Stadtklima gestern, heute & morgen

Daten und Modelle zum Klimawandel in den Städten als Grundlage der Stadtplanung und -entwicklung

Klimaorientierte Stadtplanung und -entwicklung ist eine Notwendigkeit geworden, wollen die Städte mit den Folgen des Klimawandels zurechtkommen. Die jeweiligen lokalen Klimabedingungen stellen Stadtplaner vor ganz eigene Herausforderungen. Gelingen können Anpassungen nur auf einer soliden Datenbasis: Messungen, Simulationen und Modelle helfen daher bei der Suche nach urbaner Klimaresilienz.

Stadtklima: Von der Messung über das Modell zur Anpassung der Städte

Klimazeitstrahl: Den Klimawandel nachvollziehbar machen

Klimaentwicklung von der Vergangenheit bis in die Zukunft

Wie sah das Klima vor 250 Jahren aus und wie wird es in 100 Jahren sein? Zeiträume dieser Größenordnung lassen sich kaum erfassen. Mit dem Klimazeitstrahl haben Reiner Oberbeck und die Teachers for Future in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) eine Visualisierung der bisherigen Entwicklungen des Klimas und der möglichen Zukunftsszenarien geschaffen.

Blaue und rote Jahresstreifen auf dem Zeitstrahl markieren kühle und warme Jahre. Diese „warming stripes“ wurden von dem britischen Klimaforscher Ed Hawkins entwickelt. Anhand ihrer Farbskala zeigen sie die zunehmende Erderwärmung an.

Der Zeitstrahl bietet aber nicht nur Informationen zur globalen Durchschnittstemperatur, sondern bildet auch die historische Entwicklung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre ab. Diese zeigt, dass die Abstände zwischen weiteren Anstiegen der CO2-Konzentration immer kürzer werden.

Urbane Räume im Klimawandel

Um urbane Räume auf die Folgen des Klimawandels vorbereiten zu können, reichen allgemeingültige Informationen selbstverständlich nicht aus. Selbst die „Klimastatistiken für Deutschland“ sind nur ein grundlegender Anhaltspunkt dafür, wie sich etwa die mittlere Lufttemperatur im Laufe der vergangenen 130 Jahre verändert hat.

Urbane Räume stellen im Hinblick auf die Entwicklung des Klimas und die möglichen Folgen in vielerlei Hinsicht eine Besonderheit dar. Weil sie eine hohe Bebauungs- und Bewohnerdichte vorweisen und über komplexe Infrastruktur- und Versorgungssysteme verfügen, sind sie bei extremen Wetterereignissen besonders anfällig. Die Anpassung an den Klimawandel und an die spezifischen regionalen bzw. lokalen Ausprägungen ist für die Städte deshalb schon längst eine Notwendigkeit geworden, kühlende Klimainseln sind nur ein Beispiel für mögliche Maßnahmen.

Vorausschauende Stadtentwicklung erstreckt sich in der Regel auf Zeiträume von 10 bis maximal 40 Jahre in die Zukunft. Umso wichtiger sind deshalb verlässliche, datenbasierte Prognosen zur weiteren Entwicklung des Klimawandels.

Daten zum Klimawandel: Messungen & Analysen des Stadtklimas

Woher die Messdaten für die Stadtklimaforschung kommen

Der Klimazeitstrahl ist vor allem ein Mittel, um auf die Entwicklung des Klimas und die möglichen Folgen aufmerksam zu machen. Für eine klimaorientierte Stadtentwicklung braucht es weitaus mehr Daten. Diese werden zum Beispiel im Rahmen der Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel (DAS) der Bundesregierung seit 2009 erhoben.

Die erfassten Daten werden als Teil des Berichtswesens zur DAS in Monitoringberichten aufbereitet. Alle vier Jahre werden die Klimafolgen und die bisherigen Anpassungen zusammengefasst und dokumentiert. Beteiligt sind daran verschiedene Institutionen, von Bundes- und Landesbehörden über Universitäten bis zu Fachverbänden.

