Klima in Städten

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Wasserbilanz in einer Stadt

In städtischen Gebieten ist die Summe der Niederschläge höher, als in nichtstädtischen Räumen. Meist sind die Niederschläge kurz, aber intensiv. Im Stadtkern herrschen Oberflächen aus Asphalt, Beton und Steinen vor. Was geschieht mit dem Wasser, das auf einen Boden fällt, der sich nicht vollsaugen kann?

In der natürlichen Umgebung können wir die Wasserbilanz mit dem folgenden Ausdruck beschreiben:

P = E + R + S

Hierin sind
P - Niederschlag (precipitation), die einzige Quelle, die Wasser an das Ökosystem liefert

E - Evapotranspiration. Hierunter verstehen wir die gemeinsame Verdunstung, einerseits aus dem Boden, andererseits durch die Oberflächen (vor allem Blätter) der Pflanzen

R - Abfluss (run-off). Es handelt sich um das Wasser, welches das Gebiet verlässt. Es kann sich um ein Abfließen an der Oberfläche handeln, z.B. in Flüsse hinein. Weiterhin gibt es Grundwasserabfluss: Wasser, das in den Boden eindringt und in tieferer Lage in Gesteinsschichten weiterfließt, um in unterirdischen Reservoiren zu enden oder durch Quellen wieder an die Oberfläche zu gelangen

S - Speicherung, z.B. im Grundwasser (storage); auch Schnee ist eine Form der vorübergehenden Wasserspeicherung

1. Elemente der Wasserbilanz im nichtstädtischen Raum
Bild: Sebastian Wypych

In einer Stadt oder einem städtischen Raum setzt sich die Wasserbilanz aus denselben Faktoren zusammen. Ihr Verhältnis jedoch unterscheidet sich stark.

Der Niederschlag ist für gewöhnlich höher, als im nichtstädtischen Umfeld. Die Verdunstung (Evapotranspiration) ist geringer. Dafür ist der Abfluss an der Oberfläche sehr viel stärker. Weniger Wasser versickert ins Grundwasser oder geht in andere Wege der Speicherung ein. Die Unterschiede werden in Abb. 2 dargestellt und im Text darunter erklärt. Die Dicke der Pfeile deutet die Unterschiede zu Abb. 1 an.

2. Änderung der Wasserbilanz in einer Stadt.
Vergleiche das Verhältnis der Pfeildicken hier und in Abb. 1!
Bild: Sebastian Wypych

Über den Einfluss einer Stadt auf die Luftfeuchte, den Niederschlag und die Nebelbildung kann man keine generelle Aussage machen. In einigen Städten finden wir eine höhere Zahl an Tagen mit Nebel und ein verstärktes Auftreten von Cumulus- oder Cumulunimbuswolken. Begünstigt wurde dies durch höhere Luftfeuchte und starke Luftverschmutzung, die die Wolkenbildung begünstigt. Zudem wird die Wolkenbildung durch den Effekt der städtischen Wärmeinsel verstärkt, da die Konvektion hoch ist. Nebelbildung wird durch niedrige Windgeschwindigkeiten oder Windstille gefördert. Jede Stadt ist jedoch auch durch ihre geographische Lage, die Landschaftsstruktur, die Entfernung zum Meer und weitere Faktoren geprägt. Hierdurch wird das lokale Klima natürlich stark beeinflusst. Die Nähe zu großen Fabriken oder Kraftwerken kann einige Prozesse begünstigen: Luftverschmutzung, Freisetzung von Wärme oder Wasserdampf aus Kühltürmen, etc.

Die unten stehende Abbildung zeigt die Monatsdurchschnittstemperatur und die Niederschlagsmenge in ausgewählten Städten Europas. Wie viel Niederschlag in einer Stadt fällt, hängt von der Klimazone und dem Klimatyp ab. Die besonderen Faktoren des städtischen Raumes können jedoch dazu führen, dass die Niederschlagsmenge gegenüber dem ländlichen Umfeld um 20-30% erhöht ist.

