Stadtklima im Wandel

Herausforderungen und Maßnahmen für das städtische Mikroklima

Der Klimawandel ist ein weltweites Problem, das sich in den Städten noch einmal deutlich von unbebauten Regionen unterscheidet: Die Wechselwirkungen zwischen gebauten Strukturen, den verwendeten Materialien und Verbrennungsprozessen sorgen für ein modifiziertes Mikroklima. Für den Klimaschutz und Anpassungen an die Veränderungen bedeutet diese Konstellation viele Herausforderungen.

Stadtklima: Problemfelder, Herausforderungen und Anpassungsmöglichkeiten

Stadtklima – was ist das?

Über die Besonderheiten in urbanen Regionen

Obwohl nur ein Bruchteil der gesamten Erdoberfläche von Städten bedeckt ist, haben diese ein eigenständiges Klima entwickelt, das sich in vielerlei Hinsicht von den Bedingungen unbebauter Gebiete unterscheidet. Deshalb befasst sich ein eigener Zweig der Klimatologie mit den damit verbundenen Besonderheiten.

Zu den Forschungsfeldern gehören

die Wechselwirkungen zwischen städtischen Gebieten und der Atmosphäre,
die gegenseitigen Effekte der mikroklimatischen Eigenheiten sowie
die räumlichen und zeitlichen Maßstäbe, in denen diese Prozesse ablaufen.

Mit Messungen und Modellierungen versuchen urbane Klimatologie und Umweltmeteorologie diese Phänomene zu quantifizieren. Auf dieser Basis wiederum können Vorhersagen getroffen und Handlungsempfehlungen erteilt werden, um städtische Räume klimaresilienter zu gestalten.

Eigenheiten des Stadtklimas

In den urbanen Regionen spielen verschiedene typische Merkmale eine Rolle. Das Augenscheinlichste ist die Bebauung, die sich in vielerlei Hinsicht auswirkt. Sie verändert Luftströme, schränkt die Verdunstung ein oder reflektiert die Sonneneinstrahlung stärker.

Zusammen mit den Eigenschaften der verwendeten Materialien im Städtebau und den Verbrennungsprozessen von Verkehr, Industrie, Gewerbe und anderen Quellen zählt die Bebauung daher zu den zentralen Einflussfaktoren des Stadtklimas (siehe Tabelle unten; Quelle: derarchitektbda.de). Hinsichtlich ihrer meteorologischen Merkmale zeichnet sich die Stadt dadurch aus, dass sie

ein Strömungshindernis ist,
über eine unregelmäßig erhöhte aerodynamische Oberflächenrauigkeit verfügt,
als Wärmeinsel wirkt und
eine erhebliche Emissionsquelle darstellt.

Weil die Bebauung in der Regel heterogen ist, entstehen innerhalb des Stadtklimas weitere Mikroklimazonen. Verantwortlich hierfür sind etwa Straßenschluchten, Innenhöfe, Parkanlagen und andere Strukturen.

Hochbauweise
zahlreiche vertikale Flächen mit unterschiedlicher Exposition
weitgehend versiegelter Untergrund

größere Flächen mit absorbierenden und emittierenden Eigenschaften für Strahlungsflüsse
mehrfache Reflexion von Sonnenstrahlung
Abschattungseffekte für die Umgebung
weniger vegetationsbedeckte und/oder offene Flächen
notwendige Wasserableitung in die Kanalisation
geringere Verdunstung
größere aerodynamische Oberflächenrauheit
erhöhte Turbulenz
Düseneffekte

Asphalt
Beton
Glas
Granit
Kies
Metalle
Ziegel

veränderte Reflexion der Sonneneinstrahlung
veränderte Abgabe der terrestrischen Strahlung
größere Wärmekapazität
größere Wärmeleitfähigkeit
wasserundurchlässig

Industrie
Gewerbe
Kraftwerke
Verkehr
Hausbrand (also der Einsatz von Brennstoffen zum Heizen gemeint)

