Klimamodell Berlin - Analysekarten 2014

Kartenbeschreibung

Nachfolgend wird eine gemeinsame Beschreibung für alle Einzelauswertungen der Modellrechnungen präsentiert. Zur schnelleren Orientierung im Text werden Verknüpfungen zu den einzelnen Schwerpunktbereichen angeboten:

• 04.10.1 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstrom (22:00 Uhr und 04:00 Uhr)
• 04.10.2 Lufttemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)
• 04.10.3 Strahlungstemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)
• 04.10.4 Nächtliche Abkühlung zwischen 22:00 und 04:00 Uhr)
• 04.10.5 Bewertungsindex Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET)
• 04.10.6 Anzahl meteorologischer Kennwerte im Mittel der Jahre 2001-2010
  • Anzahl der Sommertage
  • Anzahl der Hitzetage
  • Anzahl der Tropennächte
• 04.10.7 Klimaanalysekarte

Innerhalb der genannten Themen werden als weitere Differenzierungen in den Karten die unterschiedlichen räumlichen Strukturen (Raster, Block) sowie die verschiedenen Zeitpunkte und Höhenschnitte getrennt voneinander abgebildet. Diese unterschiedlichen Informationen sind je Thema über die Ebenenschaltung des Geoportals wählbar.

Die Modellrechnungen wurden jeweils abends zur Zeit des Sonnenunterganges gestartet und bis Sonnenaufgang des übernächsten Tages durchgeführt. Die Zeitschnitte, zu denen die Modellergebnisse ausgelesen werden sollen, können prinzipiell frei ausgewählt werden (Minuten bis Stunden). Ausgewertet und in Form von Karten dargestellt werden die einzelnen Klimaparameter zu verschiedenen prägnanten Zeitpunkten (MEZ), die Rückschlüsse auf klimatische Funktionen und Bedeutungen zulassen.

Der Termin 22:00 Uhr repräsentiert kurz nach Sonnenuntergang den Umschwung von der Einstrahlungs- zur Ausstrahlungssituation und steht für den Beginn einer Phase mit großer Abkühlungsdynamik in den unterschiedlich strukturierten Teilflächen im Stadtgebiet. Der 04:00 Uhr Termin steht für die maximale Abkühlung innerhalb des Stadtkörpers in einer hochsommerlichen Strahlungsnacht. Beide Zeitpunkte sind daher vor allem für die Charakterisierung des nächtlichen Luftaustausches relevant. Der Zeitschnitt 14:00 Uhr ist darüber hinaus für die Beurteilung der bioklimatischen Situation am Tage geeignet, da zu diesem Zeitpunkt sowohl die solare Einstrahlung und in ihrer Folge auch die Lufttemperaturen stark ausgeprägt sind. Der Zeitpunkt 14:00 Uhr als Auswertezeit war darüber hinaus auch notwendig für die in der aktuellen Fassung der Planungshinweiskarten neu einbezogene Bewertung der bioklimatischen Belastungen während des Tages (SenStadtUm 2016).

Die Analysekarten 04.10.1 bis 04.10.5 liegen sowohl rasterbasiert als auch in blockbezogener Form vor. Dabei wird der statistische, nicht gewichtete Mittelwert aller den Block bzw. die Blockteilfläche schneidenden Rasterzellen dargestellt. Die meteorologischen Kenntage (Karten 04.10.6) sowie die Klimaanalysekarte (Karte 04.10.7) liegen hingegen nur blockbezogen vor, da diese nicht direkt modelliert, sondern aus den rasterbasierten Ergebnissen der Klimamodellierung abgeleitet wurden.

Im Folgenden werden einzelne, exemplarische Ergebnisse der Modellrechnungen für das gesamte Stadtgebiet kurz dargestellt.

Karte 04.10.1 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstrom (22:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Die gute Durchlüftung von Siedlungsgebieten kann zum Abbau von humanbiometeorologischen Belastungen führen (vgl. Moriske und Turowski 2002). So kann in den Nachtstunden durch das Heranführen kühlerer Luft aus dem Umland das Temperaturniveau der in der Stadt lagernden wärmeren Luftmassen gesenkt werden, was zu einem Abbau der Wärmebelastung des Menschen in den Sommermonaten führt. Ist diese herangeführte kühlere Luft mit Luftschadstoffen unbelastet (Frischluft), so führt die Durchlüftung gleichzeitig auch zu einer Verbesserung der lufthygienischen Situation.

Zur Beurteilung der Durchlüftungssituation ist folglich die geeignete Zuordnung von Belastungsräumen und Ausgleichsräumen, die die entsprechende unbelastete Luft zur Verfügung stellen, sowie ein Zirkulationssystem, welches den Luftmassentransport bewerkstelligen kann, notwendig.

