Vorlesung 8: Stadt- und Geländeklima

Horizontale Größenordnung geographischer und meteorologischer Phänomene -auf Mikro- bis Mesoskale • Veränderte Energiebilanz: -im Gelände existieren keine homogenen Oberflächen → kleinräumige Veränderungen der Energiebilanz • Kleinräumige Veränderungen der Luftdruckgegensätze: -entstehen durch veränderte Energiebilanz -werden durch Winde ausgeglichen (Hochdruck → Tiefdruck) -Winde bewirkt durch Druckgradientenkraf

1) Land-See-Windsystem -bedingt durch Luftdruckunterschiede zwischen Meer und Land -Ausgleichsströmungen: Tag: Seewind & Nacht: Landwind

2) Hangwind -bedingt durch Luftdruckunterschiede zwischen Hang und Tal -Tag: anabatischer Hangaufwind & Nacht: katabatischer Hangabwind

3) Berg-Tal-Windsystem -bedingt durch Luftdruckunterschiede zwischen Hang und Tal sowie Berg und Tal -Morgen: Bergwind → Hangaufwind stoppt Bergwind -Mittag: Talwind -Nachmittag: Hangaufwind stoppt → nur noch Talwind -Abend: Hangabwind + Talwind -später Abend: Talwind stoppt → nur noch Hangabwind -Nacht: Bergwind

4) Föhn -bedingt durch die gezwungene Hebung von Luftmassen -Luftmassenanstieg am Berg

• Definition: „den von spezifischen städtischen Oberflächenstrukturen sowie anthropogenen Wärme- und Schadstoffemissionen veränderten Zustand der atmosphärischen Grenzschicht in der Stadt“ • Betrachtet im engeren Sinne meteorologische Aspekte (physikalische Prozesse) und im weiteren Sinne Atmosphärenchemie (Veränderung der Zusammensetzung) • Beinhaltet Stadtmeteorologie (kurzfristige Prozesse)

1) Urbanes Ökosystem • Urbane Umgebung ist kulturell und biophysikalisch gleich -kulturelle Artefakte: Straßen, Gebäude und Industrie -biophysikalisch Umgebung (Sphären) wird durch kulturelle Artefakte geprägt → beides zusammen ergibt urbanes Ökosystem • Städtische Ökosysteme sind sehr variabel

Auf verschiedenen Skalen: gesamte Stadt, lokale Skala, Mikro-Skala • Aerodynamisch: Veränderung des Windprofils durch Gebäude 1) ErhöhteTurbulenz und Böigkeit 2) Abbremsung durch Gebäude und Reduktion der mittleren Windgeschwindigkeit 3) Eigene Zirkulationen und Windsysteme → Flurwind • Energie: 1) Strahlungsfalle 2) Differenzielle Abschattung 3) Reduzierte Evaporation und Transpiration 4) Anthropogener Wärmefluss

Skalen: Fassade → Stadtelemente (Gebäude) → Blocks und Straßen Canyon → Nachbarschaften bzw. Local Climate Zones → Stadt

• Beobachtung: -über Sensoren in der städtischen Atmosphäre (in situ) (Wetterhütte, mobile Messtationen, in der Luft etc.) -Fernerkundung (Sensoren, Kameras, Satelliten) -Vorteil: nah an aktuellen Verhältnissen -Nachteil: sehr punktuelle Messung (räumlich und zeitlich wenig gut aufgelöst) • Modellierung: a) numerisch -digitale Rekonstruktion einer Stadt -Vorteil: Elemente können verschoben werden, Messung nicht nur punktuell -Nachteil: nur Annäherung an Realität, nicht alle Prozesse können gleichzeitig betrachtet werden b) physikalisch -Stadtmodelle werden nachgebaut

Erinnerung: Phasenübergänge und Energie -wenn Wasser verfügbar ist, erfolgt ein Großteil des Energietransports über latenten Wärmestrom (QE) →Verdunstung von Wasser verbraucht viel Energie

Im „Umland“ fehlt der anthropogene Wärmefluss (QF)

Oberfläche ist nicht fest definiert (viele einzelne Oberflächen mit eigener Energiebilanz) → anstatt einzelnen Flächen werden Volumina betrachtet • Veränderung der Energiebilanz: -es kommt seitlicher Energiefluss hinzu (Advektion ΔQA rein - raus) -Bodenwärmestrom (QG) wird zu ΔQS (Wärme nicht nur in Boden, sondern auch in Gebäude) -anthropogener Wärmestrom QF kommt hinzu

