Klimawandelgerechte Metropole Köln

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1 Klimawandelgerechte Metropole Köln Strategien zur Anpassung an den Klimawandel (KÖLN_21) Dr. D. Ptak, Dr. B. Köllner, J. Friesel, B. Mehlig, A. Speicher, E. Sträter, Dr. W. Straub Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW G. Halbig, T. Kesseler-Lauterkorn, Ch. Koch Deutscher Wetterdienst Spiegel, 1986

2 (Heineberg 2006)

3 Stadtklimatologie Beschreibt die klimatischen und lufthygienischen Eigenschaften urbaner Siedlungsräumen Die Städte unterscheiden sich vom Freiland durch: Dichte Bebauung und meist großflächige Versiegelung überwiegend künstliche Oberflächenmaterialien Reduzierung der mit Vegetation bestandener Flächen Höhere Kraftfahrzeugsdichte hohe Vielzahl an Emittenten Veränderte Strahlungs- und Wärmeflussdichten

4 Kuttler, 2004

5 Wärmeinselintensität in Abh. von Einwohnerzahl Kuttler, 2010

6 Stadt und Klimawandel - Problemfelder Städtische Wärmeinsel hohe Bebauungsdichte und hoher Versiegelungsgrad hoher Energieverbrauch und starke Wärmeproduktion häufigere und länger andauernde Hitzeperioden Städtischer Niederschlag hoher Versiegelungsgrad wenig Versickerungsfläche wenige Retentionsbecken Überlastung des Kanalnetzes häufigere Starkregenereignisse

7 NRW: Ballungszentren und große Städte Einwohnerdichte NRW: 529 EW pro km² (Deutschland 231 EW pro km²) 29 Städte in NRW haben mehr als Einwohner in den 10 größten Städte in NRW wohnen 1/3 der Einwohner Nordrhein-Westfalens die größte Stadt in NRW Köln ca. 1 Mio. Einwohner, 2469 EW pro km²

8 Köln_21 Beteiligte Institutionen: DWD, LANUV, Stadt Köln Finanziell unterstützt vom Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW Ziel: Abschätzung von Art und Umfang stadtklimatischer Veränderungen in Köln - Identifikation möglicher Gesundheitsgefährdungen durch verstärkte Hitzebelastung oder Starkniederschläge - Ableitung möglicher Konsequenzen für die Stadtplanung

9 Teilprojekt 1 Wärme-/Hitzebelastung Arbeitspakete: 1. Historische Daten der Stadt Köln 2. Messnetz (DWD/LANUV) 3. Temperaturmessfahrten, sonst. Messungen 4. MUKLIMO_3 5. Wärmebelastung Gefühlte Temperatur 6. Identifizierung von Problembereichen 7. MUKLIMO_3 Berechnung von Planungsvorhaben 8. Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen

10 Messnetz DWD/LANUV DWD: Wind, Temperatur, Feuchte, Niederschlag, Strahlung 2 Stationen des DWD-Messnetzes 10 zusätzliche Stationen in Betrieb 1 Station auf einem begrünten Dach ab Mai 2011 LANUV: 4 Stationen des Luftqualitätsmessnetzes wurden aufgerüstet

11 Innenstadt City/ dichte Bebauungsstruktur City/ Gleisanlage Grünfläche/ lockere Bebauungsstruktur Verkehrsfläche

12 Wohngebiete Nippes / dichte Blockbebauung Longerich / lockere Zeilenbebauung

13 Freiflächen im Umland

14 Profilfahrten im Stadtgebiet austauscharme Hochdruckwetterlage festgelegte Messrouten Fahrtgeschwindigkeit ca. 30 km h -1 zu verschiedenen Jahres- und Tageszeiten: Sommer Winter vor dem Sonnenaufgang nach dem Sonnenuntergang Thermalbildaufnahme der Stadt Köln

15 MUKLIMO_3 3-dimensionales mikroskaliges urbanes Klimamodell des DWD Auflösung 100 Meter Input: Meteorologische Größen Höhe ü. NN Gebäudedaten Landnutzung Projektionsdaten (Szenario A1B) Output: Veränderungen der Anzahl der Kenntage (z. B. heiße Tage, Sommertage) Auswirkungen der Landnutzungsklassen auf den Anzahl der Kenntage

16 Teilprojekt 2 Starkniederschläge Arbeitspakete: 1. Historische Ereignisse 2. Niederschlagsklimatologie 3. Extremwertstatistik 4. Kanalnetzmodellierung 5. Identifizierung von Problembereichen 6. Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen

17 Historische Ereignisse STEB/DWD/LANUV STEB: 23 Niederschlagsmesser DWD: 12 Stationen LANUV: 2 Stationen

18 Erste Ergebnisse Wochengang der Lufttemperatur in Köln (KW 27) 38 Lufttemperatur [ C] City/Gleisanlage City/dichte Bebauungsstruktur Wohngebiet Freifläche NW Freifläche E Mo Di Mi Do Fr Sa So Datum

19 Erste Ergebnisse: Sommer 2010 (JJA) Mittlere Lufttemperatur und Niederschlagssumme waren gegenüber der klimatologischen Referenz (Köln/Bonn Flughafen, Zeitraum ) bis zu 2,8 K und bis zu 58 % höher Sommertage und heiße Tage fallen gegenüber der klimatologischen Referenz deutlich höher aus Zunahme der Tropennächte, insbesondere in der dicht bebauten Innenstadt Köln Innenstadt 2010 Köln Wohngebiet 2010 Köln Umland 2010 Flughafen Köln/Bonn 2010 Flughafen Köln/Bonn Lufttemperatur in C 20,3 19,6 18,5 18,8 17,5 Niederschlagssumme in mm Sommertage (T max 25 C) Heiße Tage (T max 30 C) ,6 Tropennächte (T min 20 C) ,3

20 Erste Ergebnisse: Winter 2010/2011 (DJF) Mittlere Lufttemperatur war gegenüber der klimatologischen Referenz bis zu 1,2 K niedriger Niederschlagssumme war bis zu 45 % höher Frost- und Eistage fallen an allen Standorten deutlich höher aus Abnahme der Frost- und Eistage vom Umland zum Innenstadtbereich Köln Innenstadt 2010/11 Köln Wohngebiet 2010/11 Köln Umland 2010/11 Flughafen Köln/Bonn 2010/11 Flughafen Köln/Bonn Lufttemperatur in C 2,6 2,3 1,8 1,7 2,9 Niederschlagssumme in mm Frosttage (T min < 0 C) ,3 Eistage (T max < 0 C) ,3

21 Sommer 2010 Winter 2011

22 Erste Ergebnisse: Niederschlagsverteilung am Signifikante Unterschiede zwischen den Stationen Höchste Niederschlagssumme in der Innenstadt Niederschlagssumme (mm) Niedrige Werte im 0 12:30 Umland :00 13:30 14:00 14:30 Uhrzeit (MEZ) 15:00 Köln-Innenstadt Köln-Wohngebiet Köln-Umland K/BN Flughafen 15:30 16:00 16:30 R1 R3

23 Weitere Vorgehen Köln_21 Ermittlung räumlicher Muster des Starkniederschlags im Stadtgebiet Analyse des Auftretens von Starkniederschläge und deren Veränderungen mittels Extremwertstatistik Identifizierung der Bereiche, in denen das Kanalnetz die zukünftig erwarteten Regenmengen nicht aufnehmen kann und daher mit Überschwemmungen zu rechnen ist MUKLIMO_3 - Ermittlung allg. Trends und Kenntage, Aussage über die zu erwartende thermische Belastung in Köln Benennung klimasensitiver Problembereiche in Köln Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen

24 Begrünung - Bedeutung Verbesserung der Luftqualität - Filterung der gasförmiger Verunreinigungen und des Staubs aus der Luft Abkühlungseffekte durch Verdunstung und Schattenwurf Reduktion der Überhitzung Senken der Oberflächen- und Lufttemperatur Geringe thermische Belastung Städtische Kalt- und Frischluftentstehungsgebiete

