In diesem Artikel erklären wir die Projektmotivation von CityCLIM.
Meteorologisch kann eine Stadt als der Teil der Atmosphäre verstanden werden, der durch die städtische Bebauung einerseits und ein Umland andererseits begrenzt ist. Entsprechend versteht man unter den Stadtgrenzen die Bebauungsoberflächen und die Grenzflächen zum Umland. Erfahrungsgemäß können sich Wetter und Klima in der Stadt von denen des Umlandes unterscheiden Man spricht von den Phänomenen Stadtwetter und Stadtklima. Ihre Ursachen liegen in den Wirkungen der Bebauung sowie deren anthropogener Nutzung. Sie äußern sich als Folge physikalischer Prozesse in der Stadt und an den Stadtgrenzen und beeinflussen spürbar den lokalzeitlichen Zustand der Atmosphäre in der Stadt. Beispiele solcher Prozesse sind:
1) Solare und thermische Strahlung, dem Umland wie der Bebauung entstammend, erfahren charakteristische Absorptions- und Streuprozesse innerhalb der städtischen Atmosphäre sowie an der Bebauung mit Wirkungen auf deren thermischen Zustand.
2) Wärme- und Stoffaustausch, wie beispielsweise Abwärme, Gase und Aerosolpartikel, zwischen Bebauung und städtischer Atmosphäre ändern das Bewegungsvermögen sowie die Zusammensetzung letzterer und beeinflussen wiederum vielfältige optische und chemische Wirkungen darin.
3) Das Bewegungsverhalten der umlandigen Atmosphäre ändert sich bereits durch die städtische Bebauung und deren Reibungseffekte. Der städtische Eintrag von Aerosolpartikeln bedeutet zusätzliche Transportprozesse, die dieses Verhalten beeinflussen können. Darüber hinaus ändern thermische Wirkungen infolge optischer und chemischer Prozesse das Bewegungsverhalten signifikant.
Diese Wirkungen können nur mit wissenschaftlichen Methoden der Optik, Thermodynamik, Chemie und Strömungsmechanik modelliert werden. Sie sind äußerst komplex und in der Regel nicht unabhängig voneinander: Eine möglichst genaue Modellierung dieser kann nur durch ihre Gesamtbetrachtung angemessen erfolgen.
Die Beobachtung von Stadtwetter und Stadtklima als meteorologische Phänomene erfolgt über die Erfassung meteorologischer Parameter wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität, Strahlungsintensität und Windstärke etc. mittels verschiedenster Messmethoden. Dies erlaubt folgende Definition:
Die städtische Wärmeinsel ist ein meteorologisches Phänomen, das durch Stadtwetter und Stadtklima charakterisiert ist. Eine Stadt heißt eine städtische Wärmeinsel genau dann, wenn Temperaturanomalien auftreten, das heißt signifikante positive Differenzen in der mittleren Lufttemperatur in der Stadt gegenüber dem Umland.
Solche Temperaturanomalien können bei Wolkenfrei- und Windschwachheit in Stadt und Umland nachts bis zu 10 K betragen.
Die mathematische Modellierung städtischer Wärmeinseln führt auf, jenen physikalischen Methoden entspringende, komplizierte Systeme mathematischer Gleichungen. Letztere können sinnvoll nur numerisch gelöst werden. Diese Berechnungen verlangen gegebenenfalls Anfangs- und Randbedingungen. Letztere sind praktisch durch möglichst viele meteorologische Messungen gegeben oder durch sinnvolle Annahmen zu ersetzen. Ein für diese Aufgabe heranzuziehendes numerisches Computermodell arbeitet prinzipiell ähnlich wie ein Wetter- oder Klimamodell. Es muss jedoch lediglich die Stadt sowie ein gewisses Umland berücksichtigen und mit einer deutlich höheren räumlichen wie zeitlichen Auflösung umgehen können. Zudem sind darin die charakteristischen optischen und thermodynamischen sowie atmosphärenchemischen und strömungsmechanischen Besonderheiten in einer Stadt und an den Stadtgrenzen einzubeziehen, wofür verfügbare Wetter- und Klimamodelle von vornherein nicht ausgelegt sind. Deshalb sind individuelle Stadtwettermodelle notwendig und zu entwickeln.