Die bodennahe Temperaturverteilung bedingt horizontale Luftdruckunterschiede, die wiederum Auslöser für lokale thermische Windsysteme sind. Ausgangspunkt dieses Prozesses sind die nächtlichen Temperaturunterschiede, die sich zwischen Siedlungsräumen und vegetationsgeprägten Freiflächen einstellen. An den geneigten Flächen setzt sich abgekühlte und damit schwerere Luft in Richtung zur tiefsten Stelle des Geländes in Bewegung. So entstehen an den Hängen die nächtlichen Kaltluftabflüsse (u.a. Mosimann et al. 1999). Die Windgeschwindigkeit dieses kleinräumigen Phänomens wird in erster Linie durch das Temperaturdefizit zur umgebenden Luft und durch die Neigung des Geländes bestimmt.

Neben den orographisch bedingten Strömungen mit Kaltluftabflüssen bilden sich auch so genannte Flur-/Strukturwinde, d.h. eine direkte Ausgleichsströmung vom hohen zum tiefen Luftdruck aus. Sie entstehen, wenn sich stark überbaute oder versiegelte Gebiete stärker erwärmen als umliegende Freiflächen, und dadurch ein thermisches Tief über den urbanen Gebieten entsteht. Der resultierende Druckgradient kann daraufhin durch einströmende kühlere Luftmassen aus dem Umland ausgeglichen werden (u.a. Kiese et al. 1992). Für die Ausprägung dieser Strömungen ist es wichtig, dass die Luft über eine gewisse Strecke beschleunigt werden kann und nicht durch vorhandene Hindernisse wie Bebauung abgebremst wird. Die Flur-/ Strukturwinde sind eng begrenzte, oftmals nur schwach ausgeprägte Strömungsphänomene, die bereits durch einen schwachen überlagernden Wind überdeckt werden können. Ihre Geschwindigkeit liegt meist unterhalb von 0,2 m/s (Mosimann et al. 1999).

Die landnutzungstypischen Temperaturunterschiede beginnen sich schon kurz nach Sonnenuntergang herauszubilden und können die ganze Nacht über andauern. Dabei erweisen sich insbesondere Wiesen- und Ackerflächen als kaltluftproduktiv. Abhängig von den Oberflächeneigenschaft und Abkühlungsraten geht damit die rasche Entwicklung von Kaltluftströmungen einher, die zunächst vertikal nur von geringer Mächtigkeit (5-10m Schichthöhe) sind und sich zwischen der Vielzahl der unterschiedlich temperierten Flächen ausbilden.

Karteninhalt

Klimaökologische Ausgleichswirkungen gehen potenziell von allen unbebauten und unversiegelten Arealen aus, inner- wie außerhalb des Stadtgebietes. Inwieweit dieses Potenzial auch zur Entfaltung kommen kann, hängt von jeweiligen Rahmenbedingungen ab, die von der Flächengröße, der Vegetationsstruktur, der Lage im Stadtgebiet sowie dem baulich geprägten Umfeld abhängen. Die im Verhältnis zu anderen Metropolen noch große Anzahl innerstädtischer Freiflächen ist für eine topografisch weitgehend ungegliederte Stadt wie Berlin von großem Wert, da hier die stadtklimatischen Ausgleichsleitungen für den Kernbereich der Stadt vorrangig durch die thermisch bedingten Zirkulationen erfolgt, die wiederum eine möglichst große Nähe von Grün- und bebauten Flächen zueinander erfordert (vgl. Karte 4.11, Planungshinweise Stadtklima 2015, Abb. 8).

Bei der Darstellung des bodennahen Temperaturfeldes handelt es sich um das Rastermittel der Temperatur in der bodennahen Schicht der Atmosphäre (0 – 5 m über Grund). Sind innerhalb einer Rasterzelle mehrere Landnutzungen mit unterschiedlichem Flächenanteil vorhanden, so berechnet sich die gezeigte Temperatur aus der anteilsmäßigen Wichtung. Insofern sind die simulierten Temperaturwerte nur für größere Gebiete mit einheitlicher bzw. entsprechender Landnutzung mit bodengebundenen Messwerten vergleichbar.

Ausschlaggebend für die Temperaturverteilung sind die landnutzungsabhängigen Boden- und Oberflächeneigenschaften sowie deren Wechselwirkungen mit den atmosphärischen Prozessen in der bodennahen Grenzschicht. Innerhalb des Erdbodens sind dabei Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Bedeutung. Je größer beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ist, umso schneller und tiefer kann Wärme in das entsprechende Material eindringen, aber auch wieder von diesem abgegeben werden.

Die Oberflächenbeschaffenheit natürlicher und künstlicher Flächen bestimmt über die Albedo (Reflexionsvermögen) und die Emissivität die Menge an Energie, die im kurzwelligen und im langwelligen Bereich der Strahlung für eine Erwärmung / Abkühlung zur Verfügung steht. Schließlich spielt der Turbulenzzustand der bodennahen Atmosphäre eine große Rolle bei dem Transport von fühlbarer und latenter Energie vom Erdboden weg oder zu diesem hin. Alle genannten Prozesse sind über die Energiebilanz des Erdbodens miteinander verknüpft und bestimmen die Temperatur der Oberflächen und der darüber liegenden Luftschichten.