Freisetzung von Wärme
Freisetzung von Wasserdampf
Verunreinigung der Luft
geringere Durchlässigkeit der Stadtatmosphäre für Sonneneinstrahlung
stärkere Aufnahme und Abgabe von langwelliger Strahlung in der Stadtatmosphäre

Stadt, Klima & die typischen Problemfelder

Auswirkungen und Probleme des urbanen Mikroklimas

Die oben beschriebenen Voraussetzungen für das städtische Klima wirken sich auf vielfältige Weise aus. Es entstehen typische Problemfelder, die vornehmlich mit den besonderen Baustrukturen, Materialeigenschaften und Verbrennungsprozessen zusammenhängen.

Die Herausforderung für die Stadtentwicklung und -planung besteht darin, dass sich die unterschiedlichen Effekte gegenseitig bedingen und verstärken. Das macht die Folgen umso gravierender. Denn diese betreffen nicht allein die klimatischen Bedingungen in den Städten, sondern haben zudem Auswirkungen auf die sozioökonomischen Voraussetzungen und auf die Gesundheit der Menschen.

Eine Anpassung der urbanen Strukturen an den Klimawandel ist daher nur möglich, wenn die häufigsten Problembereiche korrigiert werden

Problembereich: Wärmeinsel

Das wahrscheinlich bekannteste Problem, das im Zusammenhang mit dem städtischen Klimawandel auftritt, ist der Wärmeinsel-Effekt. Er entsteht durch das Zusammenwirken verschiedener Faktoren. Sie tragen unter anderem dazu bei, dass sich Stadtquartiere stärker aufwärmen als ländliche Regionen:

die baulichen Strukturen
die thermischen Eigenschaften der Baumaterialien
der stärkere Wärmefluss durch Verkehr und andere Wärmequellen
die geringere Verdunstung aufgrund der Oberflächenversiegelung und veränderte Windverhältnisse durch die Bebauung

Gleichzeitig verlangsamen sich Abkühlungsprozesse, weil die Bausubstanz – und zwar Gebäude wie Verkehrsinfrastruktur – die tagsüber absorbierte Wärme wieder an die Atmosphäre abgeben. Auf „Heiße Tage“ mit Temperaturen über 30 Grad Celsius folgen daher häufig sogenannte „Tropennächte“, in denen die Temperaturen nicht unter 20 Grad Celsius sinken. Hitzewellen, wolkenfreie Tage und wenig Wind verstärken den Wärmeinsel-Effekt.

Folgen:

Die zunehmende Hitzebelastung betrifft Menschen, Tiere und Pflanzen in den Städten. Über längere Perioden kann ein starker Wärmeinsel-Effekt erhebliche gesundheitliche Risiken bedeuten, insgesamt steigen durch Temperaturextreme die Mortalität und die Morbidität deutlich. Städtische Grünanlagen lassen sich vor allem in den Sommermonaten oft nur mit großem Aufwand erhalten. Dies wirkt sich zusätzlich negativ aus, weil das Stadtgrün seine kühlende Funktion nicht voll entfalten kann.

Problembereich: Windfeld

Die Bezeichnung des städtischen Windfeldes ist insofern irreführend, weil das Problem hauptsächlich darin besteht, dass kein oder zu wenig Wind für eine Durchlüftung sorgt. Die baulichen Strukturen verhindern vielfach die notwendigen Frischluftschneisen (oder Ventilationsbahnen), die den Abtransport von warmer Luft und Schadstoffen gewährleisten könnten. Vor allem in dicht bebauten Bereichen steigen daher Lufttemperatur und Schadstoffbelastung erheblich an.

Obwohl Grünanlagen ansonsten einen wichtigen Beitrag zur Lufthygiene und Abkühlung der Umgebungsluft leisten, erweist sich hohe und dichte Vegetation mitunter als Nachteil. Baumkronen mit dichtem Laub wirken dann eher wie ein Schirm, der die aufgewärmte Luft und schädliche Emissionen sammelt.

