Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Geographische Institute

Seminar A 7926 "Stadt- und Geländeklimatologie", Sommersemester 2001

Dozent: Prof. Dr. Wininger

Referent: Malte Hövel

Der Mensch verändert das Klima; um die Auswirkungen dieses Phänomens auf internationaler Ebene laufen seit Jahren Untersuchungen und politische Anstrengungen zur Kontrolle dieser Veränderungen, welche die natürlichen Prozesse in größerem Maße schädigen könnten.

Seltener wird jedoch wahrgenommen, daß der Mensch mit seinen Eingriffen in die Landschaft auf der Mikro- und Mesoebene das Klima sehr wesentlich beeinflußt, und dies vor allem in seinem Hauptlebensraum: den Städten. Die Erhöhung der Bodenrauhigkeit und die Gestaltung der Erdoberfläche mit ortsfremden Materialien, aber auch die Einbringung von Substanzen und Wärme in die Luft ändern hier das lokale Klima maßgeblich, was oft nicht ohne negative bioklimatische Folgen und Einfluß auf die lokale Natur bleibt.

In vielen Stadtverwaltungen wurde daher inzwischen die Bedeutung des Lokalklimas für das Wohlergehen der Bevölkerung erkannt und in die Bauleitplanung mit einbezogen, gestützt auch auf Hinweise in der Baugesetzgebung, die diese Einbeziehung nahelegen.

Bevor jedoch konkrete Maßnahmen beschlossen werden können, sind zunächst räumliche Aussagen über das jeweilige Klima einer Stadt und über die bioklimatische Wirkung zu treffen. Die Umweltämter vieler Städte haben daher lokalklimatologische Studien in Auftrag gegeben, um Grundlagen für die Einbeziehung bioklimatischer Überlegungen in die Bauleitplanung zu erhalten.

Die Projektleitung für solche Studien lag in NRW meist beim Kommunalverband Ruhrgebiet unter Mitwirkung von anderen Institutionen, oftmals auch Geographischen Instituten.

Die Analyse des Stadtklimas wurde meist durchgeführt als Synthetische Klimafunktionsanalyse gekoppelt mit einer Synthetischen Klimafunktionskarte. Letztere definiert sich als "Synthese der räumlichen und funktionalen klimatischen Zusammenhänge in kartographischer Form" (S. 24), begleitet von der Klimafunktionsanalyse, welche eine sehr umfangreiche, erläuterte Legende darstellt.

Auch für die Landeshauptstadt Düsseldorf wurde eine Synthetische Klimafunktionsanalyse erstellt.

Es war hierbei keineswegs die Absicht, baublockscharfe Aussagen zu machen; vielmehr wurde bewußt generalisiert, um grundsätzliche Zusammenhänge im Stadtgebiet aufzuzeigen. Für einzelne Baumaßnahmen wären jeweils weitergehende Untersuchungen nötig.

Düsseldorf ist Landeshauptstadt von Nordrhein-Westfalen (einwohnerstärkstes deutsches Bundesland) und Verwaltungssitz der Bezirksregierung Düsseldorf. Mit 568440 Einwohnern (1998) auf 217 km² Fläche ist Düsseldorf die neuntgrößte deutsche Stadt und liegt mit einer Dichte von 2620 Einwohnern/km² auch im Einwohnerdichtevergleich aller deutschen Großstädte (über 100000 Einwohner) auf Platz 9. Düsseldorf untergliedert sich in 10 Stadtbezirke, die in 49 Stadtteile unterteilt sind. Das Stadtgebiet wird von den naturräumlichen Großeinheiten "Niederrheinisches Tiefland", "Niederrheinische Bucht" und "Süderbergland" untergliedert und bildet somit eine Übergangszone zwischen diesen Einheiten.