4. Mittlere Monatswerte für Niederschlag und Temperatur in ausgewählten Städten Europas, die in verschiedenen Klimazonen liegen. Etwa 25% des Niederschlages in einer Stadt kann durch die besonderen Bedingungen des Stadtklimas bedingt sein.
Bitte klicke die Symbole unter der Zeichnung an, um die Klimadiagramme der einzelnen Städte zu sehen! (42-54 K)
Datenquelle: World Climate: Niederschlags- und Temperaturdaten (www.worldclimate.com)
Grafiken: Anita Bokwa, Pawel Jezioro

Der gegenüber dem Umland erhöhte Niederschlag fällt vor allem im Sommer. Starke Niederschläge oder Gewitter treten öfter auf. Die verursachenden Faktoren sind dieselben, die auch für die Wolkenbildung verantwortlich sind.

Die Evapotranspiration ist in der Stadt besonders stark reduziert. Sie kann auf Werte bis zu 40% der Verdunstungsraten im Umland sinken. Im Deutschen unterscheiden wir sprachlich nicht scharf zwischen Evaporation und Transpiration, sondern verwenden den Begriff Verdunstung. Gerade im Fall von Städten macht dies aber Sinn. In der Stadt erfolgt die meiste Verdunstung durch den Wasserübergang von feuchten Oberflächen an die Luft (Evaporation). In einer natürlichen Umgebung jedoch ist ein erheblicher Anteil der Verdunstung durch Atmung und Wasserhaushalt der Pflanzen bestimmt (Transpiration). Letzterer Anteil ist in der Stadt sehr viel geringer. Auch ist die Oberfläche in der Stadt geringer und Niederschläge werden sehr rasch dem Abwassersystem zugeführt.

Die Durchfeuchtung des Bodens ist in der Stadt weitgehend unterbunden. Bodenbeläge aus Asphalt, Beton oder Stein saugen sich nicht voll. Vielmehr ist der oberflächliche Abfluss um bis zu viermal höher, als im nichtstädtischen Raum. Das Einsickern des Wassers in das Grundwasser ist entsprechend um bis zu 50% reduziert. Folglich ist auch die Speicherung von Wasser sehr niedrig. Eine Schneedecke ist eine der wenigen nennenswerten Formen von Wasserspeicherung, die in der Stadt überhaupt auftritt. Wir wissen jedoch auch, dass der Schnee durch die Wärme der Stadt schneller schmilzt und zur Aufrechterhaltung des Verkehrs in der Regel rasch von den Straßen entfernt wird. Die Verbindung von Luftverschmutzung und Schnee in der Stadt führt überdies zu einer niedrigeren Reflexion des Schnees, somit zu erhöhter Absorption von Sonnenenergie und damit zu einem schnelleren Schmelzen.

Luftfeuchte

Schon in der Antike zeugten Aquaedukte davon, dass zusätzliches Wasser in die Stadt hinein getragen wird. Hieran hat sich bis heute nichts geändert. Unsere Trinkwasserversorgung beruht auf einem System von Leitungen und Pumpen, deren Inhalt selten alleine dem Niederschlag über der Stadt entnommen wird. In der Regel wird das Wasser jedoch auch wieder in einem geschlossenen System abgeführt.
In einigen Fällen jedoch führen wir auch künstlich in die Stadt geschafftes Wasser dem Verdunstungshaushalt zu. Wir tun dies, wenn die Straßen nass gereinigt werden, wenn wir Rasenflächen bewässern oder wenn Wasser über die Kühltürme von Kraftwerken in die Luft entlassen wird. Verdunstungsraten in der Stadt können somit variieren.

In der Nacht ist vor allem das Stadtzentrum feuchter als die Vororte. Ursache ist die geringere Windgeschwindigkeit, die durch die hohen Gebäude bedingt ist. Die Vororte mit stärker gestreuten und niedrigeren Bauten sind besser durchlüftet und trockener.

Verwandte Seiten:

Eine Einführung zu den besonderen Wärmeeigenschaften einer Stadt gibt:
Klima in Städten - Basis - Einheit 2 - Wärmeinseln

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: Naoki Sato - University of Tokyo - Tokyo / Japan - 2003-10-03 
Übersetzung 2005 und letzte Überarbeitung 2007-09-11: Elmar Uherek - MPI für Chemie Mainz