Die Stadt im Klimasystem – ein holistischer Ansatz

Die überwiegende Mehrheit der Menschheit lebt in Städten. Daher ist eine nachhaltige und gegen den Klimawandel resiliente Planung und Führung von Städten notwendig. Das IMK-IFU untersucht hierzu die Problemfelder Überwärmung von Städten (städtische Wärmeinsel), die Luftqualität in Städten (Feinstaub, Stickoxide, Ozon), das Sturzflutrisiko und die Wechselwirkung des Systems Stadt mit seiner regionalen und globalen atmosphärischen und biologischen Umgebung.

Zusammen mit Partnern auf nationaler und internationaler Ebene wird ein innovatives holistisches Modellierungs- und Beobachtungskonzept genutzt, das die verschiedenen Forschungsfelder in einer bisher nicht erreichten räumlichen und zeitlichen Auflösung adressiert. Eine besondere Herausforderung stellen dabei die hohe Dynamik der Städte, das große Spektrum unterschiedlicher Raum- und Zeitskalen und das dabei anfallende erhebliche und sehr inhomogene Datenmaterial dar.

Fallmann, J., S. Emeis, 2020: How to Bring Urban and Global Climate Studies together with Urban Planning and Architecture? Devel. Built Environ., 4, 100023. DOI: 10.1016/j.dibe.2020.100023

Widerstrebende Ziele: sind kühlere Städte sauberere Städte?

Die städtische Wärmeinsel trägt über das von ihr angeregte regionale Zirkulationssystem (aufsteigende warme Luft über der Stadt und nachströmende kühlere Luft aus dem Umland) zur Verbesserung der Luftqualität bei.

Eine Kühlung von Städten durch mehr Grün und/oder Wasser muss daher mit einer Verringerung der Emissionen aus Verbrennungsvorgängen in der Stadt einhergehen.

Ebenso muss eine Kühlung durch Verwendung hellerer Oberflächenmaterialien (weiße Dächer) mit einer Reduktion der Emissionen chemischer Vorgängerstoffe für Ozon (Stickoxide, anthropogene und biogene FCKW (z. B. Isopren von Platanen)) einhergehen.

Das Wechselspiel zwischen Thermik, Dynamik und Luftchemie muss genau untersucht werden, bevor einzelne Vermeidungsmaßnahmen gegen die gängigen urbanen Probleme vorgeschlagen und umgesetzt werden.

Für die Untersuchung dieses Wechselspiels kommt das derzeit in Erstellung befindliche nationale numerische Stadtklimamodell PALM-4U zum Einsatz. Das IMK-IFU arbeitet an der Erweiterung (z. B. Luftchemie) und Validierung (mit Messdaten aus großen Städten) dieses Modells entscheidend mit und wendet es auf urbane Problemfelder an.

Für die Modellierung der Luftqualität in Städten wird die tatsächliche Strömung der Luft in einem numerischen Gitter gegliedert. Der Transport zwischen benachbarten Gitterzellen wird durch partielle Differenzialgleichungen berechnet, und die chemischen Reaktionen in jeder einzelnen Gitterzelle werden durch die numerische Umsetzung eines bestimmten chemischen Mechanismus simuliert.

Fernerkundungsverfahren sind heutzutage ein wesentliches Element in der Beobachtung der atmosphärischen Grenzschicht und damit auch der städtischen Grenzschicht. Nur sie ermöglichen mit vertretbarem Aufwand instantane vertikale Profilmessungen zur Beurteilung des Vertikalaufbaus der Grenzschicht und der vertikalen Austauschbedingungen für Luftschadstoffe. Insbesondere aktive Verfahren wie Rückstreulidare und Windlidare (letztere geben über eine Auswertung der Doppler-Verschiebung des rückgestreuten Signals Windprofile aus) bieten eine für die Stadtforschung hinreichende vertikale Auflösung der Daten. Fernerkundung kann auch ein Weg sein, Informationen aus sonst unzugänglichen Teilen der atmosphärischen Grenzschicht zu erhalten. Letztlich bieten scannende und längenmittelnde Verfahren räumlich integrierte Daten, die sich gut für Vergleiche mit numerischen Simulationsprodukten eignen.