planzustand Variante Abb. 22 Differenz Kaltluftvolumenstrom zwischen Variante 1 und Istzustand...31 Abb. 23 Differenz Kaltluftvolumenstrom zwischen Variante 2 und Istzustand...32 Abb. 24 Bioklimatische Situation im Istzustand...35 Abb. 25 Bioklimatische Situation im Planzustand Variante Abb. 26 Bioklimatische Situation im Planzustand Variante Abb. 27 Verortung der Hinweise I...40 Abb. 28 Verortung der Hinweise II...41 Abb. 29 Verortung der Hinweise III...42 Tabellenverzeichnis Tab. 1 Nutzungskategorien der Klimamodellierung...4 Tab. 2 Qualitative Einordnung des Kaltluftvolumenstroms...26 Tab. 3 Klassifizierung der bioklimatischen Situation...33 Seite II

5 1. Aufgabenstellung Im Auftrag der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt der Freien und Hansestadt Hamburg wurde vom Büro GEO-NET Umweltconsulting GmbH in Kooperation mit Prof. Dr. G. Groß (Universität Hannover) im September 2011 eine modellgestützte Analyse zu den klimaökologischen Auswirkungen der im Rahmen des städtebaulichen Vorhabens Mitte Altona vorgesehenen Flächennutzungsänderungen durchgeführt. Die zu klärenden Fragen, die im Mittelpunkt der Untersuchung stehen, beziehen sich auf das nähere Umfeld des geplanten Bauvorhabens im Bezirk Altona: Welche Belüftungssituation liegt in der Umgebung der Vorhabensfläche vor? Wie ist die bioklimatische Situation zu beurteilen? Wie wird sich das Bebauungsvorhaben voraussichtlich auf die klimaökologische Situation, besonders im Hinblick auf die Luftaustauschprozesse, auswirken? Mit der Verlegung des Fernbahnhofs Altona nach Norden zum Diebsteich stellt sich die Aufgabe, die frei werdende Fläche in das städtische Umfeld zu integrieren. Im Rahmen des städtebaulichen und landschaftsplanerischen Wettbewerbs wurden insgesamt 30 ha berücksichtigt. Das Schutzgut Klima/Luft ist in diesem Zusammenhang ein wichtiger Aspekt der räumlichen Planung und Bestandteil der Abwägung bei der sich anschließenden Bauleitplanung und Umweltprüfung. Diese Studie soll klimaökologische Rahmendaten liefern, um eine sachgerechte Beurteilung der Schutzgüter Klima/Luft innerhalb des Planungsprozesses zu gewährleisten. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf die Beeinflussung des Kaltlufthaushaltes durch die zusätzlichen Baukörper gelegt. Ziel soll sein, in den Nachtstunden eine Kalt- /Frischluftversorgung in den angrenzenden Quartieren (mindestens) aufrecht zu erhalten. Für die Ermittlung dieser Zusammenhänge wurde als meteorologische Rahmenbedingung eine austauscharme, sommerliche Hochdruckwetterlage angenommen, die häufig mit einer überdurchschnittlich hohen Wärmebelastung in den Siedlungsräumen sowie lufthygienischen Belastungen einhergeht. Die meteorologischen Eingangsdaten stellen insofern eine Worst Case -Betrachtung dar. Dabei wurden das bodennahe Kaltluftströmungsfeld sowie weitere meteorologische Größen für eine solche Wetterlage mit dem mesoskaligen Klima- und Strömungsmodell FITNAH simuliert. Eine austauscharme Wetterlage ist durch die Entstehung kleinräumiger Windsysteme zwischen überwärmten Siedlungsbereichen einerseits und vergleichsweise kühlen, vegetationsgeprägten Freiflächen andererseits in der Nacht gekennzeichnet. Unter diesen meteorologischen Rahmenbedingungen können nächtliche Kaltund Frischluftströmungen aus innerstädtischen Grün- und Brachflächen zum Abbau von Belastungen beitragen. Aufgrund der Größe sowie der Lage im Stadtgebiet Hamburg ergibt sich für das überplante und im jetzigen Zustand gering überbaute Areal der Mitte Altona eine klimaökologische Relevanz. Der zweistufige planerische Ablauf bei der Entwicklung der Mitte Altona wurde auch im Rahmen der Modellrechnungen mit zwei separaten Szenarien berücksichtigt. Damit können mögliche Summenwirkungen der geplanten Bebauung in die Auswertung mit einbezogen werden, so dass eine möglichst realitätsnahe Beurteilung der lokalklimatischen Auswirkungen einer vollständig umgesetzten Bebauung gegeben ist. Seite 1

6 2. Datengrundlage und Aufbau der Geodatenbasis 2.1 Der Masterplan Mitte Altona Durch die Verlegung der Fernbahn vom Bahnhof Altona zum Diebsteich und das Freiwerden angrenzender Flächen entstehen für dieses als Mitte Altona bezeichnete Gebiet neue Möglichkeiten der städtebaulichen Entwicklung. Um eine nachhaltige und schlüssige Planung zu gewährleisten, ist für das gesamte Areal ein städtebaulich-landschaftsplanerischer Wettbewerb durchgeführt worden. Aus ihm ist der in Abb. 1 dargestellte Masterplan hervorgegangen, welcher die Grundlage für die Durchführung der Modellrechnungen darstellt. Der weitere planerische Ablauf für die Mitte Altona sieht vor, zunächst die östliche Teilfläche I entlang der Harkortstraße zu bebauen und erst nach Abschluss der Verlegung des Fernbahnhofs in einem weiteren Schritt die übrigen Bereiche II und III zu entwickeln (vgl. Abb. 1). Während alle drei Teilflächen zusammen den 30 Hektar großen Ideenteil Wettbewerb bilden, lässt sich somit das 13 Hektar große östliche Realisierungsareal (I) abgrenzen. Entsprechend diesem Ablauf wurden bei der Klimamodellierung auch zwei Ausbaustufen berücksichtigt. Zum Einen ein Szenario mit alleiniger Umsetzung der Teilfläche I, zum Anderen eine Variante mit dem kompletten Umfang und den Teilflächen I bis III. Die Mitte Altona ist gegenwärtig von verschiedenen Nutzungen gekennzeichnet. Das Teilgebiet I westlich der Harkortstraße beinhaltet den ehemaligen Güterbahnhof, mittlerweile ungenutzte Gewerbefläche sowie Ruderalfächen. Teilfläche II ist vor allem durch ausgedehnte Gleisfläche geprägt, während Fläche III größtenteils mit Gehölz und Bäumen bestanden ist. Abb. 1: Masterplan Mitte Altona (Stand ) Das neu entstehende Quartier soll sich baulich und funktionell in die benachbarten Viertel einfügen und wird daher vor allem durch Blockrandbebauung mit fünf bis sieben Geschossen und Wohnnutzung charakterisiert sein. Die historischen Güterhallen innerhalb der Teilfläche I werden dabei in den Entwurf integriert. In diesem ersten Bauabschnitt können bis zu 1600 Wohnungen realisiert werden, wobei zusammen mit den übrigen Teilflächen der Mitte Altona das Potential für Wohnungen mit bis zu 3500 Einheiten angegeben wird. Die Planungen sehen einen Wohnanteil von insgesamt etwa 90 % vor, während der Rest aus Gewerbe, Büronutzung und Gastronomie bestehen soll. Es ist vorgesehen, die Gewerbenutzungen vor allem im Bereich der ehemaligen Güterhallen anzusiedeln. Der Masterplan weist darüber hinaus einen langgestreckten Grünzug auf, der sich im nördlichen Bereich als großer Park aufweitet und sowohl den Bewohnern des neuen Quartiers als auch den heutigen Anwohnern Altonas zugänglich sein soll. Seite 2