Die Raster-Kartenebenen stellen das sich zu den nächtlichen Analysezeitpunkten 22:00 und 04:00 Uhr in 10m x 10m Auflösung ausgeprägte Kaltluftströmungsfeld bodennah in 2m sowie auf Dachniveau in 22m über Grund dar. Die Windfeld in Form der Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit wird über die Pfeilrichtung und Pfeillänge in Form von Vektoren. für alle Zellen des Modellrasters mit einer klimatisch relevanten Mindestgeschwindigkeit von ≥ 0,05m/s abgebildet. Ergänzt werden diese rasterbezogenen Daten durch die Darstellung des Kaltluftvolumenstroms als Flächenwert in m³/s. Unter dem Begriff Kaltluftvolumenstrom versteht man das Produkt aus der Fließgeschwindigkeit der Kaltluft, ihrer vertikalen (Schichthöhe) und horizontalen Ausdehnung des durchflossenen Querschnitts (Durchflussbreite). Er beschreibt somit diejenige Menge an Kaltluft in der Einheit m³, die in jeder Sekunde durch eine – in diesem Fall – 10m x 10m Rasterzelle strömt (vgl. Abb. 9).

Abb. 9: Prinzipskizze Kaltluftvolumenstrom

Der Volumenstrom ist damit ein Maß für den Zustrom von Kaltluft und bestimmt die Größenordnung des Durchlüftungspotenzials. Da er ein über die Höhe integrierter Parameter ist, erfolgt keine Darstellung für das Dachniveau. Abgebildet sind alle Zellen des 10m x 10m Rasters mit einem Wert von >60m³/s, für die eine potenzielle klimaökologische Wirksamkeit bestimmt wird. Die qualitative Bewertung dieser meteorologischen Größe zeigt Tab. 2. Die Einstufung des rasterbasierten Kaltluftvolumenstrom orientiert sich an dem in der VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1 (VDI 2008) beschriebenen Verfahren zur Z-Transformation. Dieses Vorgehen legt das lokale/regionale Werteniveau in einem Untersuchungsraum zugrunde und bewertet die Abweichung eines Parameters von den mittleren Verhältnissen in diesem Gebiet. Als Resultat ergeben sich mittels dieser Methode vier Bewertungskategorien der Stufung sehr günstig / günstig / weniger günstig / ungünstig.

Tab. 2: Klassifizierung des rasterbasierten Kaltluftvolumenstromes

Die Eindringtiefe der Kaltluft in die Siedlungsräume und damit auch das Maß der bioklimatischen Gunstwirkung während sommerlicher Hochdruckwetterlagen hängt von der Bebauungsstruktur und der Intensität der Kaltluftdynamik ab. Entsprechend der zunehmenden Bebauungshöhe und -dichte wird etwa Einzel- und Reihenhausbebauung besser durchströmt als eine Block- und Blockrandbebauung.

Zum Analysezeitpunkt 22:00 Uhr kurz nach Sonnenuntergang setzt abendliche Abkühlungsphase ein, die in ihrer Intensität von den jeweiligen Strkturen abhängt und damit auch das sich ausbildende Kaltluftströmungsfeld beeinflusst.Im Umfeld innerstädtischer Grün- und Freiflächen handelt es sich dabei meist um eher kleinräumig ausgeprägte Luftaustauschprozesse, bei denen der Kaltluftvolumenstrom kaum über 90m³/s hinausgeht. Die Kaltluft wirkt, abhängig von der Größe einer Kaltluft produzierenden Fläche und der umgebenden Bebauung, zwischen 50m und 300m in die Bebauung ein. Dies macht deutlich, dass vor allem eine ausreichende Zahl und günstige Lage dieser Entlastungsflächen für die Reduzierung innerstädtischer Belastungen von Bedeutung ist. Hohe bzw. sehr hohe Volumenströme sind zu diesem Zeitschnitt lediglich in den Randbezirken zu beobachten und stehen meist im Zusammenhang mit lokalen Kaltluftabflüssen. Diese sind am östlichen Havelufer entlang des Grunewaldes oder südlich des Großen Müggelsees im Stadtforst Bürgerheide anzutreffen.

Zum Zeitpunkt 04:00 Uhr ist die Abkühlung der Grün- und Freiflächen und damit auch die Kaltluftproduktion deutlich fortgeschritten Die Spanne der Eindringtiefe variiert spürbar und beträgt, abhängig von den baustrukturellen Bedingungen, zwischen 100m und mehr als 1000m. In Bereichen durchgrünter Siedlungstypen kommt zusätzlich noch deren ‚eigenbürtige‘ Erzeugung von Kaltluft hinzu, die sich dann günstigen bioklimatischen Bedingungen dort niederschlägt (SenStadtUm 2016). Teile der innerstädtischen Block- und Blockrandbebauung sowie der bezirklichen Zentren werden hingegen auch in der zweiten Nachthälfte nicht nennenswert von Kaltluft durchströmt, da ihre hohe Bebauungsdichte und das damit höhere Temperaturniveau etwaige Kaltluftströmungen abschwächen, soweit sie sich überhaupt im potenziellen Einwirkbereich von Auzsgleichsflächen befinden.

