Wissenschaftliche Arbeiten

Doktorarbeit von Frau Hyunjung Lee (2015)

Increasing heat waves require human-biometeorological analyses on the planning-related potential to mitigate human heat stress within urban districts

Zusammenfassung Diese kumulative Dissertation beschäftigt sich mit dem planungsbezogenen Potenzial, den lokalen Hitzestress für Menschen in mitteleuropäischen Stadträumen zu reduzieren. Vor dem Hintergrund des regionalen Klimawandels, besonders der eingebetteten Hitzewellen, ist diese Untersuchung auf eine aktuelle Fragestellung in der urbanen Human-Biometeorologie ausgerichtet. Vier Publikationen mit speziellen Zielsetzungen innerhalb dieser allgemeinen Problematik bilden die Grundlage für diese Dissertation:

I. Shevchenko, O., Lee, H., Snizhko, S., Mayer, H., 2014: Long-term analysis of heat waves in Ukraine. International Journal of Climatology 34, 1642-1650, DOI: 10.1002/joc.3792. II. Lee, H., Holst, J., Mayer, H., 2013: Modification of human-biometeorologically significant radiant flux densities by shading as local method to mitigate heat stress in summer within urban street canyons. Advances in Meteorology 2013, article ID 312572, 13 pages, DOI: 10.1155/2013/312572. III. Lee, H., Mayer, H., Schindler, D., 2014: Importance of 3-D radiant flux densities for outdoor human thermal comfort on clear-sky summer days in Freiburg, Southwest Germany. Meteorologische Zeitschrift 23, 315-330, DOI: 10.1127/0941-2948/2014/0536. IV. Lee, H., Mayer, H., Chen, L., 2015: Contribution of trees and grasslands to the mitigation of human heat stress in a residential district of Freiburg, Southwest Germany. Landscape and Urban Planning, DOI: 10.1016/j.landurbplan.2015.12.004.

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Bachelorarbeit von Herrn Simon Scherzinger (2012)

Thermische Auswirkungen von Fassadenbegrünung auf die Urban Canopy Layer

Zusammenfassung In der bisherigen Forschung wurden nur wenige quantitative Aussagen über die thermischen Auswirkungen von Fassadenbegrünung gemacht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Messkampagne durchgeführt, um weitere Daten zu sammeln und auszuwerten. Die Messungen fanden in Freiburg im Breisgau an drei Standorten statt. In der Oberau, an der Pädagogischen Hochschule und im Vauban.

Jeder Standort weist vier Fassadenexpositionen und somit vier Messpunkte auf. Die Messpunkte sind pro Standort jeweils in die Kardinalhimmelsrichtungen Nord, Ost, Süd und West ausgerichtet. Jeder Messpunkt weist eine begrünte und eine unbegrünte Fassade auf. Bei der Pflanzenart handelt es sich an allen Standorten um den Gemeinen Efeu, Hedera helix. Es wurden die meteorologischen Parameter •  Oberflächentemperatur To, •  Lufttemperatur Ta, •  Relative Feuchte RH (in Dampfdruck VP umgerechnet) erfasst und ausgewertet. Die Messhöhe betrug 1,5 m über Grund. To wurde von der begrünten, unbegrünten und der Fassade unter der Begrünung aufgenommen. Ta und RH wurden vor der begrünten, wie auch der unbegrünten Fassade erfasst. Die Aufnahme erfolgte in horizontalen Abständen von 0,3; 0,5 und 1,0 m zur unbegrünten Wand. An jedem Standort erfolgte eine Messung an einem Strahlungstag. Die Messdauer umfasste 13 Stunden. Das Messintervall in Vauban und an der Pädagogischen Hochschule belief sich auf 30 Minuten, wohingegen in der Oberau ein Messintervall von 45 Minuten gewählt wurde. Am letztgenannten Standort wurden zudem noch 13-stündige Messungen an einem bedeckten Tag durchgeführt. Im Rahmen der Untersuchungen konnten die nachfolgenden Ergebnisse erzielt werden: An Strahlungstagen ist die Reduktion von To durch Fassadenbegrünung stärker ausgeprägt, als am bedeckten Tag. Die begrünten Nordfassaden weisen mit 22 °C maximaler To, max an einem Messpunkt MP die geringsten thermischen Auswirkungen auf. Ost-, süd- und westexponierte Fassaden hingegen zeigen starke Anstiege von To, bezüglich aller Fassadenoberflächen. Die stärkste Erwärmung erfahren die unbegrünten Fassaden. To, max eines MP liegt bei 38 °C. Dies entspricht einer langwelligen Ausstrahlung E von 505 W/m². Zwischen kahler Wand und Begrünung beziehungsweise der Fassade unter dem Bewuchs werden maximale To -Differenzen von 17 K erreicht. Die geringsten Tagesamplituden weisen die Fassaden unter der Begrünung auf. Unbegrünte, südexponierte Flächen weisen die höchsten Summen langwelliger Strahlung auf. Bezüglich Ta ist die Entstehung eines Gradienten vor der begrünten beziehungsweise unbegrünten Fassade nicht nachzuweisen. Erhöhte Werte von Ta vor der unbegrünten gegenüber der begrünten Fassade sind ebenfalls nicht feststellbar. Der Einfluss einer Fassadenbegrünung auf VP war nur in einem Abstand von 0,3 m bemerkbar. Es zeigten sich leicht erhöhte VP-Werte gegenüber der unbegrünten Wand. Viele der Werte befanden sich jedoch im Rahmen der Messgenauigkeit. Es konnte nachgewiesen werden, dass Fassadenbegrünungen den thermischen Komfort für Menschen verbessern können. Hauptverantwortlich für die Linderung der Hitzebelastung ist die Reduktion von To und damit einhergehend die Verminderung der langwelligen Ausstrahlung E. Gebäude so anzulegen, dass sie an lokale Windverhältnisse angepasst sind.

Bachelorarbeit von Frau Isa Ghasemi (2012)

Modellierung der thermischen Belastung in urbanen Gebieten als ein Aspekt stadtklimagerechter Planung - Am Beispiel Stuttgart West

Zusammenfassung Die Stadtklimatologie stellt einen immer wichtigeren Bereich für den Menschen dar, angesichts ansteigender Zahlen der Bevölkerung in Städten oder Ballungsräumen. Thermische Belastung in Städten nimmt aufgrund sich verdichtender Siedlungsräume zu. Umso bedeutender ist es zu wissen, wie sich das städtische Bioklima hinsichtlich städtebaulicher Veränderungen, und auch vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels, ändern kann.