Folgen:

Städtische Windfelder stehen in engem Zusammenhang mit Wärmeinseln, die Effekte sind wechselseitig. Entsprechend ähneln sich die Folgen: Zu der stärkeren thermischen Belastung durch hohe Temperaturen, die nicht ausgeglichen werden, kommt eine hohe Schadstoffkonzentration.

Problembereich: Niederschlag

Die Schwierigkeiten mit Niederschlägen sind nicht ausschließlich den Besonderheiten des städtischen Klimas geschuldet. Hierbei spielen vielmehr klimatische Veränderungen auf höheren Ebenen eine Rolle. Das gilt in erster Linie für die steigende Zahl extremer Wetterereignisse. Starkregen mit Wassermengen von mehr als fünf Litern pro Quadratmeter in einem Zeitraum von fünf Minuten sind für die meisten städtischen Kanalisationssysteme eine große Belastung. Im Zusammenhang mit der starken Oberflächenversiegelung besteht die Gefahr, dass Regenwasser oberirdisch abläuft – und zumindest zeitweise für Überschwemmungen sorgt.

Ein anderes Problem liegt in fehlendem Niederschlag begründet. In anhaltenden Trockenperioden ist der städtische Wasserkreislauf betroffen, bis hin zu einer Gefährdung der Trinkwassergewinnung und -versorgung.

Folgen:

Die schwerwiegendsten Folgen von übermäßigem oder ausbleibendem Niederschlag haben wir bereits angesprochen. Während Starkregenereignisse zu Überflutungen mit großer Schadenswirkung führen können, bedeuten längere Zeiträume ohne Regen ein Risiko für
die Trinkwasserversorgung von Städten und dem städtischen Umland:

Überlaufendes Mischwasser erhöht das Risiko von Erosionsschäden, physischen Schäden und starken Verschmutzungen, zugleich ist mit hygienischen und gesundheitlichen Belastungen für die Menschen zu rechnen. Bei Trennkanalisationen ist diese Gefahr allerdings deutlich geringer.
Trockenperioden ohne Niederschlag führen zu Ablagerungen in den Kanälen, was wiederum eine geringere hydraulische Leistungsfähigkeit, Geruchsbelästigungen und Ungezieferbefall zur Folge haben kann. Darüber hinaus sinkt der lokale Grundwasserspiegel. Das hat nicht nur für die Wasserversorgungseinrichtungen Konsequenzen, sondern vor allem auch ökologische Folgen, die zunächst kleine Fließgewässer treffen.

Problembereich: Luftfeuchtigkeit & Luftqualität

Da der Anteil an Grün- und Wasserflächen in der Stadt geringer ausfällt als in nicht bebauten Regionen, sind die Voraussetzungen für eine ausreichende Luftfeuchtigkeit grundsätzlich schlechter. Das hat zur Folge, dass weniger Verdunstung stattfindet und die Luft somit in einem geringeren Umfang abkühlt. Höhere Konzentrationen von Luftfeuchtigkeit sind im städtischen Umfeld nur unter bestimmten Bedingungen möglich (höhere Temperaturen in der Bebauung, die zu einem verzögerten Tauabsatz führen) und damit Ausnahmen.

Die Luftqualität wird durch die große Zahl an Emissionsquellen von gas- und partikelförmigen Stoffen beeinträchtigt: Verkehr, Industrie und auch Hausbrand sind die Hauptursachen für die Belastung der Luft mit Schadstoffen. Das Windfeld-Problem verstärkt diesen Aspekt.

Folgen:

Trockene, schadstoffreiche Luft ist in erster Linie ein Gesundheitsrisiko für die Menschen. Feinstaub, Stickstoffdioxid sowie erhöhte Ozonwerte können unterschiedliche Beschwerden und Erkrankungen hervorrufen. Diese reichen von einer verminderten Lungenfunktion über Atemwegsbeschwerden und -entzündungen bis hin zu Asthma, Allergien und Herz-Kreislauferkrankungen. Besonders problematisch ist Feinstaub, weil dieser selbst in geringen Konzentrationen gesundheitsschädigend wirkt.

Stadtklimatologie: Den Wandel besser verstehen

Wissenschaftliche Methoden zur Identifikation von Problemgebieten

Um die komplexen Wechselwirkungen von Ursachen und Effekten des städtischen Klimawandels besser verstehen zu können, greift die Stadtklimatologie auf diverse Mess- und Modellierungsmethoden zurück. Damit lassen sich Problemgebiete anhand ortsbezogener Daten identifizieren.

Diese Daten bilden wiederum die Grundlage, um einerseits den aktuellen Zustand präzise zu erfassen und andererseits zukünftige Folgen abzuschätzen. Anhand der Analysen können entsprechende Klimaanpassungsmaßnahmen geplant werden.

Neben kleinmaßstäbigen Untersuchungen – das gilt sowohl für den zeitlichen als auch den räumlichen Umfang – fließen dabei großmaßstäbige Erhebungen ein. Diese werden auf regionaler und kommunaler Ebene durchgeführt.

Wissenschaftliche Annäherung an das Stadtklima

Die Analysen greifen prinzipiell auf drei Säulen zurück. Die erste besteht aus bereits vorhandenen Untersuchungen, deren Datenmaterial für den eigenen Untersuchungsgegenstand herangezogen werden.

Die zweite Säule ist die Datenerhebung vor Ort. Sie liefert detaillierte Informationen und Messwerte mit direktem Ortsbezug. Zudem besteht damit die Möglichkeit, den Zustand in größeren zeitlichen und räumlichen Dimensionen zu erfassen. Die Daten werden mit Hilfe verschiedener Messmethoden gewonnen:

Stationäre Messungen mit Klimastationen sind bestens geeignet für fortlaufende Datenerhebungen. Mit ihnen lassen sich außerdem zeitliche Veränderungen im Mikroklima abbilden.
Mobile Messungen schließen mögliche Lücken zwischen stationären Messeinrichtungen. Sie werden vor allem bei Wetterlagen mit schwachen Winden und starker Strahlung genutzt.

Ballons, Drohnen, ähnliche Fluggeräte oder Messvorrichtungen an Türmen ermöglichen Vertikalsondierungen. Auf diese Weise können die Zusammenhänge zwischen meteorologischen Prozessen und deren Abhängigkeit vom Abstand zum Erdboden nachvollzogen werden.
Trace-Experimente nutzen luftfremde Spurenstoffe, die sich optisch oder chemisch nachweisen lassen. Damit werden Schwachwindströmungen sichtbar gemacht.
Bei Fernerkundungsverfahren kommt meist Infrarot-Thermografie zum Einsatz. Sie hilft dabei, entweder vom Boden, aus Flugzeugen oder mit Satelliten die Oberflächentemperaturen zu bestimmen.
Indirekte Möglichkeiten, um lokale Unterschiede des Klimas einzuordnen, sind Bioindikatoren und die Phänologie, die sich mit periodisch wiederkehrenden (biologischen) Prozessen im Jahresverlauf befasst.

Als dritte Säule verwendet die Stadtklimatologie physikalische oder numerische Modellsimulationen. Sie sind in der Regel kostengünstiger als Messungen im Gelände, durch die notwendigen Vereinfachungen bei den Eingabegrößen ergibt sich allerdings ein weniger präzises Gesamtbild. Um Prognosen für verschiedene Szenarien zu entwickeln, sind die Modelle dennoch sehr wichtig – und bei einer umfassenden Datenbasis auch aussagekräftig.

Stadtklimamodelle für die Praxis

Die Bedeutung von Modellen für das Verständnis von stadtklimatischen Bedingungen und davon ausgehend für konkrete Anpassungsmaßnahmen ist einer der Gründe, warum das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Fördermaßnahme „Stadtklima im Wandel – Urban Climate Under Change [UC]2“ ins Leben gerufen hat.

Das nach Modulen gestaffelte Projekt hat das Ziel, die Grundlagen für fundierte Modelle zu entwickeln, die eine räumliche Auflösung von Gebäuden, Straßenschluchten und -bäumen erlauben. Damit diese Modelle in der Praxis selbst bei unzureichenden Fachkenntnissen oder technischen Voraussetzungen zielführend genutzt werden können, ist eine Übertragung der Analysen in eine benutzerfreundliche grafische Oberfläche (PALM-4U) vorgesehen.

Anwender in Kommunen und Planungsbüros sollen mit dem Stadtklimamodell einfacher von den Simulationen zu konkreten praktischen Beispielen gelangen – und leichter Entscheidungen für sinnvolle Anpassungen im Rahmen der Stadtentwicklung treffen können. Das Projekt startete im Mai 2019 und ist insgesamt auf eine Laufzeit von drei Jahren ausgelegt.

Anpassungen für klimawandelgerechte Städte

Stadtentwicklung und Klimawandel – welche Maßnahmen helfen?

Die Modelle und Datenanalysen sollen eine fundierte Grundlage für die Stadtentwicklung liefern, damit Städte und Kommunen Maßnahmen zur Bewältigung der oben beschriebenen Herausforderungen ergreifen können. Dabei geht es nicht allein um bauliche Eingriffe, um die urbanen Strukturen besser an die klimatischen Belastungen anzupassen.

Neue Rahmenbedingungen für Klimaanpassungen

Vielmehr ist es für die Stadtplanung und -entwicklung wichtig, bereits auf der Ebene der Rahmenbedingungen (in der Verwaltung, bei den Finanzen, in sozialen Fragen) anzusetzen. Das bedeutet beispielsweise, dass Anpassungsstrategien bereits in die Bauleitplanung integriert werden. Dadurch können Regelungen für zentrale Bereiche festgelegt werden, zum Beispiel für:

die Steuerung von Infrastrukturstandorten,
die Ver- und Entsorgung von und in Siedlungen,
die Anpassung von Gebäuden,
die Förderung kompakter, klimaoptimierter Siedlungsstrukturen,
den Schutz und die Entwicklung von Grün-, Wasser- und Freiflächen sowie urbaner Begrünung,
die Förderung von Fuß-, Rad- und öffentlichem Personennahverkehr.

Auf dieser Grundlage lassen sich unterschiedliche Anpassungsstrategien entwickeln:

Flächenhafte Anpassungen umfassen unter anderem das Freihalten von Brachflächen, die Integration von Grün- und Retentionsflächen oder Entsiegelungsmaßnahmen.
Nutzungsbezogene Anpassungen betreffen Nutzungsrechte und beschränkungen, Zwischennutzungen und vor allem eine ausgewogene Nutzungsmischung.
Bauliche Anpassungen berücksichtigen die lokalklimatischen Bedingungen, etwa im Hinblick auf die Schattenwirkung von Gebäuden. Verschattungselemente im öffentlichen Raum zu schaffen, gehört ebenfalls in diesen Bereich.

Klimagerechter Stadtumbau: Synergien und Konflikte

Ein Expertisen-Papier aus dem Forschungsprogramm „Experimenteller Wohnungs- und Städtebau (ExWoSt)“ des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) verweist auf mögliche Synergien und Konflikte, die im Zusammenhang mit einem klimagerechten Stadtumbau relevant werden können.

Konfliktpotenzial sieht die Studie vor allem bei Finanzierungsfragen und dem Thema Rückbau. Auch Energie- und Wasserversorgung sind kritische Punkte:

Anpassungen der Infrastruktur und der Unterhalt von Grün- und Wasserflächen sind kostenintensiv. In schrumpfenden Städten und angesichts der stadtklimatischen Bedingungen entstehen daraus große finanzielle Belastungen für die öffentliche Hand.
Beim Rückbau des Gebäudebestands spielen stadttypische Aspekte eine Rolle, wie zum Beispiel die Suche nach Flächen für die Nachverdichtung und Nutzungskonflikte.