7 2.2 Geländehöhe und Nutzungsstruktur Nutzungsstruktur und Geländehöhe sind wichtige Eingangsdaten für die Windfeldmodellierung, da über die Oberflächengestalt, die Höhe der jeweiligen Nutzungsstrukturen sowie deren Versiegelungsgrad das Strömungs- und Temperaturfeld entscheidend beeinflusst wird. Die dafür erforderlichen Geodaten wurden von der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt im Rahmen der von GEO-NET durchgeführten gesamtstädtischen Klimaanalyse zur Verfügung gestellt (GEO-NET 2011). Das gesamte Untersuchungsgebiet hat bei einer Abmessung von 2400 m x 2360 m eine Fläche von insgesamt etwa 5,7 km². Die Modellierung der meteorologischen Parameter erfolgte mit einer Zellengröße von 10 m x 10 m. Zur Bereitstellung der orographischen Eingangsparameter für die Berechnung des Wind- und Temperaturfeldes konnte auf ein digitales Geländehöhenmodell der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt (BSU) zurückgegriffen werden. Dieses wurde von der ursprünglichen 5 m Auslösung auf die Zellengröße des Modelleingangsrasters mit 10 m x 10 m aggregiert. Die Reliefsituation ist in Abb. 2 dargestellt, wobei die Geländehöhe von Südwesten mit etwa 34 m ünn nach Nordosten hin auf weniger als 15 m abnimmt. Abb. 2: Geländehöhe im Untersuchungsraum Innerhalb der Vorhabenfläche Mitte Altona selbst sind Geländehöhen von etwa 27 m bis 18 m ünn anzutreffen. Für die Aufbereitung der Nutzungsstrukturen wurde die Biotoptypenkarte der Stadt Hamburg herangezogen und durch neuere Daten zur Bebauungsstruktur wie z.b. Bebauungspläne ergänzt (STADT HAMBURG 2009). Im Anschluss wurde eine Überprüfung der Nutzungsdaten auf Basis von Luftbildern (Stand 2008) durchgeführt. Um den speziellen Anforderungen der Modellanalyse gerecht werden zu können, Seite 3

8 wurden bei der Aufbereitung der Nutzungsstrukturen die insgesamt 376 Biotoptypen zu einem 12-klassigern Nutzungsschlüssel aggregiert (Tab. 1). Die Nutzungsstruktur im Ist-Zustand auf Grundlage der in Tab. 1 aggregierten Nutzungskategorien zeigt Abb. 3 für das nähere Umfeld der Vorhabenfläche. Eine wichtige Modelleingangsgröße stellt zudem die Höhe der Baustrukturen dar, welche einen maßgeblichen Einfluss auf das lokale Windfeld ausübt. Tab. 1: Nutzungskategorien der Klimamodellierung Abb. 3: Nutzungsstruktur im Ist-Zustand Das von der BSU zur Verfügung gestellte 3-D-Modell auf Grundlage der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) beinhaltet sowohl die Geometrie des Gebäudebestands als auch deren Höhe. Die Angaben zur geplanten Bebauung der Mitte Altona wurden vom Auftraggeber zur Verfügung gestellt und in die Datenbasis eingearbeitet. Des Weiteren sind auch Informationen zur ebenerdigen Versiegelung relevant, da sie den Wärmehaushalt der Oberflächen und damit die oberflächennahe Lufttemperatur mit beeinflusst. Diese Daten wurden ebenfalls vom Auftraggeber zur Verfügung gestellt und weisen eine blockscharfe Genauigkeit auf. Aus der Verknüpfung der unterschiedlichen Quellen ist somit eine aktuelle Informationsebene zur Realnutzung, Strukturhöhe und Oberflächenversiegelung aufgebaut worden. Seite 4

9 3. Methodik 3.1 Das Mesoskalenmodell FITNAH Allgemeines Neben globalen Klimamodellen und regionalen Wettervorhersagemodellen wie sie zum Beispiel vom Deutschen Wetterdienst für die tägliche Wettervorhersage routinemäßig eingesetzt werden, nehmen kleinräumige Modellanwendungen für umweltmeteorologische Zusammenhänge im Rahmen von stadt- und landschaftsplanerischen Fragestellungen einen immer breiteren Raum ein. Die hierfür eingesetzten meso- (und) mikroskaligen Modelle erweitern das Inventar meteorologischer Werkzeuge zur Berechnung atmosphärischer Zustände und Prozesse. Der Großteil praxisnaher umweltmeteorologischer Fragestellungen behandelt einen Raum von der Größenordnung einer Stadt oder einer Region. Die bestimmenden Skalen für die hier relevanten meteorologischen Phänomene haben eine räumliche Erstreckung von Metern bis hin zu einigen Kilometern und eine Zeitdauer von Minuten bis hin zu Stunden. Unter Verwendung des üblichen Einteilungsschemas meteorologischer Phänomene müssen diese in die Mikro- und Mesoskala eingeordnet werden. Beispiele für solche mesoskaligen Phänomene sind der Einfluss orographischer Hindernisse auf den Wind wie Kanalisierung und Umströmungseffekte, Land-See-Winde, Flurwinde oder auch Düseneffekte in Straßen, sowie das Phänomen der urbanen Wärmeinsel. Obwohl die allgemeine Struktur und die physikalischen Ursachen dieser lokalklimatischen Phänomene im Allgemeinen bekannt sind, gibt es nach wie vor noch offene Fragen hinsichtlich der räumlichen Übertragung auf andere Standorte oder der Sensitivität bezüglich der Wechselwirkungen einzelner Strömungssysteme untereinander. Ein Grund hierfür sind die relativ kleinen und kurzen Skalen der mesoskaligen Phänomene und deren unterschiedlichem Erscheinungsbild in komplexem Gelände, was es extrem schwierig macht, mit Hilfe einer beschränkten Anzahl von Beobachtungen eine umfassende Charakterisierung zu erhalten. Mit Hilfe ergänzender Modelluntersuchungen kann dieser Nachteil überwunden werden. Beginnend mit einem Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG 1988) wurden gerade in Deutschland eine Reihe mesoskaliger Modelle konzipiert und realisiert. Der heutige Entwicklungsstand dieser Modelle ist extrem hoch und zusammen mit den über die letzten Dekaden gewonnenen Erfahrungen im Umgang mit diesen Modellen steht neben Messungen vor Ort und Windkanalstudien ein weiteres leistungsfähiges und universell einsetzbares Werkzeug zur Bearbeitung umweltmeteorologischer Fragestellungen in kleinen, stadt- und landschaftsplanerisch relevanten Landschaftsausschnitten zur Verfügung. Grundlagen mesoskaliger Modelle Die Verteilung der lokalklimatisch relevanten Größen wie Wind und Temperatur können mit Hilfe von Messungen ermittelt werden. Aufgrund der großen räumlichen und zeitlichen Variation der meteorologischen Felder im Bereich einer komplexen Umgebung sind Messungen allerdings immer nur punktuell repräsentativ und eine Übertragung in benachbarte Räume selten möglich. Mesoskalige Modelle wie FITNAH können zu entscheidenden Verbesserungen dieser Nachteile herangezogen werden, indem sie physikalisch fundiert die räumlichen und/oder zeitlichen Lücken zwischen den Messungen schließen, weitere meteorologische Größen berechen, die nicht gemessen wurden und Wind- und Temperaturfelder in ihrer raumfüllenden Seite 5

10 Struktur ermitteln. Die Modellrechnungen bieten darüber hinaus den großen Vorteil, dass Planungsvarianten und Ausgleichsmaßnahmen in ihrer Wirkung und Effizienz studiert werden können und auf diese Art und Weise optimierte Lösungen gefunden werden können. Grundgleichungen Für jede meteorologische Variable wird eine physikalisch fundierte mathematische Berechnungsvorschrift aufgestellt. Alle mesoskaligen Modelle basieren daher, wie Wettervorhersage- und Klimamodelle auch, auf einem Satz sehr ähnlicher Bilanz- und Erhaltungsgleichungen. Das Grundgerüst besteht aus den Gleichungen für die Impulserhaltung (Navier-Stokes Bewegungsgleichung), der Massenerhaltung (Kontinuitätsgleichung) und der Energieerhaltung (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Je nach Problemstellung und gewünschter Anwendung kann dieses Grundgerüst noch erweitert werden um z.b. die Effekte von Niederschlag auf die Verteilung der stadtklimatologisch wichtigen Größen zu berücksichtigen. In diesem Falle müssen weitere Bilanzgleichungen für Wolkenwasser, Regenwasser und feste Niederschlagspartikel gelöst werden. Die Lösung des Gleichungssystems erfolgt in einem numerischen Raster. Die Rasterweite muss dabei so fein gewählt werden, dass die lokalklimatischen Besonderheiten des Untersuchungsraumes vom mesoskaligen Modell erfasst werden können. Je feiner das Raster gewählt wird, umso mehr Details und Strukturen werden aufgelöst (vgl. Abb. 4). Abb. 4: Unterschiedliche Rasterweiten (links: 500 m x 500 m; rechts: 125 m x 125 m) bei einem digitalem Geländehöhenmodell Allerdings steigen mit feiner werdender Rasterweite die Anforderungen an Rechenzeit und an die benötigten Eingangsdaten. Hier muss ein Kompromiss zwischen Notwendigkeit und Machbarkeit gefunden werden. In der vorliegenden Untersuchung beträgt die für die Modellierung mit FITNAH verwendete räumliche Maschenweite x 10 m. Bei allen Modellrechnungen ist die vertikale Gitterweite nicht äquidistant und in der bodennahen Atmosphäre sind die Rechenflächen besonders dicht angeordnet, um die starke Variation der meteorologischen Größen realistisch zu erfassen. So liegen die untersten Rechenflächen in Höhen von 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 und 70 m. Nach oben hin wird der Abstand z immer größer und die Modellobergrenze liegt in einer Höhe von 3000 m über Grund. In dieser Höhe wird angenommen, dass die am Erdboden durch Orographie und Landnutzung verursachten Störungen abgeklungen sind. Die Auswertungen der FITNAH- Modellierung beziehen sich auf das bodennahe Niveau der Modellrechnung (2 m über Grund = Aufenthaltsbereich der Menschen). Seite 6

11 Eingangsdaten Bei einem numerischen Modell wie FITNAH muss zur Festlegung und Bearbeitung einer Aufgabenstellung eine Reihe von Eingangsdaten zur Verfügung stehen (Abb. 5). Diese müssen zum einen die Landschaft charakterisieren, für welche die lokalklimatische Studie durchgeführt werden soll, und zum anderen auch die größerskaligen meteorologischen Rahmenbedingungen wie Wetterlage oder Klimaszenario definieren. Geländehöhe + Landnutzung + Großräumiges Wetter Abb. 5: Eingangsdaten für die Modellrechnung Alle Eingangsdaten sind jeweils als repräsentativer Wert für eine Rasterzelle bereit zu stellen: Geländedaten (z.b. Geländehöhe, Neigung, Orientierung) Nutzungsdaten (Verteilung der Landnutzung) o Bei urbanen Räumen: z.b. Gebäudehöhe, Überbauungsgrad, anthropogene Abwärme, Albedo, Synoptische Rahmenbedingungen Während autochthoner Wetterlagen können sich die lokalklimatischen Besonderheiten in einer Stadt besonders gut ausprägen. Eine solche Wetterlage wird durch wolkenlosen Himmel und einen nur sehr schwachen überlagernden synoptischen Wind gekennzeichnet. Diese Wetterlagen treten in Hamburg in den Sommermonaten an ca. 10 % der Stunden auf und werden unter dem Einfluss des Klimawandels weiter zunehmen. Bei den hier durchgeführten numerischen Simulationen wurden die großräumigen synoptischen Rahmenbedingungen entsprechend festgelegt: Bedeckungsgrad 0/8, kein überlagernder geostrophischer Wind, relative Feuchte der Luftmasse 50%. Die vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten bei einer austauscharmen Wetterlage bedingen einen herabgesetzten Luftaustausch in der bodennahen Luftschicht. Bei gleichzeitiger hoher Ein- und Ausstrahlung können sich somit lokal bioklimatische und lufthygienische Belastungsräume ausbilden. Charakteristisch für diese (Hochdruck-) Wetterlage ist die Entstehung eigenbürtiger Kaltluftströmungen (Flurwinde), die durch den Temperaturgradienten zwischen kühlen Freiflächen und wärmeren Siedlungsräumen angetrieben werden. Seite 7

12 In Abb. 6 sind schematisch die für eine austauscharme sommerliche Wetterlage simulierten tageszeitlichen Veränderungen der Temperatur und Vertikalprofile der Windgeschwindigkeit zur Mittagszeit für die Landnutzungen Freiland, Stadt und Wald dargestellt. Freiland Wald Stadt 25 Temperatur ( o C) Höhe 10 Freiland Wald Stadt Zeit (h) normierte Geschwindigkeit Abb. 6: Temperaturverlauf und Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit zur Mittagszeit für verschiedene Landnutzungen Beim Temperaturverlauf zeigt sich, dass sowohl Freiflächen wie z.b. Wiesen als auch Bebauung ähnlich hohe Temperaturen zur Mittagszeit aufweisen können, die nächtliche Abkühlung der Siedlungsflächen vor allem durch die Wärme speichernden Materialien hingegen deutlich geringer ist. Waldflächen nehmen eine vermittelnde Stellung ein, da die nächtliche Auskühlung durch das Kronendach gedämpft wird. Hinsichtlich der Windgeschwindigkeit wird der Einfluss von Bebauung und Vegetationsstrukturen im Vertikalprofil deutlich. Seite 8

13 4. Ergebnisse Im Folgenden werden die Ergebnisse der FITNAH-Modellierung zu den meteorologischen Parametern Lufttemperatur in 2 m Höhe, Kaltluftströmungsgeschwindigkeit, Kaltluftvolumenstrom sowie bioklimatische Situation erläutert. Als meteorologische Rahmenbedingung wurde eine austauscharme Wetterlage zugrunde gelegt, da sich die stadtklimatischen Effekte vor allem während windschwacher Strahlungswetterlagen im Sommer entwickeln. Auslöser dieser Prozesse sind die Temperaturunterschiede zwischen vergleichsweise warmen Siedlungsräumen und kühleren vegetationsgeprägten bzw. unbebauten Flächen. Für den Zeitpunkt 4 Uhr morgens werden die Ergebnisse jeweils für den Istzustand als Basisszenario sowie den zwei Planvarianten (Abb. 7) dargestellt. Die Variante 1 beinhaltet nur das Realisierungsareal westlich der Harkortstraße, während Variante 2 die gesamte Planfläche umfasst (vgl. Abb. 1, S. 2). Modellrechnung Basisszenario Modellrechnung Planungsszenarien Abgleich Basisszenario - Planungsszenarien Bewertung der klimaökologischen Auswirkung der Flächennutzungsänderung Abb. 7: Untersuchungsablauf Differenzenkarten verdeutlichen im Anschluss die räumlichen Effekte der Nutzungsänderungen auf die Ausprägung der meteorologischen Größen im Vergleich zum Basisszenario. 4.1 Ergebnisse zum Kaltlufthaushalt der FITNAH-Modellierung Bodennahes Temperaturfeld Allgemeines: Der Tagesgang der Lufttemperatur ist direkt an die Strahlungsbilanz eines Standortes gekoppelt und zeigt daher in der Regel einen ausgeprägten Abfall während der Abend- und Nachtstunden. Dieser erreicht kurz vor Sonnenaufgang des nächsten Tages ein Maximum. Das Ausmaß der Abkühlung kann dabei je nach den meteorologischen Verhältnissen, der Lage des Standorts und den landnutzungsabhängigen physikalischen Boden- und Oberflächeneigenschaften große Unterschiede aufweisen, so dass sich bereits auf kleinem Raum ein differenziertes Temperaturfeld mit mehr als 8 K Temperaturabweichung einstellen kann. Besonders auffällig dabei ist das thermische Sonderklima der Siedlungsräume. Die in Städten gegenüber dem Umland modifizierten klimatischen Verhältnisse lassen sich auf einige wesentliche Faktoren zurückführen. Seite 9

