04.09 Bioklima bei Tag und Nacht (Ausgabe 1998)
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Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Umweltschutz und Technologie 04.09 Bioklima bei Tag und Nacht (Ausgabe 1998) Problemstellung Die bisherigen Untersuchungen des Umweltatlas zum Stadtklima Berlin haben zu einer umfassenden Beschreibung der klimatischen Situation in der Stadt und ihrem Umland geführt (Karten 04.02-04.06, SenStadtUm 1993b-e, 1994a, 1996b-f). Sie zeigen die für ein innerstädtisches Zentrum typischen Veränderungen der klimatischen Bedingungen. Mit der Klimafunktionskarte 04.07 (SenStadtUm 1993f, 1996g) konnten darauf aufbauend für die Stadt und das nähere Umland Planungshinweise aus klimatischer Sicht gegeben werden. Die Klimafunktionskarte liefert u.a. Aussagen zu Gebieten, in denen einerseits ein Potential zur Entlastung anderer (angrenzender bzw. weiter entfernter) Räume vorhanden ist (Entlastungsbereiche), andererseits über den großräumigen Einfluß hinaus die stärksten Zusatzbelastungen zu erwarten sind (Belastungsbereiche). Der thermische Wirkungskomplex In der angewandten Stadtklimatologie erlangt deshalb die Human-Biometeorologie zunehmende Bedeutung, ein Fachgebiet, das sich mit den Wirkungen der atmosphärischen Umgebung auf den menschlichen Organismus auseinandersetzt. Bei der Analyse der Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen der atmosphärischen Umwelt und der Gesundheit bzw. dem Wohlbefinden der Menschen in der Stadt werden in der Human-Biometeorologie hauptsächlich der lufthygienische und thermische Wirkungskomplex berücksichtigt, weil diese in der Vorsorgeplanung besondere Bedeutung besitzen und mit Mitteln der Planung beeinflußbar sind (vgl. VDI 1998). Der gesunde Mensch besitzt eine außerordentlich große Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche atmosphärische Bedingungen (Akklimatisation). Während vom gesunden Organismus über autonome Regulationen die Anpassungsleistungen meist unbemerkt erbracht werden, kann dagegen das Anpassungsvermögen von empfindlichen Personen, älteren und kranken Menschen, Schwangeren und Kindern überfordert werden. Als Gradmesser für den allgemeinen Gesundheitszustand treten Beschwerden auf. Insbesondere im Bereich des Herz-Kreislaufsystems und der Atemwege werden bei entsprechender Prädisposition Erkrankungen ausgelöst oder verstärkt. Epidemiologische Untersuchungen zeigen entsprechend Wirkungen extremer Bedingungen (Kälte, Hitze, Luftverschmutzung, aber auch Wetterwechsel) auf Morbidität und Mortalität. Ein gutes Beispiel liefert Abbildung 1, in der die thermische Belastung des Menschen in seiner meteorologischen Umgebung in Abhängigkeit zur mittleren Mortalitätsrate am Beispiel eines Datenkollektivs aus Baden-Württemberg dargestellt ist. Sowohl Wärmebelastung wie Kältereize wirken als Streßfaktoren. Vergleichbare Resultate findet man auch in anderen Ländern. 1 Abb. 1: Relative Abweichung der mittleren täglichen Mortaliätsrate (mit 95 % Konfidenzintervall) vom Mittelwert (= thermisch komfortabler Bereich) in Baden-Württemberg (1968-1993) (DWD 1996) Es muß aber auch unterhalb der Schwelle extremer Ereignisse von einer deutlichen Beeinflussung der Lebensqualität durch die jeweiligen klimatischen Bedingungen, insbesondere auch durch die anthropogen geprägten, kleinräumig sehr variablen klimatischen Bedingungen im städtischen Lebensraum des Menschen ausgegangen werden. Dabei geht die Wirkung der Atmosphäre auf den Menschen niemals von einem einzigen meteorologischen Element allein aus. Das Klima beeinflußt vielmehr den Organismus durch das Zusammenwirken zahlreicher Einzelfaktoren. Die biologische Antwort auf die Einwirkung verschiedener Parameter kann daher die Spannweite von keiner oder sogar positiver Beeinflussung bei völliger Gesundheit über Belästigung, Beeinträchtigung, subklinische Veränderung bis hin zu klinisch manifesten Schäden und dem Anstieg der Mortalitätsrate umfassen. Der Mensch besitzt die Fähigkeit, die Temperatur in seinem Körperinneren unabhängig von wechselnden Umgebungsbedingungen innerhalb einer geringen Schwankungsbreite konstant zu halten. Dies wird durch eine Reihe von autonomen, d. h. unwillkürlich ablaufenden physikalischen und chemischen Regulationsmechanismen erreicht, mit denen Wärmeabgabe und Wärmebildung aneinander und an die Umweltbedingungen angepaßt werden. Bei minimaler Aktivität des Thermoregulationssystems herrscht Behaglichkeit; je stärker es gefordert wird, umso eher wird die Umgebung als belastend empfunden. Zusätzlich unterstützen bestimmte Verhaltensweisen (Bekleidung, Aktivität, Klimatisierung, Aufsuchen von Schatten, Windschutz usw.) die Thermoregulation (Jendritzky et al., 1990, Abb. 2). 