Demgegenüber stehen jedoch zahlreiche Synergieeffekte, die sich durch den klimagerechten Stadtumbau erzielen lassen:

Wohnortnahe Grün- und Freiflächen verbessern die mikroklimatischen Bedingungen, die Luftqualität und die Abkühlung im Quartier. Zugleich bieten sie Bewegungs-, Spiel- und Freizeitflächen. Das Konzept der Klimainseln zeigt zudem, dass Stadtgrün auch in kleinerem Maßstab positive Veränderungen bewirken kann.
Bei der Modernisierung oder Umnutzung von Bestandsgebäuden können Belange des klimagerechten Stadtumbaus mit den Erfordernissen des demografischen Wandels verbunden werden – Barrierefreiheit und Klimaanpassung lassen sich so in einem Arbeitsgang bündeln. Fassaden- und Dachbegrünungen haben nicht nur einen Effekt gegen die Hitzebelastung, sie bedeuten außerdem eine optische Aufwertung des öffentlichen Raums.

Viele mögliche Maßnahmen für die Anpassung an den Wandel des Stadtklimas kommen mehreren Bereichen zugute. Investitionen in einen entsprechenden Stadtumbau bedeuten daher gleichzeitig die Förderung von Infrastruktur, Gesundheit, Siedlungsflächenentwicklung, aber auch der Kinder-, Familien- und Seniorenfreundlichkeit.

Umfassende Ansätze für ein besseres Stadtklima

Anpassung in den Städten erfordert ganzheitliche Konzepte

Dass sich Anpassungsmaßnahmen an den (städtischen) Klimawandel auf mehrere Ebenen erstrecken, zeigen nicht zuletzt die Städte und Gemeinden, die beim Difu-Wettbewerb „Klimaaktive Kommune“ ausgezeichnet werden. Ressourcen- und Energieeffizienz, Mobilität, Bildung und Sensibilisierung – einzelne Maßnahmen für ein besseres Stadtklima müssen immer im Gesamtkontext betrachtet werden.

Diese Auffassung vertritt auch der Deutsche Städtetag. Die Planung der Anpassung in den Städten braucht einen ganzheitlichen Ansatz, der die Vielzahl der innerstädtischen Zusammenhänge und Wechselwirkungen berücksichtigt. Themen wie Gesundheit, Katastrophenschutz, Stadtbau, Mobilität, Stadtgrün, Wasser, Boden und Biodiversität sind alle von den Auswirkungen des Klimawandels betroffen. Es gilt deshalb, Maßnahmen aufeinander abzustimmen, um Synergien freizusetzen und resilientere Städte zu gestalten.

Quellen:

Matzarakis, Andreas: Das Stadtklima. Herausforderung heute und für die Zukunft
http://derarchitektbda.de/das-stadtklima/

Welge, Axel: Empfehlungen und Maßnahmen zu Klimaschutz und Klimaanpassung: Stadtklima im Zeichen des Wandels
https://www.rgre.de/fileadmin/user_upload/pdf/publikationen/ek_artikel_12-18/ek4-2013_Beitrag.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.umwelt.nrw.de/fileadmin/redaktion/Broschueren/handbuch_stadtklima_kurzfassung.pdf

Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS): Stadtklima. Kommunale Strategien und Potenziale zum Klimawandel (Expertisen)
https://www.bbsr.bund.de/BBSR/DE/veroeffentlichungen/exwost/39/exwost39_4.pdf?__blob=publicationFile&v=1

Umweltbundesamt: Luft. Wirkungen auf die Gesundheit
https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/wirkungen-von-luftschadstoffen/wirkungen-auf-die-gesundheit#aussenluft

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF): [UC]2 Urban Climate Under Change – Stadtklima im Wandel
http://www.uc2-program.org/index.php/
BMBF: Handbuch – PALM-4U für die Praxis
https://www.uc2-propolis.de/imperia/md/assets/propolis/images/7_190729_useuclim_handbuch_palm-4u_final.pdf

Fuchs, Petra: Stadtklimauntersuchungen in ausgewählten deutschen Städten
https://www.klima-warnsignale.uni-hamburg.de/wp-content/uploads/pdf/de/staedte/warnsignal_klima-die_staedte-kapitel-3_1.pdf

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