14 Hierzu gehören: die erhöhte Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Boden- und Oberflächeneigenschaften die durch die Geometrie der städtischen Baukörper vergrößerte strahlungsabsorbierende Oberfläche die herabgesetzte Verdunstung durch die direkte Einleitung des Niederschlagswassers in die Kanalisation oder die Vorflut die über die vermehrte Emission von Gasen und Aerosolen zugunsten eines langwelligen Strahlungsgewinns veränderte Strahlungsbilanz (lokaler Treibhauseffekt) die Wirkung der Stadt als Strömungshindernis mit hoher aerodynamischen Rauigkeit und die damit verbundene Behinderung der Durchlüftung und des Luftaustausches mit dem Umland die erhöhte anthropogen bedingte Wärmeproduktion Damit ist das Ausmaß der Temperaturabweichung im Siedlungsbereich vor allem abhängig von der Größe der Stadt und der Dichte der Überbauung. Doch auch die Luftvolumina über grüngeprägte Flächen weisen untereinander keinen einheitlichen Wärmezustand auf. Die Abkühlungsrate von natürlichen Oberflächen wird insbesondere von ihren thermischen Bodeneigenschaften (u.a. ihrer Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität) sowie von eventuell vorhandenen Oberflächenbedeckungen (Bewuchs, Laubstreu usw.) bestimmt. Das Relief (Exposition, Geländeneigung) und die Lage im Mosaik der Nutzungen und ihrer dynamischen Luftaustauschprozesse üben einen weiteren Einfluss aus. Eine Sonderstellung nehmen Wald- und Gewässerflächen ein. Der gedämpfte, insgesamt vermittelnde Tagesgang der Temperatur im Wald beruht zu einem großen Teil auf dem zweischichtigen Strahlungsumsatz zwischen Atmosphäre und Kronendach sowie zwischen Kronendach und Stammraum. Größere Waldgebiete sind wichtige Frischluftproduktionsgebiete, wobei hier sauerstoffreiche, staubfreie und wenig belastete Luft entsteht. Während tagsüber durch Verschattung und Verdunstung relativ niedrige Temperaturen bei hoher Luftfeuchtigkeit im Stammraum vorherrschen, treten nachts, im Vergleich zu nicht mit Gehölz bestandenen Grünflächen, eher milde Temperaturen auf. Stadtnahe Wälder können daher auch am Tage Kaltluft zugunsten des Siedlungsraumes erzeugen. Die Ermittlung des bodennahen Temperaturfeldes ermöglicht es, Bereiche mit potenziellen bioklimatischen Belastungen abzugrenzen, Aussagen zum Auftreten thermisch und/oder orographisch induzierter Ausgleichsströmungen zu treffen und die räumliche Ausprägung und Wirksamkeit von Kalt- bzw. Frischluftströmungen abzuschätzen. Ergebnisse Temperaturfeld: Das sich um 4 Uhr in der Nacht einstellende Temperaturfeld im Untersuchungsraum umfasst zwischen Minimalwerten von 16,5 C und Maximalwerten von 20,5 C eine Spannweite von etwa 4 Kelvin (K). Die mittlere Temperatur des Untersuchungsgebietes liegt unter den angenommenen meteorologischen Rahmenbedingungen bei etwa 19 C. Istzustand Die Temperaturverteilung ist innerhalb der bebauten Gebiete räumlich differenziert, da Areale mit Wohnbauung, Verkehrsanlagen sowie Grünflächen unterschiedliche Boden- und Oberflächeneigenschaften aufweisen. Abbildung 8 zeigt das mit dem Klimamodell FITNAH simulierte Temperaturfeld in 2 m über Grund Seite 10

15 zum Zeitpunkt 4 Uhr für den derzeitigen Zustand als Basisszenario. Die höchsten Temperaturen von mehr als 20 C treten vor allem im Bereich der größeren g ewerblich genutzten Gebäudekomplexe auf. Etwas niedrigere Werte zwischen 19 C und 20 C weist die i m Untersuchungsraum weit verbreitete Block- und Blockrandbebauung auf. Dies geht mit dem überdurchschnittlich Bauvolumen und oft hoher Oberflächenversiegelung einher, da hier die nächtliche Abkühlung durch die Wärme speichernden Materialien wie Beton und Stein deutlich reduziert wird. Im Temperaturfeld treten die weitgehend gering bebauten, vegetationsgeprägten Bereiche der Mitte Altona mit vergleichsweise geringeren Temperaturen hervor, da hier eine stärkere nächtliche Wärmeausstrahlung erfolgen kann. Die überplante Fläche der Mitte Altona weist daher verbreitet oberflächennahe Lufttemperaturen zwischen 16 C und 19 C auf. Sofern die Versiegelungsanteile und der Überbauungsgrad lokal ansteigen (z.b. ehem. Güterbahnhof), geht dies mit einem höheren Temperaturniveau von bis zu 21 C einher. Die größte Abkühlung ist mit Werten von 16 C bis 18 C innerhalb der Teilfläche I nördlich des ehem. Güterbahnhofes bei einem höheren Vegetationsanteil und zu beobachten. Innerhalb der übrigen kleineren und innerhalb des bestehenden Siedlungsraumes lokalisierten Grünflächen sinkt die Temperatur nur noch selten auf weniger als 17 C bis 18 C ab. Hier wird deutlich, dass diese Flächen in eine insgesamt wärmere Umgebung eingebettet sind und daher die vergleichsweise geringen Temperaturen des Planareals Mitte Altona oder des nördlich gelegenen Friedhofs Diebsteich nicht mehr erreicht werden. Straßenraum und versiegelte Flächen weisen mit 19 C bis 20 C ein ähnliches Temperaturniveau auf wie di e umgebende Block- und Blockrandbebauung. Dies ist auch über dem schmalen südlichen Bereich der Teilfläche II südlich des Lessingtunnels zu beobachten, welcher aufgrund seiner langgestreckten Form und des höheren Versiegelungsgrad eine geringere Abkühlungsintensität als das übrige Gleisareal aufweist. Die Lufttemperatur kann aber lokal um etwa weiter 1 K absinken, wenn sich der abkühlende Effekt der aus den Kaltluft produzierenden Flächen austretenden Flurwinde innerhalb der Straßenzüge bemerkbar macht. Dies ist z.b. innerhalb von Stresemannstraße, Max-Brauer-Straße und Pohlstraße beobachten. Insgesamt gesehen ergibt sich ein Temperaturunterschied von bis zu 4 C zwischen den im Istzustand unbebauten Flächen der Mitte Altona und den bestehenden Siedlungsräumen. Planzustand Das Temperaturfeld in 2 m Höhe für den Planzustand mit der alleinigen Bebauung der Teilfläche I (im Folgenden als Variante 1 bezeichnet) ist in Abb. 9 (S. 13) dargestellt. Die räumliche Verteilung ist gegenüber dem Basisszenario deutlich verändert, da der vergleichsweise kühle Bereich nördlich der ehem. Güterhalle nun überbaut ist. So weisen die neuen Gebäudekomplexe ein recht einheitliches Temperaturniveau von 19 C bis 20 C auf, wobei in den nur teilweise versiegelt en Innenhöfen um bis zu 1 C niedrigere Werte auftr eten können. Dies ist insgesamt gesehen mit den Bestandsflächen vergleichbar. Temperaturen von mehr als 20 C, wie sie im Basisszenario im Bereich der Güter hallen auftreten, sind aufgrund der geringeren Baumasse nun nicht mehr zu beobachten. Innerhalb des Baufeldes treten die niedrigsten Lufttemperaturen von etwa 17 C über dem geplanten Grünzug in der Mit te der Teilfläche I auf. Mit Umsetzung des Gesamtumfangs der Mitte Altona (Variante 2) sinkt die Lufttemperatur in diesem Bereich noch etwas weiter auf knapp unter 17 C ab, was auf die Vergrößerung des Parkareals insgesamt zurückzuführen ist und zu einer stärkeren nächtlichen Auskühlung dieser Fläche beiträgt (Abb. 10). Darüber hinaus heben sich die in den Teilflächen II und III entstehenden Gebäude im Temperaturfeld mit Werten zwischen 19 C bis 20 C ab. Seite 11

16 Innerhalb der Teilfläche II ist für den schmalen Bereich südlich des Lessingtunnels eine langgestreckte Grünfläche vorgesehen, welche sich nun im Temperaturfeld mit vergleichsweise niedrigen 17 C bis 18 C abbildet. Mit der Bebauung aller Teilflächen ergibt sich somit gegenüber dem Istzustand eine räumliche Verschiebung der Maximum- und Minimumbereiche. Im direkten Vergleich zu den bestehenden Quartieren kann das Temperaturniveau aber als gering eingeordnet werden. In Abb. 11 (S. 14) ist die Differenz der Lufttemperatur zwischen dem Planszenario der Variante 1 und Istzustand dargestellt, wobei rote Farben eine Zunahme der Temperatur wiedergeben und blaue Farben eine Abnahme. Augenfällig sind die deutlichen Zunahmen der Werte im Bereich der geplanten Gebäude, welche lokal bis zu plus 2,9 K ( C) betragen können (rote Farben). Sie fallen im nördlichen Teil des Baufeldes I am stärksten aus, da es sich um im Istzustand noch unbebaute Fläche handelt. Dem stehen die Abnahmen der Temperatur im Bereich des geplanten Grünzuges gegenüber. Mit bis zu minus 3,0 K ( C) sind sie im Berei ch der ehemaligen Güterhalle am höchsten ausgeprägt (blaue Farben). Die Abweichungen zwischen der Variante 2 und dem Istzustand sind in Abb. 12 (S. 15) dargestellt. Da innerhalb der Teilfläche II vor allem teilversiegeltes Gleisareal überbaut wird, ist die Zunahme der Lufttemperatur im Bereich der neuen Baukörper mit weniger als 1 K ( C) geringer als in der Teilfläche I. Darüber hinaus treten die geplanten Grünflächen hervor, welche den Masterplan insgesamt prägen und großflächig eine Absenkung der Temperatur von bis zu minus 2,7 C (K) gegenüber dem Istzustand bewirken. Die Temperaturveränderung innerhalb der Teilfläche III ist aufgrund der geringen Baumasse eher punktuell, beträgt aber mit der Überbauung eines Grünareals bis zu +2,5 K ( C). Der Einfluss der Nutzungsänderungen auf die Lufttemperatur bleibt im Wesentlichen auf die Baufelder begrenzt. Lediglich entlang der Harkortstraße können sie zwischen 30 und 50 m über die Planfläche hinaus auf die Temperatursituation in die angrenzende Bebauung einwirken, wobei die Zunahme aber weniger als 1,0 K ( C) beträgt. Im Bereich der südlichen Teilfl äche II führt hingegen der Grünanteil zu einer Absenkung des Temperaturniveaus, die entlang der Scheel-Plessen-Straße bis zu minus 0,5 K ( C) beträgt. Seite 12

17 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 8 Temperaturfeld im Istzustand Legende: Lufttemperatur in 2 m über Grund (in C) 16 bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 21 Gebäude Bestand Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

18 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 9 Temperaturfeld im Planzustand Variante 1 Legende: Lufttemperatur in 2 m über Grund (in C) 16 bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 21 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 1 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

19 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 10 Temperaturfeld im Planzustand Variante 2 Legende: Lufttemperatur in 2 m über Grund (in C) 16 bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 21 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 2 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

20 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 11 Differenz der Lufttemperatur zwischen Variante 1 und Istzustand Legende: Differenz der Lufttemperatur in 2 m über Grund (in C) < bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 2.0 > 2.0 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 1 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

21 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 12 Differenz der Lufttemperatur zwischen Variante 2 und Istzustand Legende: Differenz der Lufttemperatur in 2 m über Grund (in C) < bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 2.0 > 2.0 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 2 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

22 4.1.2 Autochthones Windfeld Allgemeines Die bodennahe Temperaturverteilung bedingt horizontale Luftdruckunterschiede, die wiederum Auslöser für lokale thermische Windsysteme sind. Ausgangspunkt dieses Prozesses sind die nächtlichen Temperaturunterschiede, die sich zwischen Siedlungsräumen und vegetationsgeprägten Freiflächen bzw. dem Umland einstellen (Abb. 13). An den geneigten Flächen setzt sich außerdem abgekühlte und damit schwerere Luft in Richtung zur tiefsten Stelle des Geländes in Bewegung. So können z.b. an Hängen nächtliche Kaltluftabflüsse entstehen (u.a. MOSIMANN et al. 1999). Die Windgeschwindigkeit dieses kleinräumigen Phänomens wird in erster Linie durch das Temperaturdefizit zur umgebenden Luft bestimmt und durch eine vorhandene Neigung des Geländes > 1 verstärkt. Aufgrund des schwach ausgeprägten Reliefs sind Kaltluftabflüsse im Umfeld der Mitte Altona nicht anzutreffen. Neben den orographisch bedingten Strömungen mit Kaltluftabflüssen bilden sich auch so genannte Flur- /Strukturwinde, d.h. eine direkte Ausgleichsströmung vom hohen zum tiefen Luftdruck aus. Sie entstehen, wenn sich stark überbaute oder versiegelte Gebiete stärker erwärmen als umliegende Freiflächen, und dadurch ein thermisches Tief über den urbanen Gebieten entsteht (u.a. KIESE et al. 1992). Für die Ausprägung dieser Strömungen ist es wichtig, dass die Luft über eine gewisse Strecke beschleunigt werden kann und nicht durch vorhandene Hindernisse wie Bäume und Bauten abgebremst wird. Die Flur-/Strukturwinde sind eng begrenzte, oftmals nur schwach ausgeprägte Strömungsphänomene, die bereits durch einen schwachen überlagernden Wind überdeckt werden können. Die landnutzungstypischen Abb. 13: Prinzipskizze Flurwind Temperaturunterschiede beginnen sich schon kurz nach Sonnenuntergang herauszubilden und können die ganze Nacht über andauern. Dabei erweisen sich insbesondere Wiesen- und Ackerflächen als kaltluftproduktiv. Abhängig von den Oberflächeneigenschaften und Abkühlungsraten geht damit die rasche Entwicklung von Kaltluftströmungen einher, die zunächst vertikal nur von geringer Mächtigkeit (5-10 m Schichthöhe) sind und sich zwischen der Vielzahl der unterschiedlich temperierten Flächen ausbilden. Diese kleinskaligen Windsysteme werden, je nach lokalen Bedingungen, im Laufe der Nacht von horizontal und vertikal etwas mächtigeren Flur- und Hangwinden (mehrere Dekameter Mächtigkeit) überdeckt, die zwischen den großen Freiflachen und überbauten Arealen entstehen. Istzustand Die Abbildung 14 (S.21) zeigt die Strömungsgeschwindigkeit des modellierten Windfeldes für das Basisszenario, das sich während einer sommerlichen, austauscharmen Strahlungswetternacht eigenbürtig ausbildet. Die Rasterzellen stellen die Windgeschwindigkeit flächenhaft dar. Abgebildet sind alle Rasterzellen mit einer Windgeschwindigkeit von 0,1 m/s, was in der vorliegenden Untersuchung auf Grundlage der gebietstypischen Ausprägung als Mindestgeschwindigkeit für eine klimaökologisch wirksame Ausgleichsströmung angesehen wird. Seite 18