2 Abb. 2: Einflußfaktoren im thermischen Wirkungskomplex (Jendritzky et al. 1990) Der Energieaustausch erfolgt dabei über Konvektion (Lufttemperatur, Luftbewegung), Verdunstung (Luftfeuchte, Luftbewegung), Strahlung (Strahlungsbilanz im kurz- und langwelligen Bereich) und Atmung (Lufttemperatur, Luftfeuchte). Die in Klammern gesetzten meteorologischen Größen spielen bei den jeweiligen Transportprozessen die entscheidende Rolle. Die Wahl der Bekleidung kann darüber hinaus die Bedingungen der Wärmeübergabe entscheidend verändern. Die in der Stadt gegenüber dem Umland veränderten atmosphärischen Bedingungen - wie beispielsweise eine im Mittel verringerte Windgeschwindigkeit (vgl. Karte 04.03, SenStadtUm 1994a, 1996c) oder das mit dem Bild der Wärmeinsel beschriebene höhere Temperaturniveau (vgl. Karte 04.02, SenStadtUm 1993b, 1996b) - erfordern eine Anpassung, die über das Thermoregulationssystem erfolgt, durch welches der Organismus Wärmeproduktion und Wärmeabgabe auszugleichen sucht. Während unter thermisch indifferenten Bedingungen die Thermoregulationsmechanismen eine minimale Aktivität aufweisen, werden sie umso mehr gefordert, je größer die Abweichung von diesen thermisch neutralen Bedingungen ist. Während Kältereize durch geeignete Bekleidung oder das Aufsuchen von windgeschützten Bereichen im allgemeinen vermindert werden können, sind, weil die direkten Anpassungsmöglichkeiten begrenzt sind, die Bedingungen bei Wärmebelastung eher unausweichlich. Folgerichtig stehen diese im Vordergrund wissenschaftlicher Untersuchungen zu den klimatischen Auswirkungen städtischer Verdichtungsräume auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen. Das Modell UBIKLIM Die Ergebnisse solcher Forschungen können der raumbezogenen Planung helfen, umwelt- und eingriffsrelevante Tatbestände im Zusammenhang mit Planungsverfahren zu beurteilen. Angesichts der häufig komplexen Verfahrensabläufe sind dabei Methoden, die sich auf bestehende rechtliche Vorgaben, verbindliche Grenzwerte oder Empfehlungen anerkannter Wissenschaftsverbände stützen, von großem Vorteil. Sie erleichtern die Nachvollziehbarkeit im Abwägungsprozeß eines einzelnen Vorhabens, aber auch den Vergleich mit anderen Regionen bzw. Planungsvorhaben. In diesem Sinne wurde mit der nunmehr vorliegenden VDI Richtlinie 3787 Blatt 2 ‘Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung von Klima und Lufthygiene für die Stadt- und Regionalplanung’ ein Instrumentarium 3 vorgelegt, welches den Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse wiederspiegelt und zu seiner Umsetzung festgelegte Regelanwendungen empfiehlt (VDI 1998). Die Bewertungen zum Bioklima Berlin nutzen mit der Anwendung des Modellverfahrens ‘Urbanes Klimamodell’ (UBIKLIM) diese empfohlenen Regelanwendungen. Die daraus abgeleitete skalierte Bewertungsgröße Predicted Mean Vote (PMV) das heißt ‘vorhergesagter durchschnittlicher Wert’, gibt die Einschätzung des thermischen Milieus an (vgl. Methode und Tab. 1). Tab. 1: Bewertungsgröße PMV, thermisches Empfinden und physiologische Belastungsstufen (Tab. gilt für Aktivität 'entspanntes Gehen') (nach VDI-Richtlinie 3787 Bl. 2, VDI 1998) Datengrundlage Der Gesamtansatz des Klimamodelles UBIKLIM geht davon aus, daß in einem vorgegebenen Klimaraum die meteorologischen Bedingungen an einem Ort im wesentlichen von folgenden Klimafaktoren abhängen: Art der Landnutzung bzw. Siedlungsstruktur, Siedlungsdichte (Überbauungsgrad, Einwohnerzahl), Wechselwirkungen zwischen benachbarten Strukturen, Topographie (Höhe, Lage, Exposition). Die notwendigen Eingangsparameter zur Charakterisierung der meteorologischen Ausgangsdaten wie Bewölkungsgrad, Sonnenstand und Windgeschwindigkeit wurden dem Beobachtungsmaterial des Deutschen Wetterdienstes für Berlin entnommen. Alle Grundlagenparameter zur Flächennutzung und topographischen Höhenlage konnten aus dem Datenbestand des Umweltinformationssystems (UIS) Berlin zur Verfügung gestellt werden. Dabei wurde das Stadtgebiet in seiner gesamten Ausdehnung in Rasterflächen von zunächst 50 x 50 m, der Bereich innerhalb des Inneren S-Bahn-Ringes von 10 x 10 m aufgeteilt. Im einzelnen wurden folgende Parameter genutzt: Mittlerer Versiegelungsgrad in % (vgl. Karte 01.02, SenStadtUm 1993a, 1996a), mittlerer Überbauungsanteil in %, Flächen-/Stadtstrukturtypen in 61 Klassen (vgl. Karte 06.07, SenStadtUm 1994b, 1996h), mittlere topographische Höhe in m über NN (vgl. Karte 01.08, SenStadtUmTech 1998). Die Gebäude- und Vegetationshöhen wurden über eine Regeldatei mit den Stadtstrukturtypen verknüpft (FPK 1993). Als weitere Informationsquelle lagen Beschreibungen der Strukturtypen, das Kartenwerk von Berlin 1 : 5 000 sowie Luftbilder des Stadtgebietes vor. 4 Diese Grunddaten mußten aufbereitet und an die Inputvorgaben des Modells angepaßt werden. Dabei wurden die Angaben über die Durchgrünung aus der Beschreibung der Strukturtypen abgeleitet, wobei zwischen nicht (n), mittel (m) und parkartig (p) durchgrünt unterschieden wurde. Für die Bestimmung des modellinternen Bebauungsparameters "Zahl der Gebäude pro Rasterfläche" wurde zusätzlich auf die erwähnten grundstücksgenauen Karten von Berlin 1 : 5 000 und Erfahrungswerte zurückgegriffen. Die genaue Zuordnung der einzelnen mittleren Bebauungsparameter zu den Stadtstrukturtypen des UIS Berlin ist der Tabelle 2 zu entnehmen. Tab. 