Karte 04.10.2 Bodennahe Lufttemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Ausschlaggebend für die Temperaturverteilung sind die landnutzungsabhängigen Boden- und Oberflächeneigenschaften sowie deren Wechselwirkungen mit den atmosphärischen Prozessen in der bodennahen Grenzschicht. Innerhalb des Erdbodens sind dabei Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Bedeutung. Je größer etwa die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ist, umso schneller und tiefer kann Wärme in das entsprechende Material eindringen, aber auch wieder von diesem abgegeben werden.
Die Oberflächenbeschaffenheit natürlicher und künstlicher Flächen bestimmt über die Albedo (Reflexionsvermögen) und die Emissivität die Menge an Energie, die im kurzwelligen und im langwelligen Bereich der Strahlung für eine Erwärmung / Abkühlung zur Verfügung steht. Schließlich spielt der Turbulenzzustand der bodennahen Atmosphäre eine große Rolle für den Transport von fühlbarer und latenter Energie vom Erdboden weg oder zu diesem hin (vgl. Karte 04.06 Oberflächentemperatur bei Tag und Nacht, Ausgabe 2001 ).

Alle genannten Prozesse sind über die Energiebilanz des Erdbodens miteinander verknüpft und bestimmen die Temperatur der Oberflächen und der darüber liegenden Luftschichten.

Karteninhalt

Die Temperaturverhältnisse der bodennahen Atmosphäre werden ebenfalls auf Raster- und Blockbasis sowie zu unterschiedlichen Tageszeiten als Ebenen der Hauptkarte abgebildet.

Generell sind zwar die nächtlichen Temperaturverteilungen aussagekräftiger zur Bewertung der klimatischen Potenziale an Ent- und Belastung von Flächen, jedoch zeigen sich auch in den Mittagsstunden (14:00 Uhr) entsprechend der Flächenverteilung d charakteristische Unterschiede. Sowohl versiegelte Areale als auch rasengeprägte Freiflächen werden tagsüber stark aufgeheizt, was auf die intensive Sonneneinstrahlung, den Mangel an Verschattung sowie die starke Erwärmung der bodennahen Luftschicht zurückzuführen ist. Die auftretenden Temperaturen können hier zwischen 30°C und 32°C betragen, welche im Rahmen der modellierten sommerlichen Situation die höchsten Werte darstellt.

Sowohl Waldflächen als auch größere innerstädtische Grünanlagen wie der Große Tiergarten weisen um diese Zeit in ihren baumbestandenen Teilen etwa 3K niedrigere Temperaturen auf.

Baulich geprägte Gebiete liegen in ihrem Temperaturniveau zwar insgesamt höher, jedoch ist hier in der Rasterdarstellung eine die jeweilige kleinräumige Situation widerspiegelnde Differenzierung des Temperaturverhaltens festzustellen. Dies ist ein Ergebnis der mit dieser Version der Klimamodellierung einhergehenden weiteren Detaillierung von Datengrundlagen und Modellraster. Dadurch wird es nunmehr möglich, beispielsweise Rasterzellen mit Bäumen oder Rasen in ihrem Temperaturverhalten von versiegelten Flächen zu unterscheiden und entsprechend unterschiedlich zu bewerten. Die blockbezogene Aggregation glättet die Unterschiede durch die nicht gewichtete Mittelwertbildung.

Über Wasserflächen sind aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität die niedrigsten Werte anzutreffen, sie verhalten sich sehr homogen und wirken tagsüber klimatisch ausgleichend.

In Abhängigkeit von den individuellen Oberflächeneigenschaften der verschiedenen Landnutzungen kühlt sich die Erdoberfläche im Laufe der Nacht unterschiedlich stark ab, die Temperaturverteilung um 04:00 Uhr morgens spiegelt in etwa den Zeitpunkt der stärksten Abkühlung wider.

Während bei Wasserflächen diese Abkühlung aufgrund des guten Wärmespeichervermögens nur sehr gering ausfällt, zeigen Freiflächen wie Äcker und Wiesen einen starken Temperaturrückgang. Dies liegt in der ungehinderten, langwelligen Ausstrahlung dieser Flächen begründet, wobei der Bodenwärmestrom durch Trockenheit zusätzlich reduziert werden kann. Bei Waldflächen schützt das Kronendach die darunter liegende bodennahe Atmosphäre vor einer starken Abkühlung; daher heben sich Wälder in der Temperaturverteilung als relativ warme Gebiete hervor.

In den mehr oder weniger bebauten Bereichen wird die Abkühlung durch die vorhandenen wärmespeichernden Materialien wie Beton und Stein deutlich reduziert. Zum einen trägt die tagsüber gespeicherte Wärmemenge dazu bei, dass die Temperatur nicht so stark zurückgeht. Zum anderen werden durch die niedrigen Windgeschwindigkeiten turbulenter und latenter Wärmestrom reduziert, die den Abtransport wärmerer Luft bewerkstelligen könnten. Die städtisch geprägten Gebiete bleiben somit insgesamt wärmer. Die Temperaturunterschiede zum unbebauten Stadtrand bzw. dem Umland können in den frühen Morgenstunden mehr als 8K betragen. Diese großen horizontalen Unterschiede werden in der Benachbarung zu innerstädtischen Freiflächen nicht ganz erreicht, z.T. findet auch ein negativer Einfluss aus den bebauten Bereichen in die Grünflächen statt.

