Klima in Städten

Basis

Wodurch wird das Stadtklima bestimmt?

Das Stadtklima wird durch das Zusammenwirken von natürlichen und menschlichen Faktoren bestimmt. Luftverschmutzung, in der Bebauung verwandte Materialien und die Freisetzung von Wärme aus menschlicher Aktivität bedingen zusammen mit natürlichen Faktoren ein Klima, das von dem der Umgebung abweicht.

Betrachten wir das Klima einer einzelnen Stadt, so ist es zunächst durch natürliche Faktoren bestimmt, sowohl großräumig gesehen (z.B. die geographische Breite) als auch regional gesehen (Landschaftstopographie, Lage zu Gewässern). Je größer die Stadt, umso mehr nehmen weitere Faktoren Einfluss und tragen zu einem speziellen Stadtklima bei.

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1. Faktoren, die das Stadtklima bestimmen
Autor: Sebastian Wypych

Vor allem im Stadtzentrum sind große Teile der Bodenoberfläche durch Straßen und Gebäude belegt. In der Regel führt dies zu einer Abdichtung (Versiegelung) mit wasserundurchlässigem Material wie Beton und Asphalt. Ein Teil des ursprünglichen oder naturähnlichen Bodentyps mag in Form von Wiesen oder Parks erhalten geblieben sein. Meist nehmen diese aber nur einen relativ kleinen Anteil des Stadtgebietes ein. Die Oberfläche der Stadt ist oft recht vielfältig aus einem Mosaik verschiedenster Materialien zusammengesetzt. Jedes Oberflächenmaterial hat seine eigene Albedo, die darüber bestimmt, wie viel des Sonnenlichtes zurückgeworfen (reflektiert) wird.
 

Weiterhin begünstigt die dreidimensionale Geometrie von Städten ein Einfangen der Strahlung am Erdboden. Die Abstrahlung langwelliger Wärmestrahlung ist reduziert. Während des Tages wird viel Energie gespeichert, die in der Nacht allmählich abgestrahlt wird. Der Prozess des Auskühlens erfolgt hierbei in der Stadt langsamer als im Umland.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der das Stadtklima mitbestimmt, ist die Luftverschmutzung. Sie verändert das Verhalten der Atmosphäre in der Stadt, senkt die Durchsichtigkeit der Luft und erhöht die Absorption (Lichtaufnahme). Hierdurch wird der Anteil der Sonnenstrahlung, der den Erdboden erreicht, niedriger. Die Luftverschmutzung setzt sich sowohl aus Gasen als auch aus Partikeln zusammen, die von Industrie, Verkehr und Heizsystemen ausgestoßen werden. Sehr oft ist das Stadtzentrum stärker verschmutzt als die Vororte. Aber dies hängt natürlich auch von der Ansiedlung von Industrien und Gewerbe ab. Im Tagesverlauf treten die höchsten Verschmutzungsgrade während der Stoßzeiten des Verkehrs auf. Über das Jahr hinweg, ist die Verschmutzung im Winter am höchsten. In dieser Jahreszeit werden nicht nur viele Partikel und Abgase durch die Verbrennung in Heizungen ausgestoßen, auch die Schichtung der Luft ist oft stabiler und folglich die Durchmischung und der Luftaustausch schlecht. Sogenannter 'photochemischer Smog' hingegen, auch als Ozonsmog bekannt, tritt im Sommer bei hohen Temperaturen und intensiver Sonnenstrahlung auf.

4. Tageszeitliche Veränderung der Luftverschmutzung an einem typischen sonnigen Sommertag in Krakau (hier 22. Aug. 2003).
 
Während des Sommers stellt der Verkehr den Hauptanteil der Luftverschmutzung. In den Morgenstunden führt die Rushhour zu hohen Emissionen an Stickoxiden und Kohlenmonoxid (Abb. a und b). Zum Mittag hin und während des Nachmittags steigt die Temperatur (Abb. c). Vom Sonnenlicht angetriebene chemische Reaktionen laufen ab und erhöhen die troposphärischen Ozonwerte (Abb. a).
Die Messungen wurden in 4 m Höhe in der Mitte eines Grünstreifens an einer vielbefahrenen Verkehrsstraße durchgeführt. Die Windgeschwindigkeit wurde in 10 m Höhe gemessen, die Temperatur 6 m über dem Erdboden.
Grafik: Anita Bokwa, Sebastian Wypych
Datenquelle: Voivodship Inspectorate of Environmental Protection in Cracow