2: Zuordnung von mittleren Bebauungsparametern zu den Stadtstrukturtypen des UIS Berlin 5 Methode Grundlagen des Verfahrens UBIKLIM Eine auf den Menschen bezogene Bewertung von Klima läßt sich über die vom Organismus zu erbringende Anpassungsleistung unter den gegebenen klimatischen Bedingungen erreichen. Für die Analyse und Bewertung wird als Energiebilanzmodell des Menschen in der erwähnten VDI-Richtlinie 3787, Bl. 2 das fortgeschriebene "Klima-Michel-Modell" empfohlen (Jendritzky et al. 1990). Das Modell liefert mit dem PMV-Wert ein Maß für die thermische Belastung des Organismus (Wärmebelastung, Kältestreß) in einer definierten Umgebung. Der Name "Michel" weist auf den Durchschnittsmenschen hin (hier angenommen mit männlich, 35 Jahre alt, 175 cm groß und 75 kg schwer). Das Verfahren verknüpft Wärmeproduktion aufgrund des aktivitätsabhängigen Energieumsatzes unter Berücksichtigung der Wärmeisolation der Bekleidung mit den für die Wärmeabgabe verantwortlichen meteorologischen Bedingungen, die von Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit sowie kurz- und langwelligen Strahlungsflüssen abhängen. PMV = (H, Icl, tl, v, e, tmrt) H metabolische Rate (60 bis 300 W/m², d. h. ruhig sitzen bis schnell gehen (ca. 7 km/h)) Icl Wärmeisolation der Bekleidung (0,5 bis 1,5 clo, d. h. leichte Sommerbekleidung bis Anzug und Mantel, wobei 1 clo = 0,155 (m² K)/W ist Meteorologische Parameter: tl Lufttemperatur v repräsentative Windgeschwindigkeit e Wasserdampfdruck tmrt mittlere Strahlungstemperatur Die mittlere Strahlungstemperatur bezieht die direkte Sonnenstrahlung, die diffuse Himmelsstrahlung, die kurzwellige Reflexstrahlung, die Gegenstrahlung der Atmosphäre und die Infrarotstrahlung der Oberflächen der Umgebung auf den Menschen mit ein. Für die biometeorologische Bewertung des Stadtklimas werden die für die Wärmebilanz des Menschen wesentlichen meteorologischen Parameter Lufttemperatur (tl), Luftfeuchte (Wasserdampfdruck) (e), Windgeschwindigkeit (v) sowie kurz- und langwelligen Strahlungsflüssen (sr, lr) für eine Höhe von 1 m über Grund berechnet. Das Modell UBIKLIM erzeugt zunächst die o.a. meteorologischen Größen flächendeckend und führt dann eine bewertende Analyse mit dem Klima-Michel-Modell durch. Die Auflösung der Ergebnisfelder ist wesentlich von der Art und der Auflösung der Ausgangsdaten abhängig. Sie beträgt idealerweise 10 m, woraus sich Karten bis zu einem Maßstab von 1 : 10 000 erstellen lassen. Um vergleichbare Aussagen zu erhalten, werden dabei Bekleidung und Aktivität des Menschen als konstant angenommen, und zwar Spazierengehen (Energieumsatz 116 W/m2) im leichten Straßenanzug (Wärmeisolation 0,9 clo). Das primäre Problem für die Umsetzung der beschriebenen Modellansätze liegt in der Bereitstellung der physiologisch relevanten meteorologischen Felder in 1 m Höhe über Grund mit geeigneter Auflösung. Messungen oder hochauflösende numerische Modelle sind, was Datenerhebung bzw. Rechenzeit anlangt, für eine Anwendung in größeren Stadtarealen oder ganzen Städten in der Regel zu aufwendig und unpraktikabel. Beim verwendeten Modell UBIKLIM dagegen handelt es sich um ein Expertensystem, das mit einem relativ geringen Aufwand an Datenerhebung und Rechenzeit auskommt. Dabei wird zwar auf einen gewissen Grad an Detailgenauigkeit verzichtet; planungsrelevante Aussagen in Hinsicht auf die bioklimatische Qualität und Belastung einzelner Blöcke bzw. Blockteilflächen werden aber dennoch ermöglicht. Bezüglich des Eingangsparamters Flächennutzung wird davon ausgegangen, daß sich das gesamte Untersuchungsgebiet in eine überschaubare Anzahl von Flächen mit physikalisch ähnlichem Verhalten unterteilen läßt. Diesen Flächen werden dann u.a. folgende Nutzungstypen zugewiesen: Wasser, Wald, Park, unversiegelte und versiegelte Freifläche, Wohngebiet, Gewerbe-/Industriegebiet. Die bebauten Gebiete werden weiter unterteilt und durch ihre Bebauungsparameter eindeutig charakterisiert (vgl. Tab. 2). Unterschiede zwischen einzelnen Stadtstrukturen lassen sich damit gut herausarbeiten, während eine 6 Interpretation auf das einzelne Raster genau nicht sinnvoll ist. Kleinmaßstäbige Fragestellungen sind daher eher mit anderen, geeigneteren Modellverfahren wie MUKLIMO_3 (Sievers 1995) oder MISKAM (Schädler et al. 1996) zu beantworten. UBIKLIM-Ablaufdiagramm Gemäß dem UBIKLIM-Ablaufdiagramm (Abb. 3) werden zunächst unabhängig von der Topographie für jede einzelne Stadtstruktur die meteorologischen Größen Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte sowie kurz- und langwellige Strahlungsflüsse berechnet. Dies geschieht indirekt über das eindimensionale Mikroskalige Urbane Klimamodell MUKLIMO_1 (Sievers et al. 1986). Indirekt deshalb, weil aus mehr als 3 000 MUKLIMO_1-Simulationen Regressionsgleichungen auf Basis der Bebauungsparameter aufgestellt wurden, die nun in UBIKLIM zur Berechnung der meteorologischen Größen benutzt werden. Abb. 3: Ablaufdiagramm des Bewertungsverfahrens UBIKLIM Die Grundidee zur modellmäßigen Behandlung von Bebauung, die in