Karte 04.10.3 Strahlungstemperatur (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Die Strahlungstemperatur ist eine wichtige Komponente für die Berechnung der bioklimatischen Bewertungsindices, wie den hier genutzten Indikator PET (vgl. Karte 04.10.5), da sie einen großen Einfluss auf die Wärmebilanz des Menschen hat.
Sie ist definiert als „einheitliche Temperatur einer schwarz strahlenden Umschließungsfläche, die zum gleichen Strahlungsenergiegewinn eines Menschen führt wie die aktuellen…kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse“ (Matzarakis, A., Rutz, F., Mayer, H., 2000). Sie berücksichtigt die verschiedenen Strahlungsflüsse auf den Menschen, wozu die direkte (kurzwellige) Sonnenstrahlung, die diffuse Himmelsstrahlung, die kurzwellige Reflexstrahlung, die Gegenstrahlung der Atmosphäre sowie die von den Oberflächen ausgehende Infrarotstrahlung zählen. Die berechneten Größen in °C dürfen jedoch aufgrund dieser komplexen Werte-Zusammensetzung nicht direkt mit den Lufttemperaturwerten des betrachteten Rasters bzw. Blockes gleichgesetzt werden.
Den unterschiedlichen Tagesverlauf der Strahlungs- und Lufttemperatur verdeutlicht Abb. 10.

Abb. 10: Tagesgänge von Lufttemperatur Ta, mittlerer Strahlungstemperatur Tmrt (aus Strahlungsmessungen: Tmrt,meas.; berechnet über RayMan: Tmrt,calc.) und Bodenoberflächentemperatur Ts (aus Strahlungsmessungen: Ts,meas.; berechnet über RayMan: Ts,calc.) an einem schönen Sommertag über Baumkronen (Überschirmungsgrad: 0,88) auf einer Grünfläche im nördlichen Stadtzentrum von Freiburg; Bezugshöhe für Ta und Tmrt: 1,1 m Höhe über Grund

Karteninhalt

Die Strahlungstemperatur um 14:00 Uhr zeigt dass die Ausprägung dieses Parameters vor allem über die solare Einstrahlung gesteuert wird. Dabei weisen sowohl Äcker und Wiesen als auch versiegelte Flächen die höchsten Werte auf. In Waldflächen liegt aufgrund der Schattenwirkung des Kronendaches die niedrigste Strahlungstemperatur vor. In den Siedlungsflächen wird, bedingt durch das Nebeneinander von Gebäuden, versiegelter Fläche und Bäumen, ein kleinräumiges Mosaik von hohen und niedrigen Temperaturen berechnet. Das Werteniveau über Gewässerflächen liegt zwischen dem von Wald- und Siedlungsarealen. Dies ist zurückzuführen auf die hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers, seine besondere Art der Strahlungsabsorption und die im Wasserkörper stattfindenden turbulenten Durchmischungsvorgänge.

Zum Zeitpunkt 04:00 Uhr wird die Strahlungstemperatur vor allem über die (langwellige) Wärmeausstrahlung der verschiedenen Oberflächenstrukturen gesteuert. Dabei sind die höchsten Werte innerhalb der dicht bebauten Siedlungsgebiete festzustellen, was auf das hohe Bauvolumen und deren Wärmeabgabe in den Nachtstunden zurückzuführen ist. Wenig niedriger ist die Strahlungstemperatur über den Wasserflächen, welche die tagsüber gespeicherte Wärme nun z.T. wieder abgeben. Über den größeren Wiesen und Ackerflächen liegen die niedrigsten Werte vor, da deren Oberflächen gleichzeitig auch die höchste nächtliche Abkühlung aufweisen. Analog zur Lufttemperatur ist die Strahlungstemperatur in Waldbeständen in den Nachtstunden höher als über Freiland, aber immer noch niedriger als in den Siedlungsflächen.
Die mögliche Gesamtdifferenz zwischen den höchsten (dichte Blockbebauung) und niedrigsten Werten (offenes Freiland) liegt bei der Strahlungstemperatur in den Nachtstunden bei rund 9,5 ° Kelvin (K).