25 Anpassungsmaßnahmen - Beispiele Parkanlagen, Grünflächen, Freiflächen erhalten und schaffen Fassaden- und Dachbegrünung Begrünung von Straßenzügen Begrünung von Straßenbahngleisen Vermehrte Bewässerung urbaner Vegetation Bepflanzung urbaner Räume mit geeigneten Pflanzenarten (z. B. trockenresistente Arten) Vermehrter Einsatz von bodenbedeckender Vegetation

26 Fassaden- und Dachbegrünung Minderung der Temperaturextreme Vermindern das Aufheizen der Dachfläche und der Hauswand im Sommer und den Wärmeverlust im Winter begrünte Dächer: Niederschlag wird aufgefangen in der Vegetationsschicht und durch die Verdunstung an die Stadtluft abgegeben

27 Park Cool Island (PCI) Kuttler, 2010

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

29

30 Historische Daten Köln Messnetz ( ) Köln - Messnetz ( ) 13 Worringen K Merkenich K Eifelwall K Godorf K Muengersdorf K Ossendorf K Riehl K Buchheim K Heumar K Zuendorf K Neumarkt K Funkturm K Köln-Bonn Flughafen Köln BG Temperatur in C 12, , ,5 10 9,5 9 8,5 8 7, Jahr

31 Niederschlagsklimatologie Datengrundlage: Niederschlagsdaten DWD, LANUV, STEB RADOLAN: Radargestützte Analysen stündlicher Niederschlagshöhe, liefert flächendeckende, räumlich und zeitlich hoch aufgelöste quantitative Niederschlagsdaten aus online angeeichten Radarmessungen Extremwertstatistik Analyse des zukünftigen Auftretens von Starkniederschlägen und deren Veränderungen Kanalnetzmodellierung Überflutungsrisikobetrachtung: Identifikation überflutungsgefährdeter Bereiche mittels neuer N-A-Modelle sowie Gefahrenspotenzialanalyse und Risikobewertung

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33 Erste Ergebnisse: Sommer 2010 (JJA) Mittlere Lufttemperatur und Niederschlagssumme waren gegenüber der klimatologischen Referenz bis zu 2,8 K und bis zu 58 % höher (Thermopluviogramm) RR in % Innenstadt Umland Köln-Bonn Wohngebiet T in C

34 Erste Ergebnisse: Winter 2010/11 (DJF) Mittlere Lufttemperatur war gegenüber der klimatologischen Referenz bis zu 1,2 K niedriger Niederschlagssumme war bis zu 45 % höher (Thermopluviogramm) 160 RR in % Umland 140 Wohngebiet Köln-Bonn 120 Innenstadt 100-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 80 T in C 60

35 Profilfahrten Sommer 2010

36 Ursachen des Stadtklimas Makroskalige Ursachen: die Breitenlage bzw. Klimazone die Oberflächenform und deren Beschaffenheit (Relief- und Topographieverhältnisse) die Entfernung zu großen Wasserkörpern Mikro-/Mesoskalige Ursachen: Stadtgröße / Einwohnerzahl Art und Anteile der urbanen und ruralen Flächennutzungen Höhe des Versiegelungsgrades des Bodens Intensität der dreidimensionalen Strukturierung des Stadtkörpers Emissionsstärke gasförmiger, fester und flüssiger Luftbeimengungen sowie fühlbarer und latenter Abwärme aus technischen Prozessen

37 (Heineberg, 2006)