MUKLIMO_1 und damit auch in UBIKLIM zur Anwendung kommt, ist bei Groß, 1989 zu finden. Sie benutzt die Ähnlichkeit der Strömung zwischen Einzelgebäuden mit der Strömung eines Gases oder einer Flüssigkeit in einem porösen Medium. Eine solche Strömung wird zweckmäßigerweise nicht detailliert, sondern durch Mittelwerte der Variablen über eine genügend große Zahl von Poren beschrieben. Ebenso wird das Medium selbst durch mittlere Eigenschaften charakterisiert, z.B. seine Porosität oder seinen Strömungswiderstand. In MUKLIMO_1 wird nun die Bebauung als poröses Medium betrachtet. Es läßt sich durch einige wenige mittlere Größen beschreiben, die aus den Bebauungsparametern der Stadtstrukturen abgeleitet werden können. Gemäß dieser mittleren Betrachtungsweise ist offensichtlich, daß die Gebäude in der Modellvorstellung gleichmäßig über die Fläche verteilt sind. Sie besitzen eine quadratische Grundfläche und die gleiche Gebäudehöhe. Die folgende Skizze veranschaulicht dies: 7 Entsprechend der unterschiedlichen Bebauungsparameter der einzelnen Areale verändert sich das Bild dieser Verteilung: Z.B. stehen die Gebäude dichter oder die Grundflächen der einzelnen Gebäude sind größer. Die Beschaffenheit der Zwischenräume wird über den Versiegelungsgrad variiert. Durch Anwendung der Regressionsgleichungen erhält man für jede meteorologische Größe ein Feld, wobei in jedem einzelnen Areal ein einheitlicher Wert steht, der nur vom Flächennutzungstyp, nicht aber von der im Untersuchungsgebiet existierenden Topographie oder der Beziehung der einzelnen Areale untereinander bestimmt ist. Um einen Bezug zur jeweiligen Topographie herzustellen, werden diese Felder in einem zweiten Schritt über verschiedene Ansätze modifiziert. Dabei werden die Höhe ü. N.N., die Exposition sowie die Orographie berücksichtigt. Die Beziehung der einzelnen Areale zueinander wird über eine gleitende Mittelbildung hergestellt, die eine vom Kalten zum Warmen gerichtete Ausgleichsströmung simuliert. Dabei macht man sich die Erfahrung zunutze, daß bei einer windschwachen Wetterlage der Einfluß einer Nachbarstruktur auf die andere nach 50 bis 150 m abgeklungen ist. Das Verfahren wird für die Temperatur-, Feuchte- und Windverteilung durchgeführt. Damit erhält man die meteorologischen Ausgangsfelder, die dann pixelweise mit dem sogenannten ‘Klima-Michel-Modell’ analysiert werden. Diese humanbiometeorologische Bewertung der thermischen Umgebung des Menschen beruht auf der Wärmebilanzgleichung des menschlichen Körpers und führt eine Kopplung der Behaglichkeitsgleichung nach Fanger (1972) mit den kurz- und langwelligen Strahlungsflußdichten durch. Validierung der Modellergebnisse Wie bei allen Modellanwendungen, ist eine Verifizierung der durch das Modell UBIKLIM erhaltenen Ergebnisse auch für die hier vorliegenden Darstellungen notwendig. Diese ist unter folgenden Voraussetzungen möglich: 1. In Berlin werden mehrere meteorologische Stationen unterhalten. Deren Beobachtungsergebnisse ermöglichen einen stichprobenartigen Vergleich mit den Modellergebnissen. 2. Die Endergebnisse, ausgedrückt als PMV-Werte, sind nicht direkt vergleichbar, weil sie sich aus verschiedenen Parametern zusammensetzen 3. Als Zwischenprodukte bei der UBIKLIM-Anwendung fallen die Felder der Lufttemperatur und der Windgeschwindigkeit an. Diese können für einen Vergleich mit den Beobachtungsergebnissen der Berliner Stationen herangezogen werden. Die Gegenüberstellung der aus den Modellanwendungen und den Beobachtungen gewonnenen Temperaturdaten ergibt für die im Modell verwandte meteorologische Ausgangssituation eines strahlungsreichen Sommertages (Temperaturmaximum an den Stationen zwischen 25 und 25,9 °C) den in Tabelle 3 dargestellten Vergleich. Tab. 3: Vergleich von Stundenwerten der Lufttemperatur aus Messungen und Modell (Meßwerte für Strahlungstage mit Maximum der Lufttemperatur von 25,0 bis 25,9 °C) (DWD 1996) 8 Es fallen die verhältnismäßig geringen Abweichungen zwischen Messung und Modell bei den 14 UhrWerten auf. Sie betragen vielfach nur ± 0,5 K. Nur am Stadtrand bzw. im Umland (Stationen Berlin-Buch und -Schönefeld) gibt das Modell 1 bis 2 K niedrigere Werte in den Mittagsstunden (in diesem Falle 14 Uhr) an. Bei den 04 Uhr-Werten liegen die Modellergebnisse dagegen deutlicher unter den Meßergebnissen. Dies mag zum einen mit der größeren Variabilität der Tagestiefsttemperaturen zusammenhängen; zum anderen neigt das Modell dazu, für große unbebauten Flächen (wie dies z. B. bei den Flugplätzen Berlin-Tempelhof und -Schönefeld der Fall ist) die entsprechenden Bereiche als zu kalt auszuweisen. Insgesamt kann aber von einer recht guten Übereinstimmung zwischen Rechen- und Meßergebnissen ausgegangen werden. Bei einem solchen Vergleich muß bedacht werden, daß das Modell UBIKLIM kein durchgehend mathematisches Modell ist. Es ist ein Expertenmodell, das den derzeitigen Wissensstand biometeorologischer Analyse und Bewertung umfaßt und dies mit guten Ergebnissen in die Fläche überträgt. Durch den mit gutem Erfolg durchgeführten Vergleich mit Meßergebnissen an Sommertagen hat man die Möglichkeit, zu den differenzierten flächenmäßigen Darstellungen auch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher Situationen während des Sommerhalbjahres und in einzelnen Sommermonaten anzugeben. Im langjährigen Durchschnitt müssen im Stadtzentrum Berlins 35 bis 45 Sommertage pro Jahr erwartet werden (vgl. Tab. 4). Im größten Teil der Stadt einschließlich der Außenbezirke sind es 32 bis 35 Sommertage. In Einzeljahren können die Zahlen erheblich höher liegen. Im heißen Sommer 1992 zum Beispiel ergaben sich in Berlin 60 bis 75 Sommertage. Tab. 4: Anzahl der Sommertage (Tagesmaximum der Lufttemperatur 25 °C, Normalwerte 19611990) (DWD 1996) Für diese Tage läßt sich eine Zuordnung der PMV-Klassen, wie sie in den Karten dargestellt ist, zu den in Tabelle 4 genannten Sommertagen vornehmen. Die in den Karten dargestellte Wärmebelastung stellt dann die untere Grenze dar. Je nach dem, wie hoch die Tagesmaxima der Lufttemperatur tatsächlich ausfallen, ist die Wärmebelastung an einzelnen Tagen (z. B. an heißen Tagen, Temperatur 30 °C) noch wesentlich höher. Kartenbeschreibung In den Karten wird die räumliche Verteilung von Wärmebelastungsintensitäten während einer hochsommerlichen Strahlungswetterlage im Berliner Stadtgebiet, ausgedrückt durch PMV-Stufen, wiedergegeben. Die dargestellten Wertstufen gelten nur für die der Bewertung zugrundeliegenden Meteorologischen Bedingungen eines Sommertages mit einem Temperaturmaximum von 25 °C. Dabei ist die Farbskala so angelegt, daß die Intensität von grün über gelb nach rot hin zunimmt, und die Intensitätsänderung pro Farbstufe 0,2 PMV beträgt. Da aufgrund der geringen Höhenunterschiede in Berlin die Topographie nur wenig Einfluß hat, wird die dargestellte Verteilung hauptsächlich von der Anordnung der Flächennutzung im Stadtgebiet und den Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen, benachbarten Nutzungsarten geprägt. Insbesondere dort, wo viele relativ kleine Flächen unterschieden werden, kommt es über Wechselwirkungen zu deutlichen Modifikationen. Dabei ist davon auszugehen, daß im wesentlichen - im Sinne einer Ausgleichsströmung - eine horizontale Advektion vom Kalten zum Warmen hin erfolgt, wodurch die über den warmen Gebieten aufsteigende Luft durch kühlere ersetzt wird. Der Einfluß einer 9 Nachbar-Struktur ist modellgemäß nach etwa 100 Metern abgeklungen (vgl. Methode). Auch wenn damit die Wechselwirkungen auf einen schmalen Grenzbereich beschränkt bleiben, so erweisen sie sich dort, wo zahlreiche Grünanlagen bebautes Gebiet durchsetzen, als sehr effektiv im Sinne einer bioklimatologischen Wohlfahrtswirkung. Räumlich übergreifender wirkt der Wärmeinseleffekt, der im Modell über die Verteilung der Lufttemperatur die bioklimatischen Verhältnisse modifiziert. Bioklima am Tage Die dargestellte Verteilung der thermischen Bedingungen zum 14 Uhr-Termin präsentiert die Situation, die sich tagsüber an einem schwachwindigen, wolkenlosen Sommertag ausbildet. Im Wald sowie im unmittelbaren Bereich der Gewässer treten die niedrigsten PMV-Werte auf. Im Wald sind hierfür aufgrund der Abschirmung durch die Bäume die geringen Strahlungsflüsse zusammen mit der relativ niedrigen Lufttemperatur im Stammraum verantwortlich, beim Gewässer einerseits die hohe Windgeschwindigkeit über der glatten Wasseroberfläche und andererseits die kühle Luft über der verdunstenden Wasseroberfläche. Wo ein Gewässer unmittelbar an bebautes Areal grenzt, erkennt man - wenn auch nur in einem schmalen Bereich - eine entlastende Wirkung in diese Bebauung hinein (z.B. im Bereich der Spree). Die relative Belastungsintensität in Parkanlagen ist ebenfalls gering, wenn auch bereits um ca. 0,4 PMV gegenüber der im Wald erhöht. Die Effekte entsprechen denen des Waldes, nur in abgeschwächter Form. Auf der unversiegelten Freifläche ist aufgrund uneingeschränkter Sonnenstrahlung gegenüber parkartig genutzten Flächen mit einer weiteren Erhöhung der PMV-Werte zu rechnen. Nur die vergleichsweise höheren Windgeschwindigkeiten verhindern einen noch stärkeren Anstieg der thermischen Belastung. Demgegenüber heizt sich über den versiegelten Freiflächen (Platz, Straße - wie z.B. über der Avus) die Luft deutlich stärker auf. Der Wind findet hier aber noch weniger Angriffsfläche als über Wiese oder Acker, weht völlig ungehindert und ist letztlich dafür verantwortlich, daß nur ein geringfügig höheres Belastungsniveau als über der unversiegelten Freifläche resultiert. Ähnliche Verhältnisse herrschen auch im Bereich der Gleisanlagen, wobei jedoch der Wind nicht ganz die Stärke wie über Asphalt erreicht. Dennoch kompensiert er bis zu einem gewissen Grad auch über diesen Flächen die belastende Wirkung der hohen Luft- und Strahlungstemperaturen. Die Wärmebelastungsintensität liegt auf einem mittleren Niveau knapp über dem der versiegelten Freifläche. In den bebauten Arealen treten die höchsten Belastungen auf. Im allgemeinen nimmt die Belastung mit Verdichtung der Bebauung zu, weil sich die