Karte 04.10.4 Nächtliche Abkühlung zwischen 22:00 Uhr und 04:00 Uhr

Karte 04.10.4 zeigt die nächtliche Abkühlung Oberflächen der einzelnen Strukturen zwischen den Zeitpunkten 22:00 und 04:00 Uhr pro Rasterzelle bzw. als Blockmittelwert in Kelvin (K) pro Stunde. Das Ausmaß der Abkühlung kann dabei – je nach den landnutzungsabhängigen physikalischen Boden- und Oberflächeneigenschaften – große Unterschiede aufweisen. Die Stadtstrukturen zeichnen sich dahingehend in charakteristischer Weise ab. Die niedrigste Abkühlung liegt aufgrund deren hoher Wärmeleitfähigkeit und -kapazität über Gewässerflächen sowie den Siedlungsflächen mit hoher baulicher Dichte vor. Eine mäßige nächtliche Abkühlung ist in einem Großteil der übrigen Bebauung anzutreffen. Waldflächen und stark durchgrünte Siedlungstypen weisen dagegen deutlich höhere Abkühlungsraten auf. Diese ist über Äcker und Wiesen am stärksten ausgeprägt.

Karte 04.10.5 Bewertungsindex Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) (14:00 Uhr und 04:00 Uhr)

Allgemeine Anmerkungen

Meteorologische Parameter wirken nicht unabhängig voneinander auf den Menschen ein. Von besonderer Bedeutung ist die Bewertung des thermischen Wirkungskomplexes. Hier spielen alle Klimaparameter, die den Wärmehaushalt des Menschen direkt beeinflussen eine Rolle: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und thermophysiologisch wirksame Strahlung. Zur Beurteilung des thermischen Wirkungskomplexes wurden die drei Verfahren

• Universal Thermal Climate Index (UTCI)
• Predicted Mean Vote (PMV) und
• Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET)

modelliert und verglichen.

Zur Bewertung der Tagsituation ist im Ergebnis der Index PET herangezogen worden (Höppe und Mayer 1987). Gegenüber den ebenfalls berechneten Indizes wie dem bisher verwendeten PMV hat PET vor allem den Vorteil, aufgrund seiner °C-Einheit auch von Nichtfachleuten besser nachvollzogen werden zu können. Darüber hinaus handelt es sich bei dem PET um eine Größe, die sich in der Fachwelt mittlerweile zu einer Art „Quasi-Standard“ entwickelt hat und umweltmedizinische Gesichtspunkte stärker berücksichtigt, so dass sich die Ergebnisse aus Berlin grundsätzlich auch mit denen aus anderen Städten (auch außerhalb Deutschlands) vergleichen lassen.

Der PET wurde aus dem Münchener Energiebilanzmodell MEMI abgeleitet und beruht wie auch die anderen Verfahren auf dem Wärmeaustausch des Menschen mit seiner Umgebung (Höppe 1984).
In Tab. 3 werden – bezogen nur auf die Tagesstunden – das thermische Empfinden (abgeleitet aus dem Verhalten einer „Standardperson“, die eine mittlere thermische Empfindlichkeit repräsentiert) und die physiologische Belastungsstufe dem Index PET gegenübergestellt. Bei 20°C stellt sich eine optimale Behaglichkeit ein. Bei höheren Werten liegt eine Wärmebelastung vor, während sich bei tieferen Werten Kältestress ergibt.

Tab. 3: Zuordnung von Schwellenwerten für den Bewertungsindex PET während der Tagesstunden

Karteninhalt

Die PET-Werte um 14:00 Uhr zeigen eine starke Abhängigkeit der auftretenden Wärmebelastung am Tage von der örtlichen Verschattungssituation. Eine mäßige Wärmebelastung an wolkenlosen Sommertagen mit starker Sonneneinstrahlung weisen dementsprechend Waldbestände sowie durch von Bäumen und Gehölzen geprägte Flächen auf. Hier tragen die verminderte direkte Sonneneinstrahlung durch Schattenwurf der Vegetation und die Verdunstung von Wasser zum vergleichsweise geringen Belastungspotential bei. Aufgrund ihrer Aufenthaltsqualität insbesondere in der Nachbarschaft stärker überbauter Quartieren kommt daher den innerstädtischen Grünflächen eine hervorgehoben wichtige Rolle zu. Dem stehen die stark besonnten Areale gegenüber, wo die Wärmebelastung am Tage die höchsten Werte aufweist. Dabei werden über Rasenflächen ähnlich hohe Temperaturen erreicht wie über versiegelten Arealen.

Die Situation am frühen Morgen für den Zeitschnitt 04:00 Uhr zeigt, dass Äcker und Wiesen – vor allem am Stadtrand und im Umland Berlins – kurz vor Sonnenaufgang stark abgekühlt haben, während die bebauten Stadträume in einem deutlich höheren Werteniveau verbleiben. Dieses wird lediglich durch die größeren innerstädtischen Grünflächen wie das Tempelhofer Feld, das Gleisdreieck oder den Großen Tiergarten unterbrochen, die sich je nach Vegetationsstruktur den PET-Werten der freien Flächen am Stadtrand oder im Umland angeglichen haben.

Karte 04.10.6 Meteorologische Kenntage

Allgemeine Anmerkungen

Bei Kenntnis der Häufigkeiten der Kenntage an einem Referenzstandort können die Häufigkeiten an anderer Stelle anhand der vorliegenden Temperaturdifferenz abgeschätzt werden. Auf Grundlage der simulierten Lufttemperaturen am Tage und in der Nacht am Messstandort Tempelhof (Bezugszeitraum 2001 bis 2010) wurde die Differenzen zur mittleren Temperatur pro ISU5-Block(teil)flächen bestimmt und die Häufigkeit der Kenntage pro Jahr ermittelt (vgl. Methode / ergänzende Hinweise).