Siedlungsstrukturell läßt Düsseldorf sich in drei Großeinheiten unterteilen, welche grob konzentrisch angelegt sind und durch die Art und Dichte der Bebauung direkt lokalklimatisch wirksam werden:

1. Innenstadt: zwischen Rhein und Hauptbahnhof gelegen. Extrem versiegelt. Nutzung: hauptsächlich Handel und Verwaltung; nur in den Randbereichen Wohnfunktion.
1. "Innerer Ausbauring": rund um die Innenstadt liegende Stadtteile. Mit der Stadt weitgehend verwachsen, funktionell sehr unterschiedlich. Teilweise Gewerbegebiete, oftmals Wohnfunktion mit Kleingewerbe durchmischt. Ebenfalls noch hohe Versiegelung.
1. Äußere Stadtzone: meist als eigenständige Stadtteile erkennbar, z. T. Vororte. Offene und unterbrochene Bebauungsformen, relativ hoher Grünanteil. Teilweise wiederum Gewerbegebiete.

Zusätzlich wären die ausgedehnten unbebauten Flächen Düsseldorfs zu nennen, die als landwirtschaftliche Flächen, Wald- und Forstflächen sowie Wasserflächen rund 46% des Stadtgebietes ausfüllen.

Für Düsseldorf liegt eine vergleichsweise umfangreiche Klimaanalyse vor. Dieser Umstand sowie die hohe Einwohnerdichte und heterogene Topographie machen Düsseldorf zu einem lohnenden Objekt zur allgemeinen Darstellung der Synthetischen Klimafunktionsanalysen.

Die Erforschung des Düsseldorfer Lokalklimas bedurfte einer räumlich-empirischen Grundlage. Zur Beschaffung von Daten über die Klimaverhältnisse (Klimaelemente und –faktoren) wurden folgende Methoden verwandt:

• Aus- und Bewertung der topographischen und stadtstrukturellen Situation
• Stationsmeßnetz: An möglichst unterschiedlichen, möglichst repräsentativen Standorten wurden im Untersuchungsgebiet für ein Jahr zehn Klimastationen installiert, die alle wichtigen Parameter aufzeichneten.
• Befliegung: eine externe Firma wurde mit der Befliegung des Stadtgebietes beauftragt. Zwei Flüge fanden statt, bei denen in einer Tag- und einer Nachtsituation mit Hilfe eines Digitalscanners Thermalbilder erstellt wurden. Aus den Daten wurden Oberflächenwärmekarten und Karten für Vegetation und Versiegelungsgrad erstellt. Es ergeben sich die allgemeinen Probleme der Fernerkundung (nur Oberflächentemperaturen, kartierte Oberflächen in unterschiedlichen Höhenniveaus etc.).
• Meßfahrten: um auf einigen Strecken eine bessere Auflösung zu erreichen, wurden Meßfahrten durchgeführt, bei denen einzelne Klimaelemente kontinuierlich gemessen wurden.
• Vertikalsondierungen: An einzelnen Stellen wurde das Windfeld vertikal mit Hilfe gasgefüllter Ballons untersucht.
• Tracermessungen: Tracer sind Substanzen, die in das Windfeld gegeben werden, um Bewegung und Turbulenz der Luft mitzuverfolgen. In einzelnen Fällen, vor allem zur Ermittlung der Durchlüftungswirkung von Straßen und Schneisen, sind Tracermessungen durchgeführt worden.

Aus empirischer Sicht scheint der Untersuchungs- bzw. Meßzeitraum von nur einem Jahr problematisch zu sein. Hier ist zu berücksichtigen, daß bereits innerhalb dieses einen Jahres generelle Beobachtungen gemacht werden können, besonders bezüglich der Relationen der einzelnen Klimafaktoren und der Gebiete zueinander. Leider findet an keiner Stelle der Studie eine Untersuchung darüber statt, welche der beobachteten Phänomene einjähriger Art sein könnten bzw. welche Probleme und Meßfehler sich aus der kurzen Beobachtungszeit ergeben könnten.

Aus wissenschaftstheoretischer Sicht bleibt zudem kritisch, daß das genaue Vorgehen bei der Theoriebildung nicht erwähnt worden ist; der sehr deskriptive, teils ziellos wirkende Charakter der Arbeit scheint aber ein deduktives Vorgehen auszuschließen. Ob die Untersuchungen induktiv oder abduktiv durchgeführt wurden, bleibt unklar.

Als problematisch ist auch einzuschätzen, daß sämtliche Untersuchungen ausschließlich für den Raum Düsseldorf innerhalb der Stadtgrenzen durchgeführt wurde. Nur selten finden sich Hinweise auf klimatologische Wechselwirkungen mit Nachbargemeinden. Deren Betrachtung jedoch ist durchaus sinnvoll, denn Düsseldorfer Stadtgebiet beeinflußt andere Gemeinden und wird ebenso von anderen Gemeinden beeinflußt; vor allem Windsysteme halten sich selten an administrative Grenzen. Die Beschränkung auf das Düsseldorfer Stadtgebiet erscheint sinnvoll, weil es letztlich von der Düsseldorfer Städteplanung umgesetzt werden soll. Gerade aber die Wechselwirkungen mit Gebieten in anderen Gemeinden sollten aber zum zwischenstädtischen Gesprächsthema werden, um in einem hochverdichteten Raum gemeinsam effektiver agieren zu können. Ihr Aufzeigen ist daher unerläßlich.

Düsseldorf wird dem makroklimatischen Bereich "Nordwestdeutschland" zugeordnet, welcher von der Küste bis zu den Südseiten der Eifel und des Westerwaldes sowie zur Ostseite des Sauerlandes reicht. Dieser Bereich ist maritim beeinflußt und ist daher klimatisch relativ ausgeglichen. Regional wird Düsseldorf von drei Klimabezirken berührt: "Niederrheinische Bucht", "Niederrheinisches Tiefland" und "Bergisches Land", die sich in der Ausprägung einzelner Klimaelemente unterscheiden. So gehören die "Niederrheinische Bucht" und das "Niederrheinische Tiefland" zu den wintermildesten Gebieten Deutschlands und weisen relativ milde Sommer auf; das "Bergische Land" ist durch die größere Höhenlage durchschnittlich etwas kühler.

Morphographisch prägend und somit auch klimageographisch relevant sind in Düsseldorf vor allem die Auezone und die Niederterrasse des Rheins; auf letzterer befindet sich der Großteil des Stadtgebietes.

Allgemein liegt Düsseldorf in einer Zone vorherrschender Winde aus westlichen bis südlichen Richtungen. Durch die Lenkungswirkung des Rheintales und den Verlauf des Westabfalls des Bergischen Landes ändert sich die Hauptwindrichtung auf SSO. In der Nähe des Westabfalls des Bergischen Landes kommt es an einigen Stellen gar zu einer extremen Umlenkung: Hier gibt es Stellen, an denen Wind fast ausschließlich parallel dem Abfall folgt (aus SSO oder NNW).

Die Charakterisierung der Klimaeigenschaften für Düsseldorf erfolgte über eine Klassifizierung, welche sich an der Oberflächengestaltung als dem gestaltenden Klimafaktor orientiert. Die entstehenden Klassen werden als Klimatope bezeichnet. Sie fassen Gebiete zusammen, die sich in ihrer Mikroklimatologie ähnlich sind. Allgemein wird unterschieden zwischen Klimatopen im Außenbereich und Stadtklimatopen. Konkret ergeben sich folgende Klimatope:

Klimatope im Außenbereich

Stadtklimatope

Allgemein sind die Stadtklimatope geprägt durch hohe Versiegelungsanteile und erhöhte Oberflächenrauhigkeit, welche die Windfelder massiv beeinflussen und so den Austausch beeinträchtigen. Hierdurch wird Wärme angestaut und die Wärmeabstrahlung gestört. Versiegelte Flächen heizen sich zudem tagsüber stärker auf und kühlen sich nachts weniger ab. Es entsteht eine städtische Wärmeinsel sowie nachts eine abgehobene Inversion. Die Temperatur nimmt linear mit der Bebauungsdichte bzw. dem Versiegelungsgrad zu. Am stärksten ist die Wärmeinsel drei bis sechs Stunden nach Sonnenuntergang und im Sommer. Im Monatsmittel hebt sich der Innenstadtbereich um 2,9 K vom Umland ab. In Strahlungsnächten kommt es zu Temperaturunterschieden im Düsseldorfer Stadtgebiet von bis zu 9 K.

Die Düsseldorfer Wärmeinsel wird in einigen Gebieten bei Anwesenheit von Vegetation leicht abgeschwächt. So bringt allein die Königsallee mit ihrem Baumbestand eine Abkühlung von rund 1 K, der Hofgarten zerschneidet die städtische Wärmeinsel gar.

Durchschnittlich 3,2% aller Stunden in den Sommermonaten herrscht in Düsseldorf Schwüle. Besonders viele Schwülestunden treten als Folge der Rauhigkeit in der Innenstadt auf.

Als Stadtklimatope ergeben sich:

• Siedlungsklima: Dichtere Bebauung als im Dörflichen Klima, stärkere Lufttrübung, aber weiterhin hoher Anteil von Gärten und Grünflächen, mäßige Versiegelung. Temperaturfeld ausgeglichen. Bebauung ist nur geringes Austauschhindernis. Meist eher positives Bioklima; Durchgangsstraßen und benachbarte Industrie führen aber stellenweise zu Problemen.
• Stadtklima: meist geschlossene Blockbebauung. oft relativ enge Straßenschluchten entstehen. Hoher Versiegelungsgrad. Dunstglocke behindert Einstrahlung, aber Straßenschluchten behindern Ausstrahlung. Hohe nächtliche Temperaturen. Stark eingeschränkter Luftaustausch. Bioklimatischer Lastraum. Wärmeinsel. Zur Entschärfung wären Begrünung und Entzerrung der Bebauung anzustreben.
• Innenstadtklima: extreme Variante des Stadtklimas. Hier werden Maßnahmen bis hin zur Verkehrsreduzierung dringend angeraten.
• Gewerbeklima: große versiegelte Flächen, große Hallen und Bauten. Hohe Luftturbulenz, Reduktion der Windgeschwindigkeit, aber dennoch gute Ventilation; oft Dunstglocke, die Ein- wie Ausstrahlung behindert. Starke Wärmeinsel. Bioklimatisch kritischer Raum.
• Industrieklima: oft dicht, aber vielfältig bebaut. Oft starke Dunstglocke, die Ein- und Ausstrahlung behindert. Behinderung des Windfeldes. Wärmeinsel durch Abwärme intensiviert. Starke Luftverunreinigung. Starker bioklimatischer Lastraum. Fernwirkung von Temperatur und Schadstoffen.

Sonstige, spezifische Klimaeigenschaften

Im Düsseldorfer Stadtgebiet treten einzelne kleinere mikroklimatische Bereiche auf, die sich nicht ohne weiteres in das System der Klimatope einpassen lassen bzw. die für bestimmte Gebiete spezifisch sind. Es sind dies:

• Der Niederungsbereich der Rheinaue. Regelmäßig überschwemmter Bereich. Wirkt durch die ausgleichenden Fähigkeiten der Wasserflächen vor allem der Nebelbildung entgegen.
• Kaltluft in Tallagen: vor allem im Osten Düsseldorfs, an den Ausläufern des Bergischen Landes, fließt des Nachts kalte Luft, die sich an den Hochflächen durch Ausstrahlung bildet, hangabwärts in die Tallagen. Dort bilden sich verbreitet Inversionen. Allerdings sind viele Bäche heute kanalisiert und bilden somit keine nennenswerten Talformen aus, die als Kaltluftschneisen wirken könnten. Viele Bäche sind von Grünstreifen begleitet, die ebenfalls Abkühlungsfunktion haben. Insgesamt bringt vor allem das Düsseltal des Nachts kalte Luftströme aus dem Bergischen Land in das Siedlungsgebiet.
• Warme Kuppenzonen: teilweise ergeben sich in Verbindung mit dem o. g. Kaltluftphänomen im Bereich der Ausläufer des Bergischen Landes Wärmezonen auf den Hügelkuppen; in Düsseldorf zeigt sich dies vor allem in der Umgebung der Deponie bei Hubbelrath.
• Bahnanlagen: vor allem nördlich des Düsseldorfer Hauptbahnhofes (Richtung Duisburg) finden sich ausgedehnte Bahntrassenanlagen; in etwas schmalerer Form sind sie auch südlich des Hauptbahnhofes (Richtung Köln) zu finden. Diese Bahnanlagen wirken bei günstigen Windrichtungen als Luftleitbahnen.
• Hauptverkehrsstraßen sind in erster Linie Emittenten von Schadstoffen und Lärm. Sie können eine leichte Leitfunktion für Luftbewegungen haben. Hauptverkehrsstraßen bündeln sich in den städtischen und innenstädtischen Klimatopen, was dort die negative bioklimatische Situation verschärft.

Zusätzlich zur Synthetischen Klimafunktionsanalyse enthält die Klimaanalyse der Stadt Düsseldorf eine Synthetische Lufthygienekarte. Diese sei hier nur der Vollständigkeit halber kurz erwähnt und angerissen, da sie an sich nicht Teil der synthetischen Klimafunktionsanalyse ist.

Die Lufthygienekarte unterteilt das Düsseldorfer Stadtgebiet nach den jeweiligen Emissions- und Immissionskonzentrationen in Last- und Ausgleichsräume. Auch diese lassen sich wiederum räumlich unterteilen in:

Schadstoffbelastungen entstehen im städtischen Raum vorwiegend aus Hausbrand, Verkehr und Industrie. Wie stark sie zur Belastung werden, hängt neben der regionalen Verteilung der Schadstoffentstehung wesentlich von der Durchlüftung der Stadt ab, die als vergleichsweise gut eingestuft wird. Als Hauptlastraum wird für Düsseldorf der Innenstadtbereich genannt, welcher vor allem durch Kraftfahrzeugabgase belastet wird.

Das vorliegende Gutachten ist nicht allein wissenschaftliche Bestandsaufnahme. Vielmehr ist es Hauptzweck des Gutachtens, in Planungsmaßnahmen die Lokalklimatologie berücksichtigen zu können. Entsprechend findet sich in der Düsseldorfer Klimaanalyse ein Kapitel, in welchem aus den bisherigen Ergebnissen Empfehlungen für die Planungspraxis gegeben werden. Ziel ist es vor allem, bestehende Belastungen nach Möglichkeit zu erkennen und Verschlechterungen zu vermeiden bzw. Verbesserungen gezielt durchführen zu können. Das Gutachten plädiert dafür,

1. lokalklimatologisch entlastende Flächen in die Stadtplanung zu integrieren, vor allem solche, die Frischluft generieren und heranführen;
2. in erreichbarer Nähe bioklimatische Gunsträume mit Erholungswert zu schaffen, zu erhalten oder auszubauen (z. B. Erhaltung der Waldflächen).

Hierbei wird aber darauf hingewiesen, daß die lokalklimatologische Situation in Düsseldorf eine vergleichsweise günstige sei. So werden zwar Maßnahmen empfohlen; in der Planungspraxis sollen aber diese Hinweise nicht dogmatisch umgesetzt, sondern als abzuwägender Faktor in die Planungsabwägung mit einbezogen werden.

Zur besseren Umsetzbarkeit wurde die Karte "Planungshinweise Düsseldorf" erarbeitet, welche auf der Basis der Synthetischen Klimafunktions- und Lufthygienekarten erstellt worden ist. Die Karte "Planungshinweise" ist größtenteils eine Bestandsaufnahme der gesamtklimatischen Last- und Ausgleichsräume, die hier wie folgt eingeteilt werden:

Die Last- und Ausgleichsräume sind jeweils kommentiert bezüglich des generellen Umgangs mit diesen Zonen. In einigen Fällen wurden lokale Planungsempfehlungen über das generelle Klassenniveau hinaus gegeben, z. B. die Ausweisung von Bebauungsgrenzen, die erhalten werden müßten. Einzeln ausgewiesen sind zudem die einzelnen Belüftungsbahnen.

In den hinweisen für die Planung wird empfohlen, die Ausgleichsräume zu schonen, damit sie ihre Ausgleichsfunktionen weiter wahrnehmen können. Als konkrete Maßnahmen werden genannt: "den Versiegelungsgrad möglichst gering zu halten, Siedlungsränder festzuschreiben, Freiflächen zu erhalten und Emissionen zu reduzieren" (S. XXI). Weiterhin sollte eine Verminderung des Emissionen angestrebt werden; um weiterem Raumbedarf vorzubeugen, sollten Siedlungen bei der Neuausweisung von Bauflächen bevorzugt von innen heraus entwickelt werden. Wälder und Grünflächen seien zu erhalten und nach Möglichkeit auszubauen, sofern dies nicht den Luftaustausch beeinträchtige. Die Ufer von Wasserflächen seien "wohlüberlegt" zu gestalten.

Die Lasträume seien zu entlasten. Was das heißt, wird für jeden der zehn Düsseldorfer Stadtbezirke einzeln und für elf Sonderuntersuchungsgebiete gesondert aufgeführt.

Mit dem Düsseldorfer Klimagutachten liegt eine lokalklimatische Untersuchung für eines der dichtbebautesten Gebiete Deutschlands vor. Gerade vor dem Hintergrund fortwährenden Nutzungsdrucks in der Region erfüllt es eine wichtige Funktion: die Möglichkeit zur Einbeziehung lokalklimatologischer Überlegungen in den Planungsprozeß.

Methodisch wie inhaltlich hat das Gutachten einige Schwächen. Besonders bedenklich erscheint der Umstand, daß nur selten inhaltliche Verbindungen zu den Themen "Bioklima" und "Umweltschutz" gezogen werden; häufig macht das Gutachten den Eindruck eines wissenschaftlich abgehobenen Empirismus, der teilweise zu wenig auf die eigentliche Aufgabe – Empfehlungen zur Verbesserung der Lebenssituation der Menschen in Düsseldorf zu geben – angewendet wird.

Andererseits haben die Autoren großen Aufwand betrieben, um möglichst detaillierte Aussagen machen zu können. Als besonders positiv ist hervorzuheben, daß im Abschnitt "Planungshinweise" regional detaillierte Kommentierungen erstellt wurden.

Mit diesem Gutachten ist eine Grundlage für die Planung geschaffen worden. Die Umsetzung dieser Erkenntnisse jedoch muß in der Praxis erfolgen. Eine korrekte Umsetzung scheint gefährdet, wenn in die Planungs- und Entscheidungsprozesse der Stadtentwicklung nicht auch Fachleute eingebunden werden oder wenn die Erkenntnisse der Studie den Weg vom Umwelt- in das Stadtplanungsamt verfehlen. In diesem Kontext erscheint eine Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Stadtplanungsamt in lokalklimatologischen Themen sowie der Aufbau eines lokalen Expertenpools sinnvoll. Wichtig ist auch eine Fortschreibung und Aktualisierung des Gutachtens in regelmäßigen Abständen, um Veränderungen bemerken und neue Erkenntnisse, vielleicht durch den technisch-methodischen Fortschritt gewonnen, einarbeiten zu können. Interessant wäre hierzu möglicherweise die dauerhafte Installation eines Meßnetzes, wodurch mit der Zeit die Probleme der Kurzzeitmessung behoben werden könnten.

Wenn die Umsetzung und Fortschreibung der Klimaanalyse gewährleistet sind, dann hat sie gute Chancen, Wesentliches zur Verbesserung der Lebensqualität in Düsseldorf beizutragen.