Extremtemperaturen und thermische Belastungen im urbanen öffentlichen Raum

Entwicklung von Verfahren zur flächenhaften Darstellung des thermischen Komforts für den heterogenen städtischen Bereich unter Verwendung von fernerkundlichen Daten.

Steigende Temperaturen infolge der globalen Klimaerwärmung können zukünftig insbesondere die städtische Bevölkerung belasten, da durch den Effekt der urbanen Wärmeinseln eine stärkere Erwärmung des urbanen Raumes im Vergleich zum ländlichen Umland auftritt. Eine Einordnung der lokalen thermischen Belastung erfolgt über bio-medizinische thermische Indizes (Migliari et al. 2022), wie der physiologisch äquivalenten Temperatur (PET) oder des universellen thermischen Klimakomfortindex (UTCI). Diese basieren auf meteorologischen Messungen und beschreiben die Reaktion des menschlichen Körpers auf diverse meteorologische Reize auf Grundlage von Modellen über die Thermoregulation des Menschen, sowie Bekleidungsmodellen. Flächenhafte Informationen über Hitzeperioden und Temperaturextreme können über die von Satelliten erfasste Landoberflächentemperatur (LST) abgeleitet werden. Ein Ziel im Rahmen dieses Projektes ist es diese unterschiedlich skalierten Parameter zu verknüpfen, um die großflächige Erfassung der Auswirkungen und Wahrnehmung von Hitzeperioden im urbanen Raum zu erforschen.

Am Beispiel Hessen (Abb. 1) wird zunächst auf regionaler Ebene untersucht, inwieweit eine Korrelation zwischen dem empfundenen thermischen Komfort und fernerkundlich erfassten Parametern besteht. Dabei werden unter anderem verschiedene zeitliche Aggregationen und Metriken zur Berechnung der Intensität der städtischen Wärmeinsel verwendet und miteinander verglichen. Unter Berücksichtigung der Bevölkerungsstruktur lassen sich Regionen mit erhöhtem Risiko identifizieren (Li et al. 2023). Enge Straßenschluchten und offene Plätze besitzen unterschiedliche Wärmeabstrahlungs- und Wärmespeichercharakteristiken, jedoch ist die räumliche Auflösung der Satellitendaten oft zu gering, um diese Feinheiten adäquat zu erfassen. Daher ist es notwendig, zusätzliche, höher aufgelöste Datenquellen, wie z.B. Digitale Oberflächenmodelle (DOM), zu integrieren, um die lokalen Gegebenheiten genau abzubilden. Für eine Analyse der innerstädtischen Wärmeinseln sowie für die globale Vergleichbarkeit werden die von Stewart und Oke (2012) vorgegebenen Definitionen der lokalen Klimazonen verwendet, anhand derer Stadtstrukturtypen mit methodologischen Eigenschaften erfasst werden.

Abbildung 1: Die städtischen Wärmeinseln im Bundesland Hessen werden unter Verwendung der Landoberflächentemperaturen (erfasst mit dem Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer an Bord des Satelliten Aqua der NASA) und den hochaufgelösten stündlichen Rasterdaten (HOSTRADA) des Deutschen Wetterdienstes um 01:00 Uhr sichtbar. Die Ausgangsdaten stammen aus den Sommermonaten (Juni, Juli und August) der Jahre 2011 bis 2020. Vor der Berechnung der Temperaturdifferenzen wurde pixelweise gemittelt.

Der Fokus liegt auch auf der lokalen Ebene und öffentlichen Räumen wie beispielsweise Fußgängerbereichen und städtischen Plätzen. Die für die Berechnung des UTCI benötigten meteorologischen Variablen – Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und mittlere Strahlungstemperatur – werden dafür in verschiedenen städtischen Bereichen von Karlsruhe erfasst. Ein Beispiel für die Ausprägung der urbanen Wärmeinseln in Karlsruhe ist in Abb. 2 über den Tagesverlauf dargestellt.

Abbildung 2: Mittlere Lufttemperaturunterschiede zwischen einer Messstation im Stadtgebiet (ID IPF02) und einer Messstation des Deutschen Wetterdienstes (ID 4177) im ländlichen Umland von Karlsruhe in Abhängigkeit von der Tageszeit. Insbesondere in den Sommermonaten ist ein deutlicher Temperaturanstieg in der Nacht zu erkennen.

Referenzen

  • Stewart, I. D., and T. R. Oke. 2012. “Local Climate Zones for Urban Temperature Studies.” Bulletin of the American Meteorological Society 93 (12): 1879–1900. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-11-00019.1.
  • Li, Jiufeng, Wenfeng Zhan, T. C. Chakraborty, Zihan Liu, Huilin Du, Weilin Liao, Ming Luo, et al. 2023. “Satellite-Based Ranking of the World’s Hottest and Coldest Cities Reveals Inequitable Distribution of Temperature Extremes.” Bulletin of the American Meteorological Society 104 (7): E1268–81. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-22-0233.1.
  • Migliari, Matteo, Rémi Babut, Camille De Gaulmyn, Loïc Chesne, and Olivier Baverel. 2022. “The Metamatrix of Thermal Comfort: A Compendious Graphical Methodology for Appropriate Selection of Outdoor Thermal Comfort Indices and Thermo-Physiological Models for Human-Biometeorology Research and Urban Planning.” Sustainable Cities and Society 81 (June):103852. https://doi.org/10.1016/j.scs.2022.103852.

Zugehöriges Institut am KIT: Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung
Autor: Svea Krikau (Juni 2024)