Beispiele im Tagesgang: -sensibler Wärmestrom (QH) variiert im Vergleich zum latenten Wärmestrom (QE) → in Städten weniger starker Energieaustausch über latente Wärme (→ geringere Wasserverfügbarkeit→ Versiegelung, unterirdischer Abfluss) -Speicherterm ΔQS hat tagsüber hohen Energiegehalt und verliert nachts viel • Beispiele Asphalt und feuchtes Gras im Tagesgang: -feuchtes Gras: Großteil der Energie im latenten Wärmestrom und weniger in sensiblen → Luft über der Fläche erwärmt sich deutlich weniger erwärmt -Asphalt mit sehr hohem sensiblen Wärmestrom und hohem Speicherterm

1) Q* -Kurzwellige Einstrahlung K↓ durch Trübung der Atmosphäre verändert -kurzwellige Ausstrahlung K↑ durch Materialeigenschaften der Stadt (Albedo) -langwellige Ausstrahlung L↑ durch Oberflächentemperaturen -Gegenstrahlung durch städtische Atmosphäre → bedingt durch Geometrie der Bebauung (z.B. Beschattung in engen Gassen) • Skyview-Factor: Anteil des Himmels der sichtbar ist → und Materialeigenschaften (z.B. helle Dächer) • Städtische Elemente mit großen Unterschieden

2) Urbane Energiebilanz (UEB) a) Latenter Wärmefluss (QE) -je mehr Vegetation, desto mehr Energie wird anteilig in QE umgesetzt b) Anthropogener Wärmestrom (QF) -viel größer als überall sonst -je dichter bebaut, desto höher -größerer Einfluss, wenn Sonneneinstrahlung klein ist -je größer, desto dichter die Bevölkerung -variiert je nach Klimazone und Jahreszeit

Städte sind fast immer wärmer als ihre Umgebung = Wärmeinsel • Beispiel für unbeabsichtigte Klimaänderung durch Menschen -z.B. frühere Pflanzenblüte und niedrigere Heizkosten

1) Subsurface Wärmeinsel UHISub (Unterflur Heat Island) -Überwärmung des städtischen Untergrundes gegenüber dem Umland 2) Oberflächen Wärmeinsel UHISurf→ SUHI -Unterschiede in der Oberflächentemperatur 3) Atmosphärische Wärmeinseln a) Canopy Layer Heat Island UHIUCL (Stadthindernisschicht) → CLHI b) Boundary Layer Heat Island UHIUBL (Stadtgrenzschichtwärmeinsel)

1) Tagesgang • tagsüber kleine UHI (oder sogar negativ) • abends reduzierte Abkühlung in der Stadt (Speicher, reduzierte Ausstrahlung) • nachts vor Sonnenaufgang: starke UHI • morgens: langsamere Erwärmung der Stadt (Material, Speicher) • bei Sonnenaufgang erwärmt sich Umland schneller als Stadt, da Stadt noch viel Wärme gespeichert hat welche in Speicherterm übergeht • mittags sind T Umland und T Stadt gleich oder Umland ist wärmer → keine Differenz → keine UHI • abends/kurz vor Sonnenuntergang: Umland kühlt sich schneller ab als Stadt → Differenz → UHI → Energie in städtischen Materialien wird wieder freigegeben → langwellige Ausstrahlung reduziert durch Geometrie der Straßenschluchten (wird so viel von den Wänden reflektiert, dass nur wenig Strahlung die Gasse verlässt)

2) Jahresgang • Strahlungsantrieb (Einstrahlung, Tageslänge) • Vegetationsperiode → Bowen Ratio (QH/QE) • Geringer Einfluss des anthropogenen Wärmestroms QF (in unseren Breiten maximal im Winter) • Wetter: Wind, Wolken, Niederschlag, (Bodenfeuchte) • Maximale Temperaturen tagsüber → geringer Jahresgang • Minimale Temperaturen nachts → stärkere Amplitude und stärkerer Jahresgang → im Sommer stärker, da mehr kurzwellige Einstrahlung, mehr Energie, stärkere Temperaturunterschiede

3) Thermoisoplethen • Tagsüber kaum und nachts stärker • Im Sommer stärker als im Winter

• Bei wenig Wolken und Wind am stärksten ausgeprägt

a)

Wolken: in der Stadt geringere Ausstrahlung → wenig Wolken → geringere nächtliche Gegenstrahlung -Bsp.: bei hohen Cirrus-Wolken geringe langwellige Gegenstrahlung → CLUHI ausgeprägt

b) Wind: lässt Wärmeinsel Verdriften, mehr Durchmischung

Verbaute Materialien • Vergrößerte Oberfläche (Faltung) → erhöhter Wärmestrom in Baukörper

• Definition: regions of uniform surface cover, structure, material and human activity that span hundreds of meters to

several kilometers in horizontal scale

• Ohne kulturelle Besonderheiten

• Viele Charakteristika (Geometrie, Wärme, Strahlung, Aerodynamik, …)

• UHI kann zwischen LCZ definiert werden und nicht nur zwischen Stadt und Land