38 Faktoren der städtischen Energiebilanz, die zu einer positiven Wärmeanomalie führen 1. Erhöhte Absorption kurzwelliger Strahlung 2. Erhöhte langwellige Gegenstrahlung 3. Verringerte langwellige Ausstrahlung 4. Anthropogene Wärmequellen 5. Erhöhte Speicherung sensibler Wärme 6. Verminderte Evapotranspiration 7. Verminderter turbulenter Gesamtwärmetransport Entsprechende Einflussgrößen mit ihren Auswirkungen auf die städtische Energiebilanz Luftverunreinigungen, Dunstglocke, Straßenschluchtgeometrie Erhöhung der Oberflächen- und Mehrfachreflexionen Luftverunreinigungen - größere Absorption und Reemission Straßenschluchtgeometrie Herabsetzung des Himmelsichtfaktors Siedlungs- und verkehrsbedingte Abwärme; Industrie Baumaterialien große Oberfläche hohe Wärmeübergangszahlen und kapazitäten Baumaterialien erhöhte Oberflächenversiegelung Dreidimensionaler Stadtaufbau Herabsetzung der Windgeschwindigkeit Wahrscheinliche Ursachen für die Ausbildung von Wärmeinseln in der Stadthindernisschicht (Quelle: Oke 1982, 1990; verändert)

39 Abkühlungspotenzial einer Parkanlage Kühlungseffekte ab einer Parkgröße von 2,5 ha Die Reichweite der kühlenden Wirkung entspricht etwa dem Durchmesser des Parks. Absenkung der nächtlichen Lufttemperaturen um mind. 0,5 K Bongardt, 2006

40 Meteorologische Größen/ Wärmehaushaltskomponenten Sommer, mittags Grün (feucht) Kies (trocken) Lufttemperatur T L Dampfdruck Windgeschwindigkeit Globalstrahlung GS C hpa m s -1 W m , , Kurzwelliger Reflexionskoeffizient α k 0,15 0,38 Kurzwellige Strahlungsbilanz = (1 - α k ) GS Langwellige Strahlungsbilanz = A - G (bei ε = 1) Fühlbarer Wärmestrom Q H Latenter Wärmestrom Q E Verdunstung Bodenwärmestrom Q B W m -2 W m -2 W m -2 W m -2 mm h -1 W m , Bodenoberflächentemp. T 0 T = T 0 - T L C K Komponenten der Energiebilanz eines begrünten Daches im Vergleich zu einem nicht begrünten Dach (Quelle: Höschele/Schmidt 1974, verändert)

41 Oberfläche Bausubstanz/ Untergrund Strahlung Umwandlung von 2d in 3d Vergrößerung der wahren Oberfläche Stark versiegelt keine Bestandsbeschattung höhere Dichte künstliche (Bau-) materialien höhere Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität ( Speicherfähigkeit ) veränderter Wasserhaushalt (Verdunstungseinschränkung, Abflusserhöhung, Grundwasserbildung +/-) klimatologische Umsatzflächen am Untergrund, nicht an Bestandsoberfläche Verlust an Kaltluftbildungsflächen Verlust von Frischluftregulationsflächen Beeinträchtigung aller Strahlungsbilanzglieder Einfluss durch Straßenschluchtgeometrie höhere Strahlungstemperaturen Klimatologische Auswirkungen bei der Umwandlung von natürlichem Untergrund (mit Rasen bedeckt) in künstlichen Untergrund (versiegelt, bebaut) 1/2

42 Wärme Luftfeuchtigkeit Wind Luftverunreinigung Anthropogener Stressfaktor (Humanbiometeorologie) fühlbarer Wärmestrom höher als latenter Wärmestrom (höhere Lufttemperatur) zusätzliche anthropogene Wärme (Metabolismus, Gewerbe, Hausbrand, Kfz) geringere, reduzierte pflanzliche Transpiration und Interzeptionsverdunstung Abnahme der Windgeschwindigkeit Zunahme der Böigkeit reduzierter Austausch Kanalisierungseffekte Quellen: Kfz, Gewerbe, Hausbrand (fest, flüssig, gasförmig) fehlende Filterfunktion durch Vegetation erhöht wg. Anstiegs der Wärmebelastung, Verschlechterung der Luftqualität, mehr Lärm Klimatologische Auswirkungen bei der Umwandlung von natürlichem Untergrund (mit Rasen bedeckt) in künstlichen Untergrund (versiegelt, bebaut) 2/2