Diese Arbeit befasst sich als erstes damit, in die Bereiche Stadtklima und Stadtplanung und deren Zusammenhänge einzuführen. Es werden Charakteristika des Stadtklimas näher beschrieben und erläutert und inwieweit Stadtplanung Auswirkungen auf das Stadtklima haben kann. Wichtig ist zu berücksichtigen, welche Rolle lokale meteorologische und topographische Bedingungen, wie etwa die Kessellage Stuttgarts, für das Stadtklima haben. Der Schwerpunkt und das Ziel dieser Arbeit liegen darin, die thermische Belastung mit Hilfe der Modelle ENVI-met und RayMan für ein städtisches Gebiet zu berechnen. Als Beispiel für einen besonders dichten Siedlungsraum ist die Landeshauptstadt Stuttgart ausgewählt worden. In dem Stadtteil Stuttgart-West, der durch besonders dichte Bebauungen geprägt ist, befindet sich das für die Berechnungen ausgewählte Zielgebiet. Die Bestimmung der thermischen Belastung wird mit dem thermischen Index der Physiologisch Äquivalenten Temperatur (Physiologically Equivalent Temperature, PET) durchgeführt. Um herauszufinden, wie groß die Wärmebelastung in Extremsituationen ist, werden alle Simulationen mit Bedingungen für einen heißen Sommertag durchgeführt. Es werden jeweils die Situationen für 14 MEZ betrachtet. Für das 478 m auf 378 m große Zielgebiet wird mit ENVI-met flächenhaft PET simuliert, zum einen für den aktuellen Bestandszustand des Gebietes und zum anderen für zwei mögliche Planszenarien. Dies ist aufgrund konkreter baulicher Änderung im Ist-Zustand von Bedeutung. In dem Quartier mit der baulichen Änderung befindet sich im aktuellen Zustand das Olga-Krankenhaus, dieses soll einem neuen Wohnkomplex weichen. Als alternatives Szenario werden, statt für die geplante Wohnanlage, die thermischen Verhältnisse für eine grüne Parkanlage simuliert. Außerdem werden für fünf ausgewählte Standorte P1 bis P5 in dem Zielgebiet mit RayMan die Häufigkeiten für PET berechnet. Als Datengrundlage dient hierfür eine Zeitreihe über 10 ausgewählte Jahre im Zeitraum 2000 bis 2011. Die benötigten meteorologischen Größen für die Berechnung von PET sind Lufttemperatur (Ta), Windgeschwindigkeit (v), relative Luftfeuchte (RH) und die mittlere Strahlungstemperatur (Tmrt). Bei Betrachtung der Ergebnisse von ENVI-met hat sich herausgestellt, dass die thermische Belastung in dem Zielgebiet insgesamt sehr hoch ist. Es lassen sich in bestimmten Bereichen, wie etwa bei verwinkelten Baustrukturen und versiegelten Böden, Höchstwerte von bis zu PET = 68 °C ablesen. Vor allem das Planungsszenario des neuen Wohnkomplexes weist extrem hohe PET-Werte auf. Niedrigere Werte (PET = 35 °C) sind bei Grünflächen und Vegetation zu erkennen, Tiefstwerte von PET = 25 °C nur in verschatteten Bereichen. Die Ergebnisse mit RayMan zeigen Ähnlichkeiten zu denen von ENVI-met, bei RayMan treten aber niedrigere Maximalwerte von PETmax = 50,2 °C auf. Mit den Ergebnissen von Ray-Man werden die Häufigkeiten für PET über den Verlauf des Jahres dargestellt. Die größte Häufigkeit für starke und extreme Wärmebelastung beträgt am Standort P5 31,5 % für Ende Mai bis Ende August. RayMan gibt insgesamt die Verhältnisse besser wider als ENVI-met, bei dem die Höchsttemperaturen unrealistisch erscheinen. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass sich Grünflächen und besonders Schattenwurf, sowohl durch Gebäude als auch durch Vegetation, positiv auf die thermische Belastung auswirken. Es ist eine Verschlechterung der thermischen Bedingungen für die Umsetzung des neuen Wohnkomplexes feststellbar. Es findet eine Steigerung der thermischen Belastung im Vergleich zum aktuellen Zustand statt. Es lassen sich deshalb Empfehlungen und Maßnahmen für eine Verbesserung der thermischen Situation festlegen. Es gilt Grünflächen und Vegetation zu erhalten und neu zu gewin-nen, Bodenversiegelung zu vermeiden und Gebäude so anzulegen, dass sie an lokale Windverhältnisse angepasst sind.

Doktorarbeit von Herrn Rayk Rinke (2008)

Parametrisierung des Auswaschens von Aerosolpartikeln durch Niederschlag

Zusammenfassung Die vorliegende Dissertation liefert einen Beitrag zur genaueren Beschreibung des Auswaschens von Aerosolpartikeln infolge der Kollision der Partikel mit sedimentierenden Niederschlagstropfen im Rahmen numerischer Ausbreitungsmodelle. Studien verschiedener Autoren belegen, dass der Auswasch- prozess in aktuellen Ausbreitungsmodellen unzureichend genau wiedergegeben wird. Die exakte physikalische Berechnung des Auswaschprozesses im Rahmen von numerischen Ausbreitungsmodellen ist bei der Betrachtung von polydispersen Aerosolpartikel- und Tropfengrößenverteilungen aufgrund der hohen Anforderungen an die Rechenleistung gegenwärtig nicht möglich.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine neue Parametrisierung für die Berechnung der zeitlichen Änderung einer Partikelgrößenverteilung infolge des Auswaschens formuliert. Zur Formulierung der Parametrisierungsgleichungen wurde die Momente Methode verwendet, d.h. die Parametrisierungsgleichungen wurden für die zeitliche Änderung der Momente einer polydispersen kontinuierlichen Partikelgrößenverteilung als Funktion der Momente abgeleitet. Berücksichtigt werden hierbei die Kollision beeinflussenden physikalischen Mechanismen Brownsche Partikelbewegung, Trägheitsimpaktion, Interzeption, Thermophorese, Diffusiophorese und die Anziehung infolge elektrischer Kräfte. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Parametrisierung wurde in das regionale dreidimensionale Ausbreitungsmodell COSMO-ART implementiert. Dieses ermöglicht die Simulation der raum-zeitlichen Entwicklung der Partikelkonzentrationsverteilung. Mit dem so erweiterten Modellsystem wird die Wirkung des Auswaschprozesses auf die dreidimensionale Verteilung der Partikelkonzentration untersucht. Anschließend werden die optischen Eigenschaften insbesondere die Extinktion an Aerosolpartikeln behandelt. Auf Basis der simulierten Verteilungen der Extinktionskoeffizienten wird unter Verwendung verschiedener Verfahren die atmosphärische Sichtweite bestimmt. Hier zeigt sich, dass bei der Berechnung der Sichtweite die räumliche Variabilität des Extinktionskoeffizienten berücksichtigt werden muss. Schließlich wird exemplarisch untersucht, wie sich die durch das Auswaschen reduzierte Partikelkonzentration auf die Sichtweite auswirkt.

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Diplomarbeit von Frau Saskia Buchholz (2006)

Einfluss meteorologischer und luftchemischer Parameter auf die NO2-Immissionskonzentration am Beispiel von ausgewählten Luftmessstationen in Baden-Württemberg

Zusammenfassung

Aus den Untersuchungen im Kapitel 7 lassen sich allgemein gültige Aussagen bezüglich der Luftbelastung mit Stickoxiden unter bestimmten Ausbreitungsbedingungen formulieren.

- Betrachten wir die Wirkung der meteorologischen Parameter, die die Ausbreitungsbedingungen der Luftschadstoffe charakterisieren, so fällt auf, dass gute bis sehr gute Ausbreitungsbedingungen wesentlich zur Reduktion der Stickoxide im Stadtgebiet Stuttgart beitragen. Ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der vertikalen Ausbreitungsbedingungen ist die Mischungsschichthöhe. Sie begrenzt das Volumen, auf welches sich die emittierten Luftschadstoffe maximal ausbreiten können. Zwischen Mischungsschichthöhe und Immissionskonzentration wurde folgender Zusammenhang gefunden: Je höher die tägliche Mischungsschichthöhe umso geringer ist die NOx- und NO-Immissionskonzentration (Tagesmittelwert) bei gleichem täglichem Ausstoß an Stickoxid-Emissionen. Für die NO2-Immissionskonzentration kann eine gegenüber NOx und NO geringere Reduktion mit zunehmender Mischungsschichthöhe für die zwei Stationen Zuffenhausen und Bad Cannstatt festgestellt werden. Die hoch belasteten Verkehrsmessstationen zeigen demgegenüber einen leichten Anstieg oder eine Konstanz der NO2-Immissionskonzentration mit zunehmender Mischungsschichthöhe. Dies kann mit der vermehrten Einmischung von Ozon aus den höheren Luftschichten begründet werden. In der Folge kommt es an den Verkehrsmessstationen zur Bildung von NO2.

- Neben den vertikalen Ausbreitungsbedingungen bestimmt der Wind, insbesondere die Windgeschwindigkeit, die Immissionskonzentration der Stickoxide an den Messstellen. Dabei ist der Wind wesentlich wirkungsvoller bezüglich der Reduktion der städtischen Luftbelastung. Der Wind transportiert, vermischt und verdünnt die Luftschadstoffe durch turbulente Diffusion. In diesem Zusammenhang gilt: Je höher die Windgeschwindigkeit, desto geringer ist die an den Stationen gemessene Belastung mit Stickoxiden (NOx, NO und NO2) bei ansonsten gleichem Emissionsausstoß. Hohe Reduktionen der Luftbelastung werden bereits bei geringer Erhöhung der Windgeschwindigkeit festgestellt. Bei Windgeschwindigkeiten über 2 m/s können die Stickoxide gegenüber windschwachen Tagen um bis zu 50 bis 80 % gesenkt werden.

- In Stuttgart werden schlechte Ausbreitungs- und Transportbedingungen vor allem im Winterhalbjahr beobachtet. Neben einer sehr stabilen Schichtung und geringen Mischungsschichthöhen treten auch vermehrt Schwachwindsituationen vor allem während des Tages auf. Unter diesen Bedingungen reichern sich am Boden emittierte Luftschadstoffe an und führen an den Verkehrsmessstellen und an der Hintergrundmessstation zu hohen Luftbelastungen. In dieser Konstellation kann es zur Überschreitung der in der 22. BImSchV geforderten Grenzwerte (1h-Grenzwert) kommen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die vorherrschende Witterung sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Immissionskonzentration bei gleicher Emissionsrate bewirken kann. Vor allem in den Wintermonaten sind die hohen Luftbelastungen in Städten auf die schlechten Ausbreitungs- und Transportbedingungen zurückzuführen. Da das Wettergeschehen nicht immer zu einer gewünschten Entlastung der städtischen Schadstoffbelastung beitragen kann, ist es unerlässlich die begonnen Maßnahmen zur Emissionsreduktion fortzuführen und auszuweiten. Maßnahmen zur Immissionsreduktion in den Städten und Kommunen könnten in Zukunft besser den jahreszeitabhängigen Transport- und Ausbreitungsbedingungen angepasst werden. Bemühungen dieser Art wurden hinsichtlich der Reduktion der Feinstaubbelastung bereits in einigen Städten und Kommunen Österreichs praktiziert. In den Städten Graz und Klagenfurt wurden finanzielle Anreize zur Nutzung des Öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) im Winterhalbjahr 2005 (verbilligte Verbundtickets und kostenlose SMS-Tickets) erstmals erprobt.

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Diplomarbeit von Frau Christine Fenn (2005)

Die Bedeutung der Hanglagen für das Stadtklima in Stuttgart unter besonderer Berücksichtigung der Hangbebauung

Zusammenfassung

Der Landschaftsraum ist prägend für die Lebensverhältnisse der Region Stuttgart. Die geologischen Formationen führen zu großen Höhenunterschieden auf kleinem Raum und einer ausgeprägten Reliefierung der Landschaft, die durch die Erosionskräfte der Oberflächengewässer weiter geformt wurde. Die Stuttgarter Innenstadt liegt im Nesenbachtal umgeben von einem fast geschlossenen Höhenkranz der bis zu 240 m über dem Talgrund aufragt.
Die intensive Flächennutzung und die damit verbundene Versiegelung durch den Menschen führt unter anderem zu Wärme- und Schadstoffemissionen.
Das regionale Klima wird durch diese Faktoren beeinflusst: Windarmut und der hohe Anteil versiegelter Flächen im Talkessel der Stuttgarter Innenstadt führen zu einer mangelnden Durchlüftung und damit verbunden zu einer verstärkten Wärmebelastung bis zu austauscharmen Wetterlagen mit hoher Luftbelastung. Bioklimatisch stellt das für die Einwohner der Stadt eine gesundheitlich Beeinträchtigung dar.
Für die Entlastung der klimatischen Situation im bebauten Talkessel sind die, durch das Relief unterstützten, kühleren und häufig lufthygienisch unbelasteten Kaltluftströme von den höher gelegenen unbebauten Flächen notwendig. Die Hauptbelüftung stellt der Talwind des Nesenbachtals dar. Durch die ausgeprägte Überwärmung und die zunehmende Bebauung des Stadtgebiets sind die kleinräumigen Hangabwinde, die Kaltluftabflüsse der Kesselränder, immer wichtiger geworden. Für Stuttgart fungieren die Hänge sowohl als Kaltluftabflussbahnen als auch als Ausgleichsraum, da der Anteil an unversiegelten Freiflächen noch relativ groß ist.
Die Geschichte Stuttgarts zeigt, dass die klimatische Situation bereits im 17 Jahrhundert problematisch war. Die Bebauung und Erschließung der Hänge fand erst ab Ende des 19. Jahrhunderts statt und unterlag besonderen städtebaulichen Grundsätzen. Sie wurde durch die Begrenzung der Bauhöhen, festgelegten Abstands- und Bauverbotsflächen an das Landschaftsbild angepasst und somit der für Stuttgart typische grüne Charakter der Randhöhen bis heute bewahrt.
Auch in der aktuellen Flächennutzungsplanung besteht die Zielsetzung diese Charakteristik der lockeren Einzelhausbebauung zu erhalten und ist im FNP als Kombination aus Wohnnutzung und sonstigen Grünflächen dargestellt. Da die verbindliche Bauleitplanung noch auf die Festsetzungen von 1935 beruht, kommt es heute durch Einzelfallentscheidungen für Bauvorhaben zunehmend zur Nachverdichtung an den Hängen. Damit verbunden sind Beeinträchtigungen für das Stadt- und Landschaftsbild, der Verlust hochwertiger Wohngebiete und innerstädtischer Erholungsflächen, zudem wird die wichtige klimatische Ausgleichsleistung der Hanglagen für den gesamten Talkessel zunehmend dezimiert.
Aus rechtlicher Sicht sind für die klimatischen Belange in der Planung einige Sicherungsinstrumente vorgesehen. Eine übergeordneten Betrachtung, die die Auswirkungen planerischer Entscheidungen in Bezug zum gesamten Stadtgebiet darstellt, wird im Baugesetzbuch durch die Strategische Umweltprüfung verlangt. Die zukünftige Entwicklung der Stuttgarter Hanglagen könnte ein Rahmenplan, als informelles Instrument, beinhalten. Detaillierte Festsetzungen für die Optimierung klimatisch beeinträchtigter Bereiche oder den Erhalt wertvoller Bestände auf der Ebene der verbindlichen Bauleitplanung gibt das Baugesetzbuch und das Naturschutzgesetz von Baden-Württemberg vor.
Im Vergleich zu anderen deutschen Städten kann Stuttgart auf ausführliche klimatische Grundlagenuntersuchungen zurückgreifen, die jedoch auch konsequent in der baulichen Entwicklung umgesetzt werden müssen. Die Beispiele Freiburg und Trier zeigen, dass die Sensibilität der Bürger für die klimatischen Belange sehr groß ist. Modellkonzepte für eine klimatisch sensible Nutzung der Hanglagen liegen außer in Form der Passivhaussiedlung in Ulm nicht vor.
Die detaillierte Betrachtung der einzelnen Hangabschnitte im Stuttgarter Talkessel zeigt hauptsächlich die Hangeinschnitte, die Klingen, als kleinräumige Kaltluftabflussbahnen mit thermisch ausgleichender Wirkung für den Hangfuß und den angrenzenden Talgrund. Es werden aber auch die Hanglagen lokalisiert, die durch bereits verdichtete Bebauung und das fehlende Einzugsgebiet an unbebauten Flächen, selbst wärmebelastet sind.
Damit die wichtigen klimatischen Funktionen der Stuttgarter Hanglagen für das gesamte Stadtgebiet aufrecht erhalten werden können, muss die Überwärmung verhindert und der Kaltluftabfluss in den Klingen durch entsprechende Maßnahmen optimiert werden. Dabei gehen die Zielsetzungen im Bereich Stadtklima mit der städtebaulichen Entwicklung der Ortsbausatzung meist Hand in Hand.

Es hat sich gezeigt, dass bei Entscheidungen der baulichen Weiterentwicklung der Hanglagen nicht nur der Einzelfall ausschlaggebend ist, sondern die Summenwirkung unbedingt berücksichtigt werden muss. Durch einen städtebaulicher Rahmenplan für die Hanglagen können die einzelnen Funktionen zusammengeführt und verortet werden und damit die Entwicklungsziele für das gesamte Gebiet formuliert werden.

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© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie

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