23 Die blaue Farbe drückt dabei die Intensität der Strömungsgeschwindigkeit der Kaltluft wieder. Auf die Darstellung der Pfeilsignatur des 10 m x 10 m Rasters für die Strömungsrichtung wird aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Abbildungen verzichtet. Stattdessen wird das Strömungsfeld mit einer aggregierten 50 m Auflösung dargestellt. Dabei werden die relevanten Bereiche der Kaltluftentstehung einerseits und des Einwirkens in die Bebauung andererseits sichtbar. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, in wieweit die geplanten Baufelder der Mitte Altona mit den Gebäudestrukturen auf den lokalen Luftaustausch einwirken werden. Der Kaltlufthaushalt im Untersuchungsgebiet wird im Wesentlichen durch den Temperaturunterschied zwischen kühlen vegetationsgeprägten und wenig versiegelten Flächen wie dem Bereich Mitte Altona und den deutlich wärmeren Siedlungsbereichen gesteuert. Die Geschwindigkeit der Kaltluftströmungen liegt in einer Größenordnung von verbreitet 0,1 m/s bis 0,3 m/s, wobei deren Dynamik räumlich variiert und in der Nordhälfte des für die Umnutzung vorgesehenen Areals in Mitte Altona am intensivsten ausgeprägt ist. Im Rahmen der Klimamodellierung sind Flurwindaustritte in die Bebauung vor allem innerhalb der Stresemannstraße sowie im Umfeld des Großmarktes im westlichen Plangebiet sowie über der die Stresemannstraße begleitende Gleisfläche in Richtung Osten anzutreffen. Darüber hinaus ist in Höhe der ehemaligen Güterhallen ein südöstlich orientierter Flurwind zu beobachten, der über die Harkortstraße hinweg bis zur Haubachstraße wirksam ist. Innerhalb des schmalen südlichen Bereiches der Teilfläche II in Höhe der Scheel-Plessen-Straße/Lessingtunnel ist ebenfalls eine Kaltluftströmung zu beobachten, die aber im Wesentlichen auf der Gleisfläche verbleibt und nur wenig auf die angrenzenden Siedlungsräume einwirkt. Aber auch von den kleineren Grünflächen wie z.b. dem Sportplatz an der Max-Brauer-Allee können noch Flurwinde ausgehen, welche dann vergleichsweise kleinräumig wirksam sind. In Abb. 14 zeichnen sich auch einzelne Straßenzüge mit überdurchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeiten ab. Sie betragen lokal bis zu 0,5 m/s und sind auf durch die Bebauung bedingte Kanalisierungen im Straßenraum zurückzuführen (Düseneffekte). Die Eindringtiefe der Kaltluft in die Siedlungsräume ist somit unterschiedlich ausgeprägt und kann lokal über 300 m hinaus gehen. Die Luftaustauschprozesse im unmittelbaren Umfeld der B-Planfläche spielen sich somit insgesamt auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau ab, wobei meist Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 m/s bis 0,2 m/s auftreten. Planzustand Das Strömungsfeld für den Planzustand in der Variante 1 zeigt Abb. 15 (S. 22), wobei es vor allem im Bereich der Teilfläche I durch die Wirkung der Gebäude als Strömungshindernis zu deutlichen Veränderungen kommt. Zudem erfolgt mit dem geplanten Parkareal gegenüber dem Ausgangszustand eine Verlagerung des Kaltluft produzierenden Bereiches. Der Kaltluftaustritt aus der Planfläche wird im Bereich der nördlichen und südlichen Harkortstraße durch die neuen Baufelder eingeengt. Im weiteren Umfeld werden die Flurwinde dagegen kaum beeinflusst. Mit Umsetzung der Variante 2 (Abb. 16, S. 23) verstärkt sich durch die ergänzende Bebauung der Teilgebiete II und III auch die Beeinflussung der nächtlichen Kaltluftströmungen. Durch die geplanten Baukörper der Teilfläche II werden die Flurwinde im zentralen und südlichen Bereich des Plangebietes Mitte Altona stark reduziert. Da sie in der unbebauten Istsituation auf der Gleisfläche verbleiben und damit nicht weiter in Siedlungsflächen eindringen, ist dies nicht von Relevanz für die bioklimatische Situation in der angrenzenden Bebauung. Die Differenzenkarten machen die angesprochene lokale Beeinflussung des Kaltluftströmungsfeldes noch besser sichtbar (Abb. 17, Abb. 18). In beiden Varianten führen die geplanten Gebäude zu einer Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit von lokal bis zu 0,24 m/s (dunkelrote Farbe). Seite 19

24 Die stärksten Werteabnahmen sind in beiden Szenarien über dem Bereich östlich der ehemaligen Güterhalle zu beobachten. In der Variante 2 dominiert über der südlichen Teilfläche II aufgrund der Hinderniswirkung der geplanten Gebäude eine flächendeckende Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit von bis zu minus 0,2 m/s (hellrote Farbe). Über die Bauflächen hinaus liegt bei vollständiger Bebauung aller Teilflächen eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Schützenstraße, der östlichen Stresemannstraße sowie Julius- Leber-Straße und Barnerstraße vor. Es ist jedoch festzuhalten, dass die Flurwinde hier gegenüber dem Ausgangszustand zwar abgeschwächt, aber nicht komplett unterbunden werden. Gleichzeitig treten lokale Zunahmen in den Bereichen auf, wo geplante Baukörper eine Kanalisierung der Strömung mit einher gehender Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bewirken (blaue Farbe). Die höchsten Zunahmen von bis zu 0,3 m/s sind an der östlichen Öffnung der zentralen Parkfläche zur Harkortstraße zu beobachten. Seite 20

25 Windgeschwindigkeit in 2 m über Grund (in m/s; 10 m Auflösung) Windvektoren (Geschwindigkeit in m/s; aggregierte 50 m Auflösung) 0.3 bis <= bis <= bis <= 0.2 <= 0.1 <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Legende: Abb. 14 Autochthones Strömungsfeld und Windgeschwindigkeit im Istzustand Fachbeitrag Stadtklima "Mitte Altona" Gebäude Bestand Teilflächen "Mitte Altona" Hannover, Oktober 2011 Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Maßstab 1 : N Meter

26 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 15 Autochthones Strömungsfeld und Windgeschwindigkeit im Planzustand Variante 1 Legende: Windgeschwindigkeit in 2 m über Grund (in m/s; 10 m Auflösung) <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Windvektoren (Geschwindigkeit in m/s; aggregierte 50 m Auflösung) <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 1 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Hannover, Oktober 2011 Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet:

27 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 16 Autochthones Strömungsfeld und Windgeschwindigkeit im Planzustand Variante 2 Legende: Windgeschwindigkeit in 2 m über Grund (in m/s; 10 m Auflösung) <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Windvektoren (Geschwindigkeit in m/s; aggregierte 50 m Auflösung) <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 2 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Hannover, Oktober 2011 Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet:

28 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 17 Differenz der Windgeschwindigkeit zwischen Variante 1 und Istzustand Legende: Differenz der Windgeschwindigkeit (in m/s) -0.3 bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 0.3 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 1 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