Zur Klimaentwicklung in Deutschland berichtet der DWD über die Veränderungen der wichtigsten Klimaparameter und greift dabei auf lange Zeitreihen zurück, die in Teilen bis 1881 zurückreichen. Auf Basis dieser Daten enthält der Monitoringbericht Prognosen zu den Entwicklungen von Temperatur und Niederschlag für einen kurzfristigen (2031-2060) und einen langfristigen (2071-2100) Planungshorizont.

Klimaüberwachung als Grundlage der Stadt- und Regionalplanung

Für die Stadt- und Regionalplanung braucht es genauere Datensätze als globale Klimasimulationen sie liefern können. Dennoch können die lokalen Gegebenheiten nicht losgelöst von den Wirkungszusammenhängen des gesamten Klimasystems betrachtet werden. Auf der globalen Ebene hat das Global Climate Observing System (GCOS) zusammen mit dem Weltklimarat (International Panel on Climate Change, kurz: IPCC) und dem Weltklimaforschungsprogramm WCRP (World Climate Research Programme) eine Auswahl an Klimavariablen vereinbart, um Aussagen über den Zustand von Atmosphäre, Ozeanen und Landoberflächen über längere Zeiträume zu dokumentieren.

Bei den sogenannten Essential Climate Variables (ECVs) handelt es sich um physikalische, chemische oder biologische Variablen. Außerdem versteht man darunter eine Gruppe miteinander verknüpfter Variablen. Sie alle werden dazu genutzt, um empirische Belege zu sammeln, mit denen sich die Entwicklung des Klimas besser verstehen und vorhersagen lässt.

Ausgehend von den Daten, die anhand der ECVs erhoben werden, lassen sich Maßnahmen zur Abschwächung von oder zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels ableiten. Sie sind außerdem die Grundlage für Risikobewertungen und die Zuordnung von Klimaereignissen an die Ursachen. Für die ECVs gelten verschiedene Identifikationsmerkmale:

• Relevanz: Ist die Variable maßgeblich für die Charakterisierung des Klimasystems und seiner Veränderungen?
• Machbarkeit: Ist die Beobachtung der Variable auf globaler Ebene mit technisch bewährten und wissenschaftlich erprobten Methoden möglich?
• Kosteneffizienz: Ist das Generieren und Archivieren von Daten zu den betreffenden Variablen mit vertretbaren Kosten verbunden? Koordinierte Beobachtungssysteme mit bewährter Technologie und historische Datensätze helfen in puncto Kosteneffizienz.

Um verlässliche Aussagen für die Stadt- und Regionalplanung machen zu können, müssen die globalen Beobachtungen und Emissionsszenarien allerdings „verfeinert“ werden. Die globalen Klimasimulationen des IPCC stellen dabei nur die Grundlage für regionale Klimamodelle dar, die von verschiedenen Forschungsgruppen beobachtet und dokumentiert werden. Der Deutsche Wetterdienst wiederum nutzt die Simulationen des Regionalklimas, um mit eigenen Modellen Veränderungen des Stadtklimas zu berechnen.

Wie wird das Stadtklima beobachtet?

Die Anpassung von Städten an die Folgen des Klimawandels kann nur dann gelingen, wenn eine ausreichend solide und umfassende Datenbasis vorhanden ist. Für die Planung sind Daten über das vergangene und aktuelle Stadtklima erforderlich. Um dazu die notwendigen Informationen zu erhalten, greift der DWD auf spezielle städtische Messstationen zurück. Gleichzeitig kommen sogenannte Stadt-Umland-Stationsmesspaare zum Einsatz, um den Vergleich zwischen urbanem Klima und dem unbebauten Umland ziehen zu können. Die Klimamessungen werden mit unterschiedlichen Methoden erhoben.

Mobile Messeinheiten	Das Bodenmessnetz des DWD bietet nicht für alle stadtklimatologischen Fragestellungen die geeigneten Informationen. Mobile Messeinheiten liefern in solchen Fällen die erforderlichen Messungen auf einer mikroskaligen Ebene, mit der sich die stadtklimatischen Eigenheiten auch räumlich besser abbilden lassen. Profilmessfahrten mit mobilen, temporären Wetterstationen können direkt vor Ort eingesetzt werden. Anhand ihrer Messungen sind Temperatur- und Feuchteverteilung im betreffenden Untersuchungsgebiet sehr detailliert erfassbar. Weitere Möglichkeiten bieten Wetterballons mit Radiosonden sowie Doppler-LIDAR-Systeme, mit denen ergänzend die vertikalen Wind- und Temperaturverhältnisse gemessen werden können. Mit Hilfe von mobilen Messeinheiten werden wertvolle lokale Messdaten für die Stadtplanung verfügbar gemacht. Es lassen sich auf diese Weise beispielsweise „Hotspots“ mit sehr hohen Lufttemperaturen identifizieren, Frischluftschneisen nachweisen oder positive klimatische Auswirkungen von städtischen Grünanlagen aufzeigen.
Satellitendaten	Für die Klima- und Stadtklimamodellierung greift der DWD zunehmend auf die Messdaten von speziellen Klimasatelliten zurück. Hierzu gehört die von der Europäischen Weltraumorganisation ESA verwendete Copernicus Satelliten-Generation. Satelliten wie der Sentinel-3 umkreisen die Erde und messen mit einem Radiometer die Temperatur von Ozeanen und Landoberflächen. Die räumliche Auflösung liegt dabei zwischen 500 m und 1 km. Dadurch lassen sich auch die Oberflächentemperaturen in Städten erfassen. Solche Messungen per Satellit dienen damit der Überwachung des lokalen Klimas. Die Daten erlauben gleichzeitig Rückschlüsse über den Einfluss, den die Landbedeckung auf das Klima hat.
Radardaten	Daten für die niederschlagsbasierte stadtklimatologische Auswertung erhält der DWD über seinen Radarverbund. Um Niederschlagsmengen berechnen zu können, werden die gemessenen Radarechos mit den lokalen Messungen von Bodenstationen abgeglichen. Dieser Abgleich erfolgt mit Hilfe der Radar-Online-Aneichung RADOLAN: Das Verfahren liefert flächendeckende, räumlich und zeitlich hoch aufgelöste quantitative Niederschlagsdaten für Deutschland – und das im Echtzeitbetrieb. Das Verfahren verbindet die stündliche Niederschlagserfassung der Bodenstationen mit den Messwerten von 17 Wetterradaren. Anhand der Daten können nicht nur Klimaveränderungen beobachtet werden, sie dienen zugleich der Analyse des Starkregengeschehens und des damit verbundenen Schadenpotenzials.

Lokalklimamodelle & Klimadienste für die Stadtplanung

Wie Daten zur Stadtklimaentwicklung dabei helfen, klimaresiliente Städte zu planen

Um auf Ebene der Stadtplanung und -entwicklung die geeigneten Maßnahmen ergreifen zu können, sind Stadtklimaanalysen unerlässlich. Denn solche Auswertungen bieten wichtige Anhaltspunkte, indem sie beispielsweise

• die thermischen Belastungen von Siedlungsbereichen und Baustrukturen abbilden,
• Potenziale für eine Nachverdichtung aufzeigen,
• Ausgleichs- und Belastungsräume identifizieren,
• Entstehungs- und Abflussgebiete für Kaltluft analysieren,
• die Richtung, Stärke und Geschwindigkeit von Kaltluftströmen simulieren oder
• Tages- und Nachttemperaturen simulieren.

Klimamodelle sind somit die Grundlage für wichtige Entscheidungen für die zukünftige Gestaltung von Städten, um sie besser vor den Folgen des Klimawandels zu schützen. Aus den gesammelten Daten können konkrete Maßnahmen abgeleitet werden. Der DWD stellt dazu eine Reihe von Produkten und Diensten bereit. Wir stellen eine kleine Auswahl vor.