Luft in den Häuserschluchten stärker aufheizt und zusätzlich der Wind im Mittel schwach ist. Zwar sind gleichzeitig die kurzwelligen Strahlungseinflüsse durch die Abschattung bzw. Horizonteinschränkung vermindert, sie werden aber durch die erhöhten langwelligen Strahlungsflüsse vielfach nahezu kompensiert. Durchgrünung mit Bäumen senkt die thermische Belastung in den bebauten Arealen. Dabei ist es neben der Reduktion aller übrigen Strahlungsflüsse vor allem die Abschirmung der direkten Sonnenstrahlung, die die Entlastung bewirkt. Sie überwiegt den Effekt, der aus der Reduzierung der Windgeschwindigkeit infolge des Baumbestandes resultiert und - für sich betrachtet - eine Zunahme der thermischen Belastung zur Folge hätte. Am günstigsten schneiden locker bebaute Wohngebiete ab, die parkähnlich durchgrünt sind. Wenige große Gebäude und weite versiegelte Flächen prägen in vielen Fällen das Bild von Industrieund Gewerbegebieten. Die Folge ist eine gute, eher ungehinderte Ventilation, die bewirkt, daß die Belastungswerte trotz eines sehr hohen Versiegelungsgrades nicht so hoch ansteigen wie in stark versiegelter Wohnbebauung. Park, Wald, Wasser - also Strukturen, die zu einem günstigen Bioklima beitragen - wirken eng begrenzt in die umliegende Bebauung hinein. Bemerkenswert ist verschiedentlich das kleinräumige Verhalten beim Übergang von Flächennutzungen mit unterschiedlichem thermischen Verhalten, beispielsweise zwischen Freiflächen mit einer mittleren Wärmebelastung und Wald mit geringer Wärmebelastung. Direkt am Waldrand, jedoch noch auf der Freifläche, steigt die Belastung an, da hier die Strahlungsflüsse hoch sind, der Wind durch den "rauhen" Wald aber bereits abgebremst wird. Unmittelbar am Waldsaum sorgt der von der Freifläche her eindringende, wenn auch in seiner Stärke bereits abgeschwächte Wind - bei den dort durch die Abschattung stark verminderten Strahlungsflüssen für minimale Wärmebelastung. 10 Besonders häufig und auffallend sind in Berlin die Übergänge zwischen Wasser und Wald. Aus den eben genannten Gründen ist die thermische Situation am Waldsaum am günstigsten. Dies führt im einzelnen zu folgenden Aussagen: Die Bioklimakarte zeigt eine Zunahme der thermischen Belastung vom eher wenig belasteten Stadtrand zur Stadtmitte hin, wo man konzentriert die höchsten Wärmebelastungsintensitäten findet. Für einen Sommertag bedeutet das, daß die Außenbezirke im Mittel mäßig, der Innenstadtbereich einheitlich stark belastet ist. Beim Vergleich mit der Landnutzung fällt auf, daß an der Peripherie die mit einer Ausgleichswirkung belegten Nutzungen Wasser, Wald und Freifläche sowie lockere, durchgrünte Bebauung dominieren, während zum Stadtzentrum hin die Grünanteile weniger und die Bebauung kompakter werden. Die Karten der Stadtstrukturparameter veranschaulichen das deutlich (vgl. Karte 06.07, SenStadtUm 1994b, 1996h). Auf einer ca. 100 km² großen Fläche der Innenstadt ist der Gesamtversiegelungsgrad mit 80 bis 100 % gegenüber 30 bis 40 % in den Außenbezirken sowie der überbaute Anteil mit 40 bis 70 % gegenüber 20 % sehr hoch. Als Folge hat sich ein großer Belastungskomplex gebildet, der durch einzelne kleinere, verstreut angeordnete Grünanlagen (z.B. Friedhöfe und Parks), um einiges markanter durch die Spree und den Landwehrkanal sowie den Großen Tiergarten und den Flughafen Tempelhof mit angrenzender Hasenheide unterbrochen wird. In den Bezirken Charlottenburg, Wilmersdorf sind auf einer kompakten Fläche von ca. 12 km² PMV-Werte bis 3,0 berechnet. An einem Sommertag bedeutet das eine starke thermische Belastung. Da hierbei aber das Minimum für einen Sommertag dargestellt wird, muß hier häufig auch mit extremer Belastung gerechnet werden. Ausweichmöglichkeiten sind selten bis gar nicht vorhanden. Diese Bezirke sind aus bioklimatologischer Sicht als besonders problematisch zu beurteilen. Auch in anderen Stadtteilen wie Kreuzberg, Moabit, Prenzlauer Berg, Mitte konzentrieren sich thermische Spitzenbelastungen. Man trifft hier allerdings schneller auf Flächen mit einem günstigeren Bioklima. Besonders hervorzuheben ist dabei die Art und Weise, in der sich im Nordosten der Stadt verschiedene Grünareale mit den Nutzungen Park, Friedhof oder Sportplatz von Weißensee bis in die Stadtmitte zum Prenzlauer Berg in die Bebauung eingliedern. Dieses verzahnte Nebeneinander bewirkt einen andauernden Wechsel verschiedener Bioklimate. Auch wenn immer wieder sehr hohe Belastungsintensitäten auftreten, ist in diesem Bereich durch die Nähe zu entlastenden Flächen die bioklimatologische Situation eher positiv zu beurteilen. Im allgemeinen läßt sich sagen, daß eine Vielzahl kleinerer Parkanlagen, die verstreut ins bebaute Areal integriert sind, gegenüber größeren aus bioklimatologischer Sicht Vorteile haben. Relativ zu ihrer Ausdehnung besitzen sie mehr Grenzflächen zur Bebauung hin, so daß eine effektivere Entlastung über Wechselwirkungen gewährleistet ist. Ähnlich günstig unterbrechen die Fließgewässer Spree und Landwehrkanal das Belastungsgefüge quer durch die