TP8: Freiflächen für das (lokale) Klima

Transkript

1 TP8: Freiflächen für das (lokale) Klima

2 Gliederung des Vortrags Einleitung Multifunktionale Nutzung von Freiflächen: Urbane Biomasse Klimafunktionen von Freiflächen in Städten Untersuchungsprogramm in Bottrop-Eigen Messungen Modellierungsszenarien ENVI-met Ergebnisse Oberflächenenergiebilanz Mikroklima der Freiflächen Modellierung von Biomassestrategien Bewertung Mikroklimatische Zielkonflikte KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 2

3 Zielsetzung und Motivation Ziel: Nachhaltiges Landmanagement urbaner (Kultur-)landschaften im ELP Konzept: Nachhaltiges urbanes Landmanagement unter Berücksichtigung verschiedener Biomassestrategien (auf unterschiedlichen Maßstabsebenen) Multifunktionelle Landnutzung Energie aus urbaner Biomasse Idee: Urbane Biomassestrategien Pflege und Anbau Pflege von Freiflächen Urbane Biomasse Anbau Abb. Teilprojekt 1.1, Sandra Sieber, TU Darmstadt KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 3

4 Urbane Biomasse Fragestellung Stadtklimatische bzw. mikroklimatische Zielkonflikte bei multifunktionaler Nutzung städtischer Freiflächen? Pflege von Freiflächen Urbane Biomasse Anbau Abb. Teilprojekt 1.1, Sandra Sieber, TU Darmstadt Übersicht zu Masse- und Energieerträgen aus urbaner Biomasse in TP1.1 KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 4

5 Stadtklima: Phänomene Stadtklima: anthropogene Modifikation des Klimas im Vergleich zum nichtbebauten Umland Phänomene: Überwärmung (Hitzestress), Wärmespeicherung (urban heat island), beeinträchtigte Luftqualität Lufttemperaturunterschied im Jahresverlauf (Stadt-Umland) Pfoser et al, 2014 KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 5 Human-Biometeorologie Sonnenstrahlung (Strahlungstemperatur), Luftfeuchtigkeit, Wind Kuttler, 2013

6 Stadtklima: Klimatische Eigenschaften von Freiflächen Freiflächen (Sportplätze, Kleingärten, Stadtparks, Acker- und Brachflächen) sind kühlere Bereiche innerhalb von Städten (abends und morgens) zeigen unterschiedliche Abkühlungsbeträge Quelle: Stadt Osnabrück, Thermalbefliegung im August 1997 KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 6

7 Stadtklima: Freiflächen in Bottrop Stadtgebiet Bottrop Untersuchungsraum InnovationCity Ruhr Datenbasis: Flächennutzungskartierung RVR KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 7

8 Mikroklimatische Eigenschaften urbaner Freiflächen Freiflächen wichtige Klimafunktionen (Zusammenstellung nach u.a. Spronken-Smith und Oke, 1998, Bongardt, 2006, Kordowski und Kuttler, 2010, Bowler et al, 2010, Doick et al, 2014., Kong et al., 2014) kühlende Oberfläche (insbesondere nächtliche Abkühlung) geringere Erwärmungsraten während des Tages (Verdunstungskühlung) effektive Verdunstung (bei ausreichender Wasserverfügbarkeit!) Potential zur CO 2 -Aufnahme bzw. -Bindung Belüftungsfunktion für Stadtquartiere und angrenzende Bereiche Fernwirkung von Freiflächen KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 8

9 Mikroklimatische Eigenschaften urbaner Freiflächen Positiver Mikroklimaeffekt nur bei ausreichender Wasserversorgung Oberflächenstrahlungstemperaturen einer unbewässerten Rasenfläche (a), einer unbewässerten, teilweise verschatteten Rasenfläche (b) und einer bewässerten, verschatteten Rasenfläche (c) KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 9 Hasse et al, 2013

10 Mikroklimatische Eigenschaften urbaner Freiflächen Freiflächen wichtige Klimafunktionen (Zusammenstellung nach u.a. Spronken-Smith und Oke, 1998, Bongardt, 2006, Kordowski und Kuttler, 2010, Bowler et al, 2010, Doick et al, 2014., Kong et al., 2014) kühlende Oberfläche (insbesondere nächtliche Abkühlung) geringere Erwärmungsraten während des Tages (Verdunstungskühlung) höhere Verdunstungsraten (bei ausreichender Wasserverfügbarkeit!) Potential zur CO 2 -Aufnahme bzw. -Bindung Belüftungsfunktion für Stadtquartiere und angrenzende Bereiche Fernwirkung von Freiflächen Freiflächen als lokale Anpassung an Klimawandel Zielkonflikte bei urbaner Biomassenutzung KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 10