29 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 18 Differenz der Windgeschwindigkeit zwischen Variante 2 und Istzustand Legende: Differenz der Windgeschwindigkeit (in m/s) -0.3 bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 0.3 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 2 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

30 4.1.3 Kaltluftvolumenstrom Die Durchlüftung von Siedlungsgebieten trägt zum Abbau von humanbiometeorologischen Belastungen bei (MORISKE & TUROWSKI 2003). So kann in den Nachtstunden durch das Heranführen kühlerer Frischluft aus Freiflächen das Temperaturniveau der in der Stadt lagernden wärmeren Luftmassen gesenkt werden, was zu einem Abbau der Wärmebelastung des Menschen, insbesondere in den Sommermonaten, führt. Ist diese herangeführte, kühlere Luft mit Luftschadstoffen belastet, so kann diese nicht mehr als Frischluft sondern lediglich als Kaltluft angesprochen werden. Zur Beurteilung der Durchlüftungssituation ist folglich die geeignete Zuordnung von Belastungsräumen und Ausgleichsräumen, welche die entsprechende Kaltluft zur Verfügung stellen, sowie ein Strömungssystem, das einen Luftmassentransport garantieren kann, notwendig. Weil die potenzielle Ausgleichsleistung einer grünbestimmten Fläche aber nicht allein aus der Geschwindigkeit der Kaltluftströmung resultiert, sondern zu einem wesentlichen Teil durch ihre Mächtigkeit (d.h. durch die Höhe der Kaltluftschicht) mitbestimmt wird, muss zur Bewertung der Grünflächen eine umfassendere meteorologische Größe herangezogen werden: der sogenannte Kaltluftvolumenstrom. Dieser gibt das transportierte Volumen an Kaltluft durch eine definierte vertikale Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung an. Dabei wird das transportierte Luftvolumen über die absolute Höhe der Kaltluftschicht aufsummiert (integriert) und als Breite der Fläche wird im vorliegenden Fall die Breite einer Rasterzelle von 10 m angenommen (mit Y für die Breite der Rasterzelle). Dies kann man so veranschaulichen, indem man sich ein 10 m breites, quer zur Luftströmung hängendes Netz vorstellt, das ausgehend von der Obergrenze der Kaltluftschicht 1 bis hinab auf die Erdoberfläche reicht. Bestimmt man nun die Menge der pro Sekunde durch das Netz strömenden Luft, erhält man den rasterbasierten Kaltluftvolumenstrom. Für die Auswertung wurde der Zeitpunkt 04 Uhr abends gewählt. Die Effektivität des Luftaustauschs vor Ort kann somit bei bekanntem Windfeld wie folgt berechnet werden. Als Maßzahl hierfür wird der Kaltluftvolumenstrom Vol eingeführt: Vol = Z Y + Y 0 Y v dydz, mit: Vol: Kaltluftvolumenstrom in m³/s Z: Mächtigkeit der bodennahen Kaltluftschicht v: Strömungsgeschwindigkeit der Kaltluft in x-richtung Der Volumenstrom ist damit ein Maß für den Zustrom von Kaltluft und bestimmt somit, neben der Strömungsgeschwindigkeit, die Größenordnung des Durchlüftungspotenzials. Die Klassifizierung des Volumenstroms orientiert sich dabei am auftretenden Wertespektrum innerhalb des Untersuchungsgebietes. Die qualitative Bewertung dieser meteorologischen Größe, die sich im vorliegenden Fall auf die Breite einer Rasterzelle bezieht, zeigt Tab. 2: Bewertung Kaltluftvolumenstrom in m³/s Hoch > 500 Mittel 500 bis 250 Gering 250 bis 125 Sehr gering < 125 Tabelle 2: Qualitative Einordnung des Kaltluftvolumenstroms 1 Die Schichtgrenze wird dort angesetzt, wo die horizontale Fließgeschwindigkeit geringer als 0,1 m s-1 wird Seite 26

31 Als Schwellenwert für einen klimaökologisch wirksamen Kaltluftstrom wird, unter Berücksichtigung der gebietstypischen Ausprägung, ein Wert von mehr als 125 m³/s bezogen auf die Breite einer 10 m Rasterzelle angenommen. Istzustand Die räumliche Ausprägung des Kaltluftvolumenstroms im Untersuchungsraum geht im Wesentlichen mit der des bodennahen Strömungsfeldes einher. Abbildung 19 (S. 28) zeigt den Kaltluftstrom für das Basisszenario in einer qualitativen Abstufung. Analog zur Strömungsgeschwindigkeit treten die höchsten Werte vor allem im Bereich der Harkortstraße, Stresemannstraße sowie über dem Gleisareal in Höhe der Julius-Leber-Straße auf. Dagegen dominiert in weiten Teilen des übrigen Wettbewerbsareals Mitte Altona ein geringer Volumenstrom. Innerhalb von Straßenschluchten können die Werte durch eine Strömungskanalisierung auch kleinräumig auf eine mittlere bis hohe Stufe ansteigen. In den unterdurchschnittlich durchlüfteten Siedlungsflächen liegt dagegen ein sehr geringer Kaltluftvolumenstrom vor. Die Eindringtiefe des von Kaltluft produzierenden Flächen ausgehenden Volumenstroms entspricht in etwa der des Kaltluftströmungsfeldes. Planzustand Die Situation im Planzustand der Varianten 1 und 2 ist in den Abb. 20 (S. 29) und Abb. 21 (S. 30) dargestellt. Die Bebauung der Teilfläche I im ersten Realisierungsschritt bewirkt vor allem in Höhe der Harkortstraße eine Kanalisierung des austretenden Kaltluftvolumens an der östlichen Öffnung der zentralen Parkfläche. Hier ist zudem auch ein hoher Kaltluftvolumenstrom anzutreffen. Im westlichen Plangebiet entspricht die räumliche Ausprägung des Kaltluftvolumenstroms im Wesentlichen dem Ausgangszustand. Der komplette Bebauungsumfang aller Teilflächen in der Variante 2 führt aber auch hier zu entsprechenden Veränderungen, die durch die geplanten Baukörper als Strömungshindernisse ausgelöst werden (Abb. 21). Im Bestand selbst sind hingegen nur sehr kleinräumige, lokale Ab- und Zunahmen des Kaltluftvolumenstroms zu verzeichnen. Die Beeinflussung des Parameters Volumenstrom zeigt Abb. 22 als Differenzenkarte für die Planungsvariante 1. Es wird deutlich, dass die stärkste Abschwächung mit mehr als 150 m³/s (pro Rasterzelle) im Bereich der geplanten Baustrukturen auftritt und sich auf der vom Wind abgewandten Seite (Lee) weiter fortsetzt (rote Farben). Die Abnahme des Kaltluftvolumenstroms setzt sich über die Harkortstraße fort und erstreckt sich etwa bis zur Haubachstraße. Östlich der Haubachstraße sind keine weiteren Abnahmen zu beobachten. Zunahmen des Volumenstroms von mehr als 150 m³/s sind vor allem in den Teilbereichen der geplanten Parkfläche anzutreffen, die im Ausgangszustand von der ehemaligen Güterhalle bzw. von Nebengebäuden bestanden sind (blaue Farben). Analog zu den in Kap beschriebenen Effekten wirkt sich das Bebauungsszenario der Variante 2 auch im westlichen Teil der Mitte Altona deutlich auf den Kaltluftvolumenstrom aus. Mit der Überbauung weiterer Gleisfläche wird der in der Istsituation vorhandene Volumenstrom vor allem im schmalen, südlichen Bereich der Teilfläche II herabgesetzt. Eine leichte Abnahme ist östlich davon auch noch in der Julius-Leber-Straße und in der Immermannstraße zu beobachten. Für die Reduktion im Bereich der Kohlentwiete (nördlich der Teilfläche III) ist jedoch nicht die Teilfläche III verantwortlich. Vielmehr führen hier die parallel geplanten Gebäude, welche gegenüber der Teilfläche III entstehen sollen, zu den Abnahmen. Abgesehen von den zu überbauenden Teilflächen selbst und deren unmittelbarem Nahbereich werden bewohnte Areale im Bestand nur unwesentlich von den Abnahmen des Kaltluftvolumenstroms betroffen. Eine weiter reichende regionale Relevanz bei der Abnahme des Volumenstroms ist nicht erkennbar. Seite 27

32 Abb. 19 Kaltluftvolumenstrom und autochthones Strömungsfeld im Istzustand Kaltluftvolumenstrom Legende: Windvektoren (Geschwindigkeit in m/s; aggregierte 50 m Auflösung) Sehr gering Gering Mittel Hoch Fachbeitrag Stadtklima "Mitte Altona" Gebäude Bestand Teilflächen "Mitte Altona" Hannover, Oktober 2011 Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Maßstab 1 : N Meter <= bis <= bis <= bis <= 0.5

33 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 20 Kaltluftvolumenstrom und autochthones Strömungsfeld im Planzustand Variante 1 Legende: Kaltluftvolumenstrom Hoch Mittel Gering Sehr gering Windvektoren (Geschwindigkeit in m/s; aggregierte 50 m Auflösung) <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 1 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Hannover, Oktober 2011 Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet:

34 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 21 Kaltluftvolumenstrom und autochthones Strömungsfeld im Planzustand Variante 2 Legende: Kaltluftvolumenstrom Hoch Mittel Gering Sehr gering Windvektoren (Geschwindigkeit in m/s; aggregierte 50 m Auflösung) <= bis <= bis <= bis <= 0.5 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 2 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Hannover, Oktober 2011 Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet:

35 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 22 Differenz des Kaltluftvolumenstroms zwischen Variante 1 und Istzustand Legende: Differenz Kaltluftvolumenstrom (in m³/s) < bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 150 > 150 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 1 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

36 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 23 Differenz des Kaltluftvolumenstroms zwischen Variante 2 und Istzustand Legende: Differenz Kaltluftvolumenstrom (in m³/s) < bis <= bis <= bis <= bis <= bis <= 150 > 150 Gebäude Bestand Gebäude Planzustand - Variante 2 Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011

37 4.1.4 Bioklimatische Situation Grundlage für die Beurteilung der bioklimatischen Belastung ist der Bewertungsindex PMV (Predicted Mean Vote; vgl. FANGER 1972) als dimensionsloses Maß für die nächtliche Wärmebelastung. Dieser basiert auf der Wärmebilanzgleichung des menschlichen Körpers und gibt den Grad der Unbehaglichkeit bzw. Behaglichkeit als mittlere subjektive Beurteilung einer größeren Anzahl von Menschen in Wertestufen wieder. Dabei handelt es sich um die Werteausprägung, wie sie sich in der zweiten Nachthälfte um 4 Uhr einstellt. Um die Abweichungen von den mittleren Verhältnissen im Untersuchungsraum zu charakterisieren, wurde eine Z-Transformation des PMV-Ergebnisrasters der Klimamodellierung durchgeführt. Die bioklimatischen Belastungsklassen entsprechen den insgesamt vier Kategorien gem. VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1 (vgl. Tabelle 3). Bioklimatische Belastungsstufe Wert Z-Transformation 4 ungünstig > 1 (obere S 1-Schranke) 3 weniger günstig 0 bis 1 2 günstig -1 bis 0 1 sehr günstig <-1 (untere S 1-Schranke) Tabelle 3: Klassifizierung der bioklimatischen Situation Istzustand Die bioklimatische Situation wird vor allem über die Parameter Strömungsgeschwindigkeit der Kaltluft, Lufttemperatur und relative Feuchte gesteuert. Bei der Belastungsklasse 4 "ungünstig" liegt eine überdurchschnittliche Wärmebelastung mit einem Z-Wert von mehr als 1 vor. Diese ist vor allem im Bereich der gewerblich genutzten Bebauung, der Zentrumsbebauung entlang der Großen Bergstraße sowie kleinräumig auch innerhalb der dichteren Wohnbebauung anzutreffen (Abb. 24). Dies ist auf den geringen Luftaustausch und die Abgabe der tagsüber gespeicherten Wärme der Baumassen zurückzuführen. Eine gewisse bioklimatische Belastung ist auch noch bei der Klasse 3 weniger günstig gegeben, welche innerhalb unterdurchschnittlich durchlüfteter Areale auftritt. Dies ist häufig dort der Fall, wo eine größere Baustruktur eine Abschattung der Kaltluftströmung verursacht. Verbreitet günstigere Bedingungen liegen über den im Istzustand weitestgehend unbebauten Gleisflächen vor, da die Wärmebelastung durch den Vegetationsanteil und der guten Durchlüftung insgesamt geringer ist. Günstige Bedingungen weisen außerdem auch die meisten Grünflächen auf. Die geringste Wärmebelastung ( sehr günstig ) tritt flächenhaft vor allem über der gut durchlüfteten Teilfläche I auf. Lokal wird das Auftreten sehr günstiger Bedingungen auch durch Kanalisierungseffekte der Baustrukturen und einer damit einher gehenden Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von Flurwinden begünstigt (z.b. in der Stresemannstraße). Somit zeigen die Siedlungsflächen innerhalb des Untersuchungsraumes ein heterogenes Bild. Die für eine Bebauung vorgesehene Planfläche der Mitte Altona weist daher im Istzustand, abgesehen von der ehem. Güterhalle, vorwiegend günstige Bedingungen auf. Seite 33

38 Planzustand Im Planzustand zeigt sich der Einfluss der geplanten Baukörper auf die bioklimatische Situation (Abb. 25 & Abb. 26). In der Variante 1 liegen im nördlichen Bereich der Teilfläche I verbreitet günstige Bedingungen vor, was auf die großzügig gestaltete Blockstruktur der geplanten Bebauung und deren gute Durchlüftung zurückzuführen ist. Während der zentrale Park sogar sehr günstige Bedingungen aufweist, liegt südlich davon im Bereich der Güterhalle mit weniger günstigen und lokal auch ungünstigen Bedingungen eine kleinräumig ausgeprägte bioklimatische Belastung vor, welche durch die Baumassen hervorgerufen wird (dargestellt in Magenta). In der Variante 2 (Abb. 26) trägt die Entsiegelung durch den geplanten Grünzug innerhalb der Teilfläche II zu einer Verbesserung der bioklimatischen Situation bei. Zum Einen in der beschriebenen Bebauung im Umfeld der Güterhalle, zum Anderen entlang des schmalen Abschnitts der Teilfläche II südlich des Lessingtunnels. Lediglich in Höhe der Barnerstraße bewirken die geplanten Bauwerke eine herabgesetzte Durchlüftung über der Gleisfläche, so dass hier kleinräumiger wenig günstige Bedingungen vorliegen. Die Bereiche mit den höchsten Abnahmen von Windgeschwindigkeit und Kaltluftvolumenstrom sind aber räumlich auf die Planfläche selbst bzw. unbewohnte Areale begrenzt und beeinflussen die bioklimatische Situation im Bestand daher kaum. Seite 34

39 "Mitte Altona" Fachbeitrag Stadtklima Abb. 24 Bioklimatische Situation im Istzustand zum Zeitpunkt 4 Uhr Legende: Bioklimatische Situation während einer austauscharmen Strahlungswetterlage (Grundlage: nächtlicher PMV-Wert) Sehr günstig Günstig Weniger günstig Ungünstig Gebäude Bestand Teilflächen "Mitte Altona" Maßstab 1 : Meter N Auftragnehmer: Große Pfahlstraße 5 a Hannover Tel. (0511) Fax (0511) info@geo-net.de Internet: Hannover, Oktober 2011