ganze Innenstadt. Die Uferbereiche werden über den Einfluß der Wechselwirkungen entlastet. Der Große Tiergarten (220 ha), der bedeutendste übergeordnete Freiraum im Berliner Stadtgebiet, ist für die bioklimatischen Verhältnisse in Berlin von großer Bedeutung. Erstens sind die thermischen Umgebungsbedingungen um mehr als 1 PMV besser als in der umliegenden Bebauung. Zweitens bricht er das Belastungsgefüge der Innenstadt auf und verhindert so die völlige Zusammenballung zu einem einzigen Belastungskomplex. Analog dazu hat er zusammen mit den angrenzenden Freiflächen des ehemaligen Diplomatenviertels, des Gleisdreiecks und des Südgeländes die Ausbildung einer geschlossenen Wärmeinsel verhindert. Drittens ist er durch seine zentrale Lage von allen Innenstadtbezirken aus gut zu erreichen und kann deshalb von der dortigen Bevölkerung als wertvolle Ausweichmöglichkeit in eine thermisch angenehmere Umgebung genutzt werden. Zum Stadtrand hin verbessern sich die thermischen Bedingungen deutlich. Dabei macht sich sowohl die Abnahme der Versiegelung und Überbauung wie auch die Dominanz der parkartig oder wenigstens teilweise durchgrünten Bebauung der Außenbezirke bemerkbar. Die Wärmebelastungsintensitäten sind vielfach um 0,8 PMV niedriger als in der Innenstadt. In den parkartig durchgrünten Wohngebieten herrschen dabei zum Teil günstigere bioklimatische Verhältnisse als über freiem Feld. Man findet sie mit einem größeren Flächenanteil beispielsweise in Lichterfelde oder im Bezirk Pankow. Mit gutem Bioklima fallen u.a. auch die Stadtrandsiedlungen Gatow, Kladow, Müggelheim oder Rahnsdorf auf. Allerdings kommen auch in den Außenbezirken sehr hohe Wärmebelastungsintensitäten vor; Spitzenbelastungen werden jedoch höchstens punktuell erreicht. So heben sich einzelne, alte Stadtkerne wie die von Tegel und Spandau oder sonstige Stadtteilviertel wie in Tempelhof und Lichtenberg von ihrer Umgebung ab. Sie fallen wiederum durch eine stärkere Versiegelung und Überbauung auf. 11 In den Plattenbausiedlungen wie u.a. in Hellersdorf und Marzahn oder den großen Siedlungskomplexen des Westens Gropiusstadt und Märkisches Viertel treten ebenfalls relativ hohe Belastungsintensitäten auf. Die Industrieflächen, die verteilt im ganzen Stadtgebiet anzutreffen sind, sich aber z.B. entlang der Spree sowie in Tempelhof und Lichtenberg/Marzahn stärker konzentrieren, zeigen entsprechend ihres Versiegelungsgrades und Überbauungsanteils kein einheitliches Bild. Im Mittel ist die thermische Belastung geringer als in der dichten Wohnbebauung der Innenstadt, aber höher als in der lockeren Wohnbebauung der Außenbezirke. Zwar wird die Verteilung der Wärmebelastung in Berlin überwiegend von der Bebauung beeinflußt, die großen Wasser- und Waldflächen im Westen und Südosten bestimmen den Gesamteindruck aber wesentlich mit. Diese weiten Flächen bieten an einem wolkenlosen Sommertag eine bis zu 1,5 PMV geringer belastete Umgebung. Ihre positive Wirkung bleibt im wesentlichen auf den schmalen Randbereich beschränkt, der über Wechselwirkungen mit angrenzenden Nutzungen erzielt wird. Im Südosten reichen links und rechts der Spree kleinere Waldstücke bis zur Rummelsburger Bucht in die Stadt hinein, die immer wieder an bebautes Areal grenzen. Dadurch sind in diesem Bereich sehr variable bioklimatische Verhältnisse anzutreffen, die positiv zu bewerten sind. Bioklima in der Nacht Die Karte zum 04 Uhr-Termin zeigt die Verteilung der relativen Wärmebelastungsintensität, die in einer wolkenlosen Sommernacht bei schwachem Wind erwartet wird. Obwohl im Vergleich zur Tagszene die Unterschiede in der Lufttemperatur größer sind, ist die Spannweite der auftretenden Belastungsintensitäten geringer, weil einerseits die sehr stark von der Siedlungsstruktur modifizierten kurzwelligen Strahlungsflüsse fehlen, und andererseits der Wind im Mittel nachts wesentlich schwächer ist. Geringste Belastungsintensitäten sind über unversiegelten Freiflächen (Rasen, Wiese, Acker) zu erwarten. Ursachen dafür sind die völlig ungehinderte Ausstrahlung sowie die damit einhergehende Abkühlung der Luft. Über den versiegelten Freiflächen (Straße, Platz) liegen die PMV-Werte im Mittel geringfügig höher. Über Wasser sind die Belastungsintensitäten um ca. 0,6 PMV höher als über den Ackerflächen. Ursache dafür ist die nur unmerkliche Abkühlung der Wasseroberfläche, was die Tagesamplitude von Lufttemperatur und langwelligem Strahlungsfluß dämpft. Vergleichsweise hohe Luft- und Strahlungstemperaturen kompensieren damit den Abkühleffekt der verhältnismäßig hohen Windgeschwindigkeiten über dem Wasser. Die höchsten thermischen Belastungen treten in Arealen mit kompakter Bebauung und sehr starker Versiegelung auf. Ursachen dafür sind die relativ geringe Abkühlung der Luft in den Häuserschluchten sowie die - bei großem Bauvolumen und eingeschränkter Himmelssicht - hohen Strahlungstemperaturen. Mit abnehmendem Bauvolumen sinkt die thermische Belastung. Allerdings kann sich auch in relativ gering bebauten Arealen eine recht hohe Wärmebelastung halten; und zwar dann, wenn neben den Häusern zahlreiche Bäume die Ausstrahlung und den Wind behindern. Gewerbe- und Industrieareale, die häufig einen großen Freiflächenanteil besitzen, der die Ausstrahlung begünstigt, zeichnen sich durch relativ niedrige PMV-Werte aus. Das Belastungsniveau in Parkanlagen, bei denen der Baumbestand die Ausstrahlung behindert, liegt ähnlich hoch wie im Mittel in den Gewerbearealen. Im Wald werden sogar noch um 0,2 PMV höhere Werte erwartet, und das obwohl die Lufttemperatur teilweise deutlich niedriger ist als in der Innenstadt. Im einzelnen ergibt sich folgendes Bild: Auch in der Nachtszene zeichnet sich der Innenstadtbereich innerhalb des S-Bahn-Rings mit der höchsten thermischen Belastung deutlich ab. Dabei konzentrieren sich die ungünstigen Bedingungen besonders in den Bezirken Wilmersdorf/Charlottenburg, Prenzlauer Berg und Kreuzberg/Neukölln. Der Große Tiergarten sowie die kleineren Grünanlagen, aber auch einige nicht so dicht bebaute Areale, wie z.B. der Bereich um den Alexanderplatz, lockern das Belastungsgefüge auf. Die thermische Situation weist hier mittlere Belastungsverhältnisse auf. Besonders markant sind die niedrigen PMV-Werte auf dem Flughafengelände, die aufgrund der ungehinderten Ausstrahlung zu erwarten sind. In den Außenbezirken hat sich das Bild gegenüber der Tagszene verändert. Es wird im wesentlichen von drei Wärmebelastungsklassen geprägt. Dabei verursachen die hauptsächlich im Westen und Südosten der Stadt gelegenen Wälder vergleichsweise hohe, die Freiflächen die absolut niedrigsten PMV-Werte. 12 Ihr Unterschied beträgt 1 PMV. Auf den sonstig genutzten Flächen schwankt die Belastungsintensität zwischen diesen beiden Werten. Nur im Nordosten Berlins und westlich von Gatow besitzen die Freiflächen eine größere Ausdehnung. Sonst sind sie als eher kleinere Areale (z.B. als Sportgelände) verstreut in den städtischen Außenbezirken anzutreffen und verursachen hier immer wieder minimale Belastungsintensitäten. In den bebauten Arealen schwanken die Belastungsintensitäten je nach Bebauungsstruktur um bis zu 0,5 PMV (z.B. Lichtenrade gegenüber einzelnen Arealen von Spandau oder Friedrichsfelde). Nur vereinzelt, wo die Bebauung verdichtet ist, bleiben die Wärmebelastungsintensitäten relativ hoch, etwa auf dem Wert, der im Wald typisch ist. Dieser wird auch annähernd in lockerer, parkartig durchgrünter Wohnbebauung, wie beispielsweise in Lichterfelde-West erwartet, wo die Bäume die nächtliche Ausstrahlung behindern. Um 0,2 bis 0,3 PMV geringer sind die Werte dagegen in den Plattenbausiedlungen. Ein vernachlässigbar geringer Baumbestand und ein 70 bis 80 %iger Freiflächenanteil erlauben eine gute Ausstrahlung. In lockerer Bebauung mit mäßig dichtem Baumbestand ist die nächtliche Belastung am geringsten (z.B. in Lichtenrade). Die alten Ortskerne, die tagsüber auf der Bioklimakarte deutlich hervortreten, bilden sich nachts nur andeutungsweise ab. Ursache dafür ist der relativ hohe Flächenanteil, der nicht überbaut ist und dadurch die Ausstrahlung begünstigt. Bedingt durch die hohe Wärmespeicherfähigkeit des Wassers sind die tagesperiodischen Temperaturunterschiede gering. Die windoffene Lage zumindest der größeren Gewässer sowie die gleichmäßige Evapotranspiration führen zu einer dauerhaften Reduzierung der fühlbaren Wärme. Somit erreichen die Gewässer auch in der Nachtsituation mit PMV-Werten im Bereich von 1,3 (=leichte Wärmebelastung) ähnliche Verhältnisse wie am Tage. Die thermische Situation in den über das ganze Stadtgebiet verteilten Industrie- und Gewerbearealen ist in der Regel gemäßigt oder zum Teil sogar gut und fällt nachts nicht weiter ins Auge. Nur wo die Bebauung sehr dicht ist (z.B. in Lichtenberg), muß auch nachts von einer hohen thermischen Belastung ausgegangen werden. Nach Givoni, 1989 kommt der thermischen Beanspruchung des Menschen während der Nachtstunden eine große Bedeutung zu, weil nur unter günstigen thermischen Bedingungen ein erholsamer Schlaf erreichbar ist. Dieser ermöglicht es den thermischen Belastungen am Folgetag besser begegnen zu können. Das bedeutet, daß eine starke Belastung tagsüber umso mehr als bedeutsam angesehen werden muß, je geringer die nächtliche Abkühlung ausfällt. Die Interpretation der 04 Uhr-Karte muß also immer im Kontext mit der Verteilung der Wärmebelastung tagsüber gesehen werden. Literatur [1] Bahr, R.-M. 1959: Geschichte der meteorologischen Beobachtungen der Stadt Berlin, Dissertation am Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin, Berlin. [2] Bahr, R.-M. 1966: Geschichte der meteorologischen Beobachtungen der Stadt Berlin - Das Klima von Berlin (I), Abhandlungen des Meteorologischen Dienstes der DDR, Bd. X, Nr. 78, Berlin. [3] Deutscher Wetterdienst (DWD) - Geschäftsfeld Klima- und Umweltberatung 1996: Klimakarten für das Land Berlin, Teil: Bioklima Berlin, Gutachten im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz, Abt. III, unveröffentlicht, Berlin. [4] Fanger, P. 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