11 Stadtklima und Klimawandel Klimaprojektionen für NRW (Kropp et al, 2009) Erhöhung Jahresmitteltemperatur 1,9 C (in Sommermonaten bis zu 3 C) Zunahme Winterniederschläge % Abnahme Sommerniederschläge 20 % Zunahme von Extremwetterlagen Auswertung auf Basis des Testreferenzjahres (TRY) des DWD (Klimaregion 5 Essen) Szenario Sommertag T max 25 C Heißer Tag T max 30 C Tropische Nacht T min 20 C TRY TRY TRY 2035 ext KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 11

12 Untersuchungskonzept Untersuchungsraum: Bottrop, InnovationCity-Gebiet, BOT-Eigen Messungen Energiebilanz Therm. Mikroklima Mikroklimamodell Biomassestrategien Bewertung Mikroklimatische Zielkonflikte Messzeitraum 03/ /2013 Energiebilanz der Oberfläche: 2 Eddy- Kovarianz-Stationen (Rural, Siedlung) Mikroklima (Lufttemperatur, - feuchtligkeit) an 5 Standorten KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 12

13 Untersuchungskonzept: Messungen auf Freiflächen EIGM SYDO TRAP SIED SCHA Station Kürzel Freiflächentyp Eigen Markt Sydowstraße Trappenstraße Buchenstraße Scharnhölz -straße EC Stadt EC Umland EIGM SYDO TRAP BUCH Versiegelte innerstädtische Fläche Teilbegrünter Siedlungsbereich Begrünter Siedlungsbereich Versiegelter Siedlungsbereich KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 13 Versiegelungs grad50 m Radius 0,93 0,46 0,51 0,85 SCHA Begrünter Innenhof 0,44 SIED RURA Begrünte Freifläche Stadtrandbereich Begrünte Freifläche außerhalb Stadtbereichs 0,20 0,02 0,01 RURA BUCH

14 Klimafunktionen Energiebilanz der Oberfläche Höhere sensible (+2 %), geringere latente Wärmeflüsse an SIED (-12 %) Höherer Bodenwassergehalt an RURA fördert Verdunstungskühlung RURA SIED Q E latenter Wärmefluss Q H sensibler Wärmefluss Q G - Bodenwärmefluss Mittlere Tagesgänge Energiebilanzkomponenten während des Messzeitraums KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 14

15 Klimafunktionen Energiebilanz der Oberfläche Höherer Bodenwassergehalt an RURA fördert Verdunstungskühlung, v.a. während der Mittagsstunden im Frühjahr und Sommer Stärkere Wärmeabgabe bei trockenem Boden (vgl. Wiesner et al, 2014) Mittlere Tagesgänge der Energiebilanzterme an SIED und RURA für einzelne Jahreszeiten KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 15 Frühling (MAM), Sommer (JJA), Herbst (SON), Winter (DJF).

16 Klimafunktionen CO 2 -Austauschflüsse An beiden Standorten wird CO 2 gebunden. Höhere Aufnahme: RURA Bilanz: - 1 gc m -2 d -1 (RURA) Bilanz: - 0,5 gc m -2 d -1 (SIED) Mittlere Tagesgänge des CO 2 -Austausches in den Sommermonaten JJA KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 16

17 Klimafunktionen CO 2 -Austauschflüsse Die Aufnahmekapazität ist abhängig vom Bodenwassergehalt 1,3 gc m -2 d -1 trocken bzw. -1,7 gc m -2 d -1 feucht Mittlere Tagesgänge des CO 2 - Austausches in den Sommermonaten JJA für trockene und feuchte Bodenverhältnisse KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 17

18 Klimafunktionen Temperaturvariabilität Freiflächen Nacht: Herausbildung von 3 Temperaturclustern Höchste Lufttemperatur über Flächen mit höchstem Versiegelungsgrad Versiegelte Oberfläche EIGM 93 % BUCH 85 % TRAP 51 % SYDO 46 % SCHA 44 % SIED 2 % RURA 0.1% Mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur während des Messzeitraums KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 18

19 Untersuchungskonzept: Mikroklimamodell ENVI-met Prognostisches urbanes 3D-Mikroklimamodell (Bruse, 1999) Horizontale Auflösung von 2 m bei 300 x 300 m Untersuchungsfläche Berechnung für typischen sommerlichen Strahlungstag ( ) mit gemessenen Daten angetrieben (Forcing) 3 Freiflächen status-quo 3 Szenarien Modellergebnis für Bewertung KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 19