Modelle und Klimadienste des Deutschen Wetterdienstes (DWD) für das Stadtklima
Klimadienste des DWD (Auswahl)
Stadtklimamessungen – Städtische Wärmeinsel	Mit den Stadtklimastationen eines Bodenmessnetzes erfasst der DWD insbesondere das Stadtklima und damit zum Beispiel die Auswirkungen von städtischen Wärmeinseln. Durch die Messungen können Klimaveränderungen in der Stadt und im Umland besser verstanden und verglichen werden. Auf Basis der Daten lassen sich die im Rahmen der Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel geforderten Maßnahmen langfristig überwachen. Der DWD stellt die Messergebnisse für die Lufttemperatur, die städtische Wärmeinsel und die thermische Belastung immer für den Zeitraum der vergangenen 60 Tage bereit. – Stadtklimamessungen
Deutscher Klimaatlas	Der Deutsche Klimaatlas enthält verschiedene Szenarien zur möglichen weiteren Entwicklung des Klimas. Dazu werden frühere und aktuelle Entwicklungen dargestellt. Auf diese Weise lässt sich nachvollziehen, wie sich die mittleren Werte verschiedener Wetterelemente in Deutschland verändert haben. Gleichzeitig sind damit Prognosen für zukünftige Entwicklungen möglich. Der Klimaatlas bietet: Darstellungen des zeitlichen Verlaufs über einen Zeitraum von meist mehr als 200 Jahren, um Trends und die Schwankungsbreite des Klimas zu erkennen Abbildungen der Rechenergebnisse von bis zu 21 Klimamodellen, um die Spannweite von Klimasimulationen abzubilden Karten zum Verdeutlichen von regionalen Unterschieden in Deutschland – Deutscher Klimaatlas
Klimadaten Deutschland	Die Klimadaten umfassen die Monats- und Tageswerte von 76 ausgewählten Messstationen in ganz Deutschland. Sie lassen sich in unterschiedlichen Intervallen darstellen. Verfügbar sind Tageswerte zu den wichtigsten Parametern für die vergangenen ca. 310 Tage oder Monatswerte der wichtigsten Parameter von den vergangenen 10 Monaten. Anders als die historischen Daten, haben die aktuellen jedoch die routinemäßige Qualitätskontrolle noch nicht vollständig durchlaufen. – Klimadaten Deutschland
Climate Data Center (CDC)	In seinem Climate Data Center (CDC) stellt der Deutsche Wetterdienst entgeltfrei die Messwerte seiner Stadtklima- und Umlandstationen zum Download im Open-Data-Bereich bereit. Die Daten umfassen aktuelle Stundenwerte der Klimastationen, der Stadtklimastationen sowie der vorläufigen Stadtklimastationen. – Climate Data Center
Monatlicher Klimastatus Deutschland	Der Monatliche Klimastatus Deutschland gibt einen deutschlandweiten Rückblick auf das Wetter des zurückliegenden Monats. Dies umfasst neben klimatologischen Einordnungen einen Ausblick auf den folgenden Monat. Dazu sind Datentabellen verfügbar, die die Online-Publikation ergänzen. Sie beinhalten unter anderem die Monatswerte von 120 Stationen zu wichtigen Parametern wie Temperatur, Niederschlag, Sonne und Wind, agrarmeteorologische Werte, Monatswerte zum Stadtklima von acht Stationspaaren für Stadt und Umland sowie Tageswerte zu Schneehöhen und Windspitzen. – Monatlicher Klimastatus Deutschland