Städte sind anthropogener Natur. Demzufolge sind Stadtwetter, Stadtklima und städtische Wärmeinseln anthropogene Phänomene und wir Menschen ihre Verursacher. Dieser Umstand verweist auf negative wie positive Aspekte zugleich: Einerseits bedeuten die Effekte einer Wärmeinsel Hitzestress und Beeinträchtigungen der Luftqualität verbunden mit vielfältigen Folgen für die urbane Bewohnbarkeit sowie für die Gesundheit, Lebensqualität und Arbeitsproduktivität der städtischen Bewohner. Andererseits erlaubt dies aber auch die Möglichkeit der Einflussnahme, indem man das Phänomen wissenschaftlich-praktisch untersucht, modelliert und berechnet, um die städtische Bebauung und ihre Nutzung so zu verändern, dass die negativen Effekte minimiert werden. Erst auf der Grundlage computermodellbasierter Informationen ist es Stadtplanern und -politkern quantitativ möglich, entscheidenden Einfluss auf die Urbanisierungsentwicklung und das Nutzungsverhalten zu nehmen wie diese Einflussnahme überhaupt erst zu legitimieren.
Der computerisierten Stadtmodellierung kommt also eine zentrale und wachsende Bedeutung zu, da bereits der Großteil der Menschheit in Städten lebt und dieser Anteil im Zunehmen begriffen ist. Außerdem besteht das Problem des globalen Klimawandels, und es stellt sich die Frage, wie sich dieser auf das Phänomen der städtischen Wärmeinsel auswirkt. Weil ihre Beantwortung Gegenstand aktueller Forschungen und davon auszugehen ist, dass die Inseleffekte analog zum Klimawandel in ihrer Problematik zunehmen, sollte einfach prinzipiell der Herausbildung von städtischen Wärmeinseln entgegengewirkt werden.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass städtische Wärmeinseln komplexe Probleme darstellen. Deren Analyse und Lösung können nur mittels computerisierter Mess- und Berechnungsmethoden bewerkstelligt werden. Nur daraus können praktikable Informationen abgeleitet werden, die hinsichtlich Stadtplanung und einem verändertem Nutzungsverhalten aussagekräftig sind. Hierzu einen praktischen Beitrag zu leisten, ist das innovative Ziel von CityCLIM.
CityCLIM bringt in seinem Konsortium Mess- und Modellierungsexperten mit städtischen Partnern zusammen, um letztere und ihre Bedürfnisse von vornherein in das Projekt einfließen zu lassen. CityCLIM hat sich folgende Aufgaben gestellt:
a) Entwicklung computerisierter Mess- und Berechnungsmethoden städtischer Wärmeinseln auf dem neuesten Stand der Technik: Dies bedeutet umfangreiche bodengebundene und luftgetragene in-situ-Messsysteme wie auch die Nutzung von Satellitenmessungen und daraus abgeleiteter Größen. Bestimmte Messinformationen werden vor allem dazu genutzt, um ein räumlich hochauflösendes Stadtwettermodell (100 m mal 100 m) zu speisen und zu validieren, das zweckorientiert entwickelt wird. Letzteres ist zudem derart konzipiert, um es mit minimiertem Zusatzaufwand auf verschiedene Städte flexibel und bedarfsorientiert anwenden zu können.
b) Ableitung gezielter Informationen für städtische Entscheidungsträger und Bürger in Form benutzerorientierter Dienste (engl.: City Weather and Climate Services): Entweder als Tool zur Betrachtung fiktiver Szenarien im stadtplanerischen wie Verhaltenskontext oder als Werkzeuge zur Erstellung verschiedenster Prognosen zum Zwecke von Echtzeitwarnungen
c) Zugänglichmachung der Dienste über anwenderbezogene Plattformen wie Webanwendungen und Smartphoneapplikationen
Lesen Sie hier auf dieser Website, wie es mit dem Projekt weitergeht und welche Resultate wir erzielen konnten. Wir hoffen, Ihnen einen guten Einblick in die Motivation von CityCLIM gegeben zu haben.
Ihr Meteologix AG/Kachelmann GmbH Team!