20 Urbane Biomassestrategien Simulationsszenarien Bottrop, Sydowstraße Szenario holzige Biomasse (Anbau) KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 20 Abb. Teilprojekt 1.1, Sandra Sieber, TU Darmstadt

21 Urbane Biomassestrategien Simulationsszenarien Szenario krautige Biomasse (Anbau) Bottrop, Sydowstraße Szenario holzige Biomasse (Pflege) KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 21 Abb. Teilprojekt 1.1, Sandra Sieber, TU Darmstadt

22 Biomassestrategien Simulationsszenarien Status Quo (QUO) Krautige Biomasse - Anbau (KBA) Holzige Biom. - Anbau (HBA) Holzige Biomasse - Pflege (HBP) SYDO KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 22

23 Modellierung ENVI-met: Beispiel Lufttemperatur Differenzendarstellung Lufttemperatur für Biomasseszenario HBP Erniedrigung der Lufttemperatur für HBP bis 0,75 C (Beschattung + Evapotranspiration) SYDO (HBP-QUO) , 14Uhr 1,8 m ü. Gr KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 23

24 Modellierung ENVI-met: Beispiel Lufttemperatur Häufigkeitsverteilung Lufttemperatur Biomassestrategien haben deutlichen Einfluss aus Lufttemperatur Höherer Anteil holziger Biomasse resultiert in geringerer Lufttemperatur KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 24

25 Bewertung: Mikroklimatische Zielkonflikte Parameter umfassen Wirkbereiche: thermische Komponente, Human-Biometeorologie, Wind Räumliche Analyse Mittelwert Vergleich status-quo KBP HBP HBA Anteil > 90 Perzentil Lufttemperatur 21,8% -60,9% -100,0% Anteil > 90 Perzentil UTCI 142,6% -50,2% 36,0% Anteil > 90 Perzentil Spez. Luftfeuchtigkeit -100,0% 865,7% 287,5% Anteil > 90 Perzentil Windgeschwindigkeit 173,3% -83,5% -81,6% (Lufttemperatur) 0,4% -1,1% -1,6% (UTCI) 4,4% -10,4% -4,8% (Spez. Luftfeuchtigkeit) -1,0% 5,5% 0,6% (Windgeschwindigkeit) 9,5% -15,9% -15,4% T min (Lufttemperatur) 0,4% 1,9% 1,1% Bewertung Verbesserung Moderate Verbesserung Verschlechterung KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 25

26 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Freiflächen besitzen wichtige Klimafunktionen zur Minderung von Stadtklimaeffekten Mögliche Beeinträchtigungen der positiven Effekte sind zu beachten (Wasserversorgung) Klimafunktionen folgen keinem (einfachen) linearen Zusammenhang mit dem Versiegelungsgrad der Fläche Biomassestrategien zeigen unterschiedliche trade-offs im Vergleich zum status-quo Mikroskalige Modellierung ist ein wichtiges Tool zur Bewertung klimatischer Zielkonflikte KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 26 Freifläche SYDO (Sydowstraße, Bottrop)

27 Veröffentlichungen TP8 Veröffentlichungen Sieber, S., Schmidt, M Freiflächengestaltung und Klimadesign - Bausteine der Energieeffizienz in Siedlungen. Stadt+Grün 10/2013, Hinz, M., Martin, S., Sieber, S, Weber, S. in Vorbereitung. Reinventing urban open spaces by different biomass strategies Analysis of the microclimatic effects by measurements and microscale modelling Konferenzbeiträge - Votrag Hinz (Schmidt), M., Weber, S Reinventing urban open spaces by different biomass strategies Analysis of the microclimatic effects by measurements and modelling, 14th European Meteorological Society Annual Meeting, 10th European Conference on Applied Climatology, , Prag Konferenzbeiträge - Poster Martin, S., Hinz (Schmidt), M., Weber, S Comparison of the energy balance of a suburban and rural site to study the microclimatic properties of urban open spaces, 14th European Meteorological Society Annual Meeting, 10th European Conference on Applied Climatology, , Prag Martin, S., Hinz (Schmidt), M., Weber, S Comparison of the energy balance of a suburban and rural site to study the microclimatic properties of urban open spaces, 7 th Japanese German Meeting on Urban Climatology, , Hannover KuLaRuhr Abschlusskonferenz, Essen , Folie 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 28