5. Tageszeitliche Veränderung der Luftverschmutzung an einem typischen Wintertag in Krakau (hier 26./27. Dez. 2003).

Im Winter tragen die Verbrennungsprodukte der Heizungen erheblich zur Luftverschmutzung bei. Da die Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt (Abb. c), führt das Heizen zum Ausstoß von Partikeln (PM10 Fraktion = Partikel mit einem Durchmesser von 10 µm oder weniger), Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid (Abb. a und b). Die niedrige Windgeschwindigkeit und die bodennahe Kälte führen zu einer Inversionslage. Die Emissionen werden nicht aus der Stadt hinausgetragen, sodass die Schadstoffkonzentration hoch bleibt. Die Messungen wurden auf dem Marktplatz der Stadt im Rathausturm 12 m über dem Boden durchgeführt. Der Wind wurde 10 m über dem Boden gemessen, die Temperatur in 6 m Höhe..
Grafik: Anita Bokwa, Sebstian Wypych
Datenquelle: Voivodship Inspectorate of Environmental Protection in Cracow

Ein weiterer Faktor, der sich auf das Stadtklima auswirkt, ist die vom Menschen erzeugte Wärme. Sie entsteht als Nebeneffekt der Beheizung unserer Wohnungen und Arbeitsplätze im Winter bzw. der Kühlung durch Klimaanlagen im Sommer. Sie entsteht auch bei vielen anderen Prozessen, in denen in Industrie und Verkehr Brennstoffe genutzt werden. Wie groß diese Wärme ist, hängt vom persönlichen Energieverbrauch des Einzelnen ab, von der Bevölkerungsdichte in der Stadt, ihrer Lage sowie der Dichte und Art der angesiedelten Industrie.

In der Stadt ist die Verdunstung wesentlich geringer, als in der freien Natur, da die künstlichen Oberflächen kein Wasser aufsaugen, wie es eine Graslandschaft oder ein Wald tut. Vielmehr läuft das Wasser bei Regen rasch in die Kanalisation ab und die Straßen, Plätze und Häuser trockenen relativ schnell wieder ab. Da somit relativ wenig Wasser zur Verdunstung verfügbar ist, verbraucht die Stadt auch kaum Verdunstungswärme. Diese nicht benötigte Energie bleibt somit in der Stadt gespeichert. Allerdings werden auch in vielen Städten ganz bewusst relative großzügige Grünflächen und Parks angelegt.

Wie sich die vom Menschen eingeführten Faktoren auf das Stadtklima auswirken, hängt von der Größe und räumlichen Struktur der Stadt ab sowie von der Anzahl der Einwohner und der Dichte der Industrie. Kleine Orte mit in der Landschaft verstreuten niedrigen Häusern und geringer Industrie- und Gewerbeansiedlung verändern das natürliche Klima weniger stark als große Städte mit hohen Gebäuden.

Die natürliche Lage, die für eine Stadt gegeben ist, kann großen Einfluss darauf haben, wie sich die vom Menschen verursachten Faktoren letztlich auswirken. Eine Stadt in einem Gebirgskessel z.B. wird relativ oft mit Nebel zu kämpfen haben und einen geringen Luftaustausch aufweisen. Die hierdurch bedingte schlechte Luftqualität kann durch Inversionslagen verstärkt werden. Solche Inversionslagen haben ihre Hauptursache darin, dass die Hänge oft ihre Schatten auf den Talgrund werfen. Die Luft am Boden bleibt somit kühler, während die höheren Luftlagen sich erwärmen. Da Kaltluft schwerer ist als Warmluft, tritt die übliche Konvektion (Aufstieg wärmerer Luft vom Boden) praktisch nicht mehr ein und der vertikale Luftaustausch bleibt aus.

Stadtplanung kann dazu beitragen, die negativen Auswirkungen des Stadtklimas und ihre Ursachen zu mildern. Die gezielte Anlage von Grünflächen, Parks und Wasserflächen (Teichen, Springbrunnen, ..) trägt hierzu bei. Fabriken in den Stadtrandzonen sollten so gebaut werden, dass Abgase mit der vorherrschenden Windrichtung von der Stadt weggetragen werden.

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About this page:

Authors: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Jagiellonian University - Cracow / Poland
Supporter: Anna Gorol
1. Scientific reviewer: Prof. Barbara Obrebska-Starkel - Jagiellonian University - Cracow / Poland - 2003-06-20
2. Scientific reviewer: Dr. Marek Nowosad - Maria Curie-Sklodowska University - Lublin / Poland - 2003-06-16
3. Scientific reviewer: Prof. Yair Goldreich - Bar-Ilan University - Ramat-Gan / Israel - 2003-09-21
4. Scientific reviewer: Prof. Sue Grimmond - Indiana University - Bloomington / USA - 2004-06-03
Übersetzung 2004 und letzte Überarbeitung 2007-09-07: Elmar Uherek - MPI für Chemie, Mainz