Lokalklimamodelle des DWD (Auswahl)
Kaltluftabflussmodell KLAM_21	Bei KLAM_21 handelt es sich um ein vom DWD entwickeltes zweidimensionales, mathematisch-physikalisches Simulationsmodell, mit dessen Hilfe Kaltluftflüsse in orografisch (also uneben) gegliedertem Gelände berechnet werden können. Die Daten helfen bei der Standort-, Stadt- und Regionalplanung: KLAM_21 ermöglicht den Vergleich von Ist- und Planungszuständen mit Hilfe von Differenzkarten oder zeitlichen Animationen für die Kaltlufthöhe, die Fließgeschwindigkeit oder Volumenluftströme. – KLAM_21
Strömungsmodell MUKLIMO_3	Mit dem dreidimensionalen mikroskaligen urbanen Klimamodell MUKLIMO_3 können Strömungsverhältnisse und Ausbreitungen von Luftbeimengungen in einem lokalen Bereich untersucht werden. So lassen sich beispielsweise stationäre Wind- und Konzentrationsfelder berechnen, die im Bereich von Bebauungsplänen wichtig sind. Das Klimasimulationsmodell ist für Verwaltungsaufgaben bei Bund, Ländern und Kommunen entgeltfrei nutzbar. – Strömungsmodell MUKLIMO_3
Stadtklimamodell MUKLIMO_3	In der Thermodynamikversion liefert MUKLIMO_3 diverse Möglichkeiten, um klimatische Auswirkungen durch Flächennutzungsänderungen zu untersuchen oder um Klimaanalysen für ganze Städte durchzuführen. Die räumliche Auflösung liegt zwischen 20 x 20 m2 und 100 x 100 m2 für die Erzeugung dreidimensionaler Wind-, Lufttemperatur- und Luftfeuchtefelder. Bebauungsstrukturen lassen sich detailliert mit mindestens 13 verschiedenen Klassen beschreiben. Berücksichtigt werden dabei der Gebäudegrundflächenanteil, die Gebäudehöhe sowie Versiegelungs- und Grünflächenanteile von nicht bebauten Flächen zwischen Gebäuden. Unbebaute Flächen können nach verschiedenen Landnutzungsklassen (Wald, Park, Freiflächen etc.) unterschieden werden. Diese Version von MUKLIMO_3 ist vornehmlich entwickelt worden, um Wettersituationen ohne Niederschlag zu simulieren. – Stadtklimamodell MUKLIMO_3
Stadtklimamodell PALM-4U	Das Stadtklimamodell PALM-4U befindet sich aktuell noch in der Entwicklung. Es soll als hochauflösendes Modell fachübergreifende Analysen erlauben, um Stadtklima und die Luftreinhaltung zu bewerten. Weitere Einsatzbereiche sind Wolkenphysik, Windenergie und Gebirgsmeteorologie. Die verschiedenen Modellkomponenten sollen es möglichen machen, atmosphärische Prozesse gebäudeauflösend zu simulieren – und zwar für Städte bis zu einer Größe von Berlin. – Stadtklimamodell PALM-4U