Die Anzahl der Hitzetage stellt eine Untermenge der Sommertage dar und ist daher in der Karte der Tage mit ≥ 25°C enthalten.

Die Häufigkeit innerhalb der Siedlungsräume hängt von ihrer baulichen Dichte und ihrem Grünanteil ab. Daher weisen vor allem die Blöcke mit entsprechendem Überbauungsgrad und gegenläufigem Grünanteil wie Kerngebiete oder kerngebietsähnliche Nutzungen, Gewerbe- und Industriegebiete mit dichter Bebauung bzw. großflächiger Versiegelung sowie vergleichbare Flächentypen der Wohnbebauung die höchsten Werte sowohl bei den Sommer- als auch bei den Hitzetagen auf. Ebenfalls hohe Werte aufgrund des hohen Anteils offener rasengeprägter Abstandsflächen zeigen die Großsiedlungen und Punkthochhäuser welche sich am Tage stark erwärmen können. Dem stehen die mit einem ausgeprägten Baumbestand ausgestatteten durchgrünten Siedlungstypen wie z.B. in Charlottenburg-Wilmersdorf mit deutlich geringerer Anzahl an Sommer- und Hitzetagen gegenüber.

Auch die Grün- und Freiflächen weisen eine große Spannweite auf, wobei über den Acker- und Rasenflächen aufgrund der intensiven Sonneneinstrahlung eine hohe Anzahl von Sommer- und Hitzetagen pro Block vorliegt. Aufgrund ihres Bestandsklimas ist die Häufigkeit innerhalb von Waldarealen am niedrigsten.

Bei den nächtlichen Tiefsttemperaturen und damit auch bei der Anzahl der Tropennächte zeichnet sich in den Blockflächen deutlich der Einfluss der darin vorhandenen Bebauung und damit der städtische Wärmeinseleffekt ab. Die meisten Tropennächte sind somit in der City-Ost und Teilen der City-West zu erkennen. Dem stehen die durchgrünten Siedlungstypen bzw. die stadtrandnahe Bebauung mit einer geringen Anzahl gegenüber. Die übrige Bebauung nimmt in ihrem nächtlichen Temperaturniveau und damit in der Menge der Tropennächte eine mittlere Position ein.

Acker- und Rasenflächen weisen aufgrund ihrer starken nächtlichen Abkühlung nur eine geringe Anzahl von Tropennächten auf. Diese ist bei Waldarealen etwas höher ausgeprägt und von der Menge her in etwa mit gut durchgrünten Siedlungsflächen wie z.B. Villenbebauung vergleichbar.

Karte 04.10.7 Klimaanalysekarte

Allgemeine Anmerkungen

Die Klimaanalysekarte bildet den planungsrelevanten Ist-Zustand der Klimasituation ab. Dazu werden das Ausmaß der städtischen Überwärmung, die Ausgleichsleistungen kaltluftproduzierender Flächen sowie räumliche Beziehungen zwischen Ausgleichs- und Wirkungsräumen dargestellt. Einbezogen werden auch die Auswirkungen von Freiflächen des Umlandes auf das Stadtgebiet.

Die Differenzierung der Raumeinheiten „Siedlungsraum“ und „Grün- und Freiflächenbestand“ folgt einer Systematik, die sich aus den Flächentypen des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) (SenStadt 2010) ableitet. Vertiefende Informationen zur Ableitung dieser Raumeinheiten finden sich im Begleittext zur Planungshinweiskarte Stadtklima hier (SenStadtUm 2016). Abb. 11 stellt die räumliche Verteilung über das Stadtgebiet dar.

Abb. 11: Gesamtstädtische Verteilung der Raumeinheiten des Klimamodells auf der Basis der Flächentypen des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU)

Grün- und Freiflächenbestand

Vegetationsbestandene Freiflächen mit nennenswerter Kaltluftproduktion stellen klima- und immissionsökologische Ausgleichsräume dar. Eine hohe langwellige nächtliche Ausstrahlung während austauscharmer Hochdruckwetterlagen führt zu einer starken Abkühlung der bodennahen Luftschicht. Die Menge der produzierten Kaltluft hängt ab vom vorherrschenden Vegetationstyp, den Bodeneigenschaften und der damit verbundenen nächtlichen Abkühlungsrate.

