Forschungsmethoden

Entscheidend für die Luftqualität: Windfelder in der Stadt verstehen

Wind und Wetter sind entscheidende Faktoren für die Luftqualität und das Klima in Ballungsräumen. Noch sind Klimamodelle zu grobmaschig, um die konkrete Stadtplanung stützen zu können. Die Frage ist, wie Stadtquartiere, Gebäude und Straßenschluchten geplant werden müssen, um positive Effekte für die Luftqualität zu erringen. Innovative Stadtklimamodelle des Großprojekts [UC]2 könnten diese Fragen bald beantworten. Ein Einblick in die Forschungsmethoden.

Text: Dr. Bianca Adler (KIT)

Gerade Fragen des Stadtklimas und der Luftqualität in Städten spielen in Zeiten des Klimawandels und des rasanten Städtewachstums eine große Rolle. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass weltweit jedes Jahr 3 Millionen Menschen infolge von Luftverschmutzung sterben. Die Mehrheit der Städte ringt um effektive Gegenmaßnahmen. Auch vielen deutschen Städten gelingt es nicht, die europäischen Grenzwerte einzuhalten. Im Jahr 2016 lagen die mittleren Konzentrationen an Feinstaub in Ballungsräumen circa 21 Prozent über den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation und 10 Prozent über den Grenzwerten für Stickstoffdioxid.

Noch gravierender ist die Situation in Entwicklungs- und Schwellenländern, vor allem in Südostasien und auf den Philippinen. Oft reicht die Luftzirkulation innerhalb der Stadtgebiete nicht aus, um  den nötigen Luftaustausch mit dem Umland zu gewährleisten. Im Rahmen des Großprojekts „Stadtklima im Wandel“ – Urban Climate Under Change [UC]2, unter anderem mit Beteiligung von Helmholtz durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, das Forschungszentrum Jülich, das Climate Service Center Germany (GERICS) und das Karlsruher Institut für Technologie, sollen deshalb gebäudeauflösende Stadtklimamodelle für Großstädte entwickelt werden.

Bisher verfügbare Stadtklimamodelle sind zum einen zu grobmaschig, um die äußerst wichtigen mikroskaligen (Gebäude und Straßenschluchten) und lokalskaligen (Stadtquartiere) Prozesse aufzulösen. Diese Prozesse sind gerade für die Planung von Maßnahmen zur Erhaltung und Verbesserung des Stadtklimas und der Luftqualität wichtig. Auch im Klimaschutz und zur Anpassung an den Klimawandel werden sie gebraucht. Zum anderen decken Stadtklimamodelle oftmals nur kleinere Gebiete ab und können nicht an großräumige numerische Modelle gekoppelt werden, wie sie in der Wettervorhersage oder für regionale Klimaprojektionen zum Einsatz kommen.

Die Entwicklung eines innovativen Stadtklimamodells, das diese Anforderungen erfüllt, soll nun im Rahmen von [UC]2 entwickelt werden. Für die Validierung und Anwendungstests des neuen Modells werden in Langzeitbeobachtungen und Intensivmesskampagnen Daten zu Wetter, Klima und Luftqualität in den Großstädten Berlin, Hamburg und Stuttgart erhoben. Forscher des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) betreiben hochmoderne, meteorologische Fernerkundungsmessgeräte in der baden-württembergischen Landeshauptstadt, welche aufgrund schlechter Luftqualität immer wieder in die Schlagzeilen gerät.

Stuttgarts Stadtkern liegt in einem Talkessel mit hoher Bebauungsdichte, was Auswirkungen auf das städtische Windfeld hat und Nachteile für die Belüftung und Ventilation der Stadt mit sich bringt. Dreh- und Angelpunkt ist aus diesem Grunde das genaue und kleinräumige Verständnis der Windfelder. Mit unterschiedlichen Messmethoden werden deshalb Daten zum innerstädtischen Windfeld und zu Wechselwirkungen zwischen Stadt und Umland erhoben. Mehrere Doppler Lidargeräte und ein Mikrowellenradiometer liefern Informationen zur horizontalen Struktur des innerstädtischen Windfelds und dem vertikalen Aufbau der urbanen Grenzschicht (s. Bildergalerie). Der Einfluss der Stadt auf die räumliche Verteilung des Niederschlags wird mit Hilfe eines Niederschlagradars erfasst. Diese Geräte sind Teil des am IMK-TRO betriebenen KITcube Messsystems  – einer integrierten Beobachtungsplattform, die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messungen in der Troposphäre ermöglicht.

  • Bisherige verfügbare Stadtklimamodelle sind häufig zu grobmaschig, um die wichtigen mikroskaligen (Gebäude und Straßenschluchten) und lokalskaligen- (Stadtquartiere) Prozesse aufzulösen.
  • Diese Prozesse sind jedoch für die Planung von Maßnahmen zur Erhaltung und Verbesserung des Stadtklimas und der Luftqualität wichtig.
  • Dreh- und Angelpunkt ist daher das genaue und kleinräumige Verständnis der Windfelder in Städten.
Modell

Profile des Horizontalwindes gemessen in Stuttgart und im Neckartal. Die Konturflächen zeigen die Orographie in und um Stuttgart. Die farbigen Profile wurden mit der Methode der „virtuellen Masten“ aus Messungen zweier scannender an den Hängen positionierten Doppler Lidargeräte gewonnen und das schwarze Profil wurde mit dem Doppler Lidargerät auf dem Dach des Rathauses gemessen. Die roten Rauten kennzeichnen die Standorte der Lidargeräte.
Grafik: KIT

Erste Auswertungen der Intensivmesskampagne im Sommer 2017 zeigen eine ausgezeichnete Datenqualität und lassen vielversprechende Ergebnisse erwarten. In der Abbildung "Windfelder" (s. oben) ist ein Beispiel der mit koordinierten Scans erzielten räumlichen Informationen des horizontalen Windfeldes dargestellt. An sieben Standorten im Neckartal und Stuttgarter Talkessel wurden gleichzeitig Profile des Horizontalwindes gemessen, die eine hohe räumliche Variabilität aufzeigen.

Sechs der sieben Profile wurden dabei mit der Methode der sogenannten „virtuellen Masten“ gemessen. Dabei kreuzen sich die Laserstrahlen von zwei an gegenüberliegenden Hängen positionierten Doppler Lidargeräten am selben physikalischen Punkt im Raum und messen dort die Windgeschwindigkeit in Strahlrichtung. Aus dieser Information lässt sich dann die horizontale Windgeschwindigkeit ableiten. Die Positionen der virtuellen Masten können sehr flexibel gewählt werden und erlauben so das Messen von Windprofilen an schwer zugänglichen Standorten – was insbesondere in einer Stadt von großem Vorteil ist.

Bis Mitte 2019 soll eine erste Evaluierung des neuen Stadtklimamodells (www.palm4u.org) mit den während der Intensivmesskampagnen gewonnen Daten abgeschlossen sein.

Beitrag erstellt am 9. Mai 2018

Quellen

  • Projektseite [UC]². Link