Klimaorientierte Stadtplanung: Anpassung an den Klimawandel

Handlungsfelder der klimaorientierten Stadtentwicklung

Klimaorientierte Stadtplanung: Anpassung an den Klimawandel
Handlungsfelder der klimaorientierten Stadtentwicklung
Je nach Fokus lassen sich für die klimaorientierte Stadtentwicklung und -planung verschiedene Handlungsfelder und entsprechende Anpassungsmaßnahmen aus den gesammelten Daten aus der Klimabeobachtung ableiten. Das Umweltbundesamt (UBA) etwa hat in seinem Abschlussbericht zu diesem Thema den Schwerpunkt auf „Treibhausgasminderungspotenziale in synergetischen Handlungsfeldern“ gelegt.

Darunter fallen laut UBA:

• nachhaltiges Bauen,
• urbane Transportsysteme und
• Nachverdichtung.

Der Deutsche Städtetag wiederum greift in seinen Hinweisen und Anregungen für die Klimaanpassung in den Städten einige Bereiche mehr auf, nämlich:

• Gesundheit,
• Katastrophenschutz,
• Stadtplanung,
• Städtebau,
• Stadtgrün,
• Mobilität und Verkehr,
• Wasser,
• Boden sowie
• Biotop- und Artenschutz.

Hilfen für die Anpassung der Städte

Der DWD bietet neben den zahlreichen anderen Klimadiensten auch das Informationsportal KlimaAnpassung in Städten (INKAS) an. Das Tool dient zur Beratung in der Stadt- und Regionalplanung, indem es Analysen und Vergleiche zu den möglichen Auswirkungen von städtebaulichen Maßnahmen zur Minderung der städtischen Überwärmung erlaubt. Wirkungs- und Flächenanalysen sollen dabei helfen, geeignete Maßnahmen zur Anpassung gegen sommerliche Hitzebelastung zu finden.

Weitere Methoden und Werkzeuge für Klimaanalyse und -anpassung bieten die Bundesländer, etwa das bayerische Umweltministerium mit seiner Initiative Stadt.Klima.Natur oder das nordrhein-westfälische Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz mit seinem Handbuch Stadtklima. Dazu entstehen im Rahmen der universitären Forschung immer wieder neue hilfreiche Tools, wie das Online-Tool „City Tree“ der Technischen Universität München. Kommunen können es nutzen, um Baumbestände an Klimaveränderungen anzupassen.

Die Daten, Werkzeuge und Konzepte für die Klimaanpassung der Städte sind also in vielfältiger Form vorhanden.

Quellen:
Deutscher Wetterdienst (DWD): Klimadatenerhebung
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimaueberwachung/klimadatenerhebung/klimadatenerhebung_node.html

DWD: Urbane Räume im Klimawandel
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimaforschung/klimawirk/stadtpl/home_node_stadtplanung.html;jsessionid=52D9D088E63796ACB9755274F43657BD.live31091

DWD: Messung des Stadtklimas
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimaforschung/klimawirk/stadtpl/messung_stadtklima/messung_stadtklima_node.html#doc799792bodyText3

DWD: Die Copernicus-Dienste Klimawandel und Atmosphärenüberwachung. Überblick über Daten und Produkte
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimaforschung/klimawirk/stadtpl/stadtklimaprojekte/projekt_fpcup_illdemdis/Downloads/broschuere_copernicus.pdf?__blob=publicationFile&v=3

DWD: Analysen radarbasierter stündlicher (RW) und täglicher (SF) Niederschlagshöhen
https://www.dwd.de/DE/leistungen/radolan/radolan.html

DWD: Klimazeitstrahl
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimawandel/zeitstrahl_node.html

DWD: INKAS – Informationsportal KlimaAnpassung in Städten
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimaforschung/klimawirk/stadtpl/inkas/inkas_start.html?nn=652952

Deutscher Städtetag: Anpassung an den Klimawandel in den Städten. Forderungen, Hinweise und Anregungen
https://www.staedtetag.de/files/dst/docs/Publikationen/Weitere-Publikationen/2019/klimafolgenanpassung-staedte-handreichung-2019.pdf

Umweltbundesamt: Klimaorientierte Stadtentwicklung. Treibhausgasminderungspotenziale in synergetischen Handlungsfeldern (Abschlussbericht)
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/11850/publikationen/20_2024_cc_klimaorientierte_stadtentwicklung.pdf

Umweltbundesamt: Monitoringbericht 2023 zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/das-monitoringbericht_2023_bf_korr.pdf

Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen: Handbuch Stadtklima. Maßnahmen und Handlungskonzepte für Städte und Ballungsräume zur Anpassung an den Klimawandel
https://www.lanuv.nrw.de/fileadmin/lanuv/klimaanpassung/dokumente/handbuch_stadtklima.pdf

Stadt.Klima.Natur: Datengrundlagen
https://www.stadtklimanatur.bayern.de/werkzeuge/datengrundlagen/index.html

Bilder:
Bild 1: Adobe Stock © Andreas Gruhl
Bild 2: Adobe Stock © Benjamin [‘O°] Zweig
Bild 3: Adobe Stock © Juergen
Bild 4: Adobe Stock © YURY MARYUNIN
Bild 5: Adobe Stock © Grand Warszawski
Bild 6: Adobe Stock © Great Brut Here
Bild 7: Adobe Stock © hallojulie