Die Gesamtfläche der potenziell kaltluftproduzierenden Grünflächen innerhalb des Stadtgebietes beziffert sich auf ca. 351km², was einem Flächenanteil von rund 39,5% des gesamten Stadtgebietes entspricht und als hoch angesehen werden kann. Die Ausprägung der Kaltluftlieferung innerhalb von Grünarealen ist dabei zumeist räumlich differenziert. Oft weisen bei innerstädtischen Grünflächen die zentralen Bereiche einen eher niedrigen Kaltluftvolumenstrom auf im Vergleich zu den an die Bebauung angrenzenden Teilflächen. Dies ist darauf zurück zu führen, dass, angetrieben durch den Temperaturunterschied zwischen Freifläche und Bebauung, die Kaltluft erst beschleunigt werden muss und dann die Werte in Richtung auf die Bebauung zunehmen. Im Übergangsbereich von Grünfläche und Bebauung sind der Temperaturgradient und damit auch die Intensität des Luftaustausches am höchsten. Areale mit einem Volumenstrom >90m³/s werden in der Karte daher als Bereiche hohen und sehr hohen Luftaustausches hervorgehoben (vgl. Tab. 2). Zum Teil setzen sich diese Bereiche auch als Flächen mit der Inwertsetzung „Kaltlufteinwirkbereich im Siedlungsraum“ in die bebauten Gebiete fort.

Als Leitbahnen für den Kaltlufttransport fungieren große, linear ausgeprägte Freiflächen mit einer verhältnismäßig geringen Oberflächenrauigkeit. Hinsichtlich dieser Funktion sind drei Bereiche des Havel- bzw. Spreetals als bedeutsam zu nennen. Zum einen der Havelabschnitt zwischen Pichelssee und Ruhlebener Straße, der auf einer Länge von ca. 3km Kaltluft nach Norden in den Stadtteil Spandau führt. Zum anderen tritt der Rummelsburger See als Teil der Spree hervor, über den Kaltluft von Alt-Treptow und vom Plänterwald nach Rummelsburg strömt. Darüber hinaus ist noch ein Abschnitt der Dahme entlang von Grünauer- und Regattastraße zu nennen. Diese Ergebnisse decken sich mit den Befunden eines Gutachtens des Deutschen Wetterdienstes (DWD 1996).

Aufgrund der wenig ausgeprägten Orographie sind solch relieforientierte Luftleitbahnen aber eher selten. Ein wesentlicher Beitrag der Niederungsbereiche von Fließgewässern zum Transport von Kaltluft aus dem Berliner Umland in das Stadtgebiet ist nicht zu erkennen, vielmehr treten nur Teile der Flusstäler innerhalb des Stadtgebietes als Leitbahnen in Erscheinung.

Siedlungsräume

Wie bereits im Kapitel Methode beschrieben, ist der nächtliche Wärmeinseleffekt mit Hilfe des statistischen Verfahrens der Z-Transformation der modellierten nächtlichen Lufttemperatur in 2m über Grund ermittelt worden. Mit diesem Vorgehen lässt sich eine räumliche Untergliederung des Siedlungsraumes nach dem Kriterium der nächtlichen Überwärmung gegenüber Freilandverhältnissen durchführen. Im Rahmen der Bestimmung der Bereiche mit bioklimatischer Belastung während der Nacht in der Planungshinweiskarte wurde ebenfalls die Verteilung der Lufttemperatur herangezogen (SenStadtUm 2016).

Vor allem Gebiete mit der Klassifikation „Wärmeinseleffekt nicht vorhanden bzw. schwach“ stehen mehr oder weniger unter dem positiven Einfluss eines Kaltlufteinwirkbereiches und sind in diesen Fällen zumeist auch durch eine ausreichende Durchlüftung gekennzeichnet, deren Reichweite in die Bebauung zum einen abhängt von der Kaltluftproduktivität (auch in der Bebauung selbst), zum anderen aber auch von der Hinderniswirkung des jeweiligen Bebauungstyps. Vor allem in den dichten bebauten Quartieren können auch im Einflussbereich von kaltluftproduzierenden Flächen stehende Blöcke als Flächen mit mäßigem bis starken Wärmeinseleffekt in den Nachtstunden bewertet werden. Diese lokalen Phänomene deuten darauf hin, dass in diesen Fällen die Wirkung der herangeführten Kaltluft nicht ausreicht, eine deutliche Minderung der Lufttemperatur herbeizuführen.
Dem stehen die Siedlungsflächen mit hohem Durchgrünungsgrad gegenüber, welche nur eine schwache bzw. keine nächtliche Überwärmung aufweisen. Bebaute Gebiete mit klimarelevanter Funktion weisen eine offene Siedlungsstruktur mit einem Gesamtversiegelungsgrad von weniger als 30% sowie keine oder höchstens geringe Überwärmung auf; sie tragen damit potenziell zur lokalen Kaltluftentstehung bei. Der konkrete lokale Effekt ist jedoch von der jeweiligen örtlichen Situation, d.h. z.B. wesentlich von der Vegetationsausstattung abhängig. Typische Flächentypen sind diejenigen der Einzel-, Reihen- und Doppelhäuser bzw. generell der Bebauung mit Gärten und Umgrünung. Oft grenzen sie an Kaltluft produzierende Grünareale an und tragen so zur Durchlüftung von weiter entfernten Siedlungsflächen mit nächtlicher Überwärmung bei.

Luftaustausch

Strukturen, die den Luftaustausch ermöglichen und Kaltluft heranführen, sind das zentrale Bindeglied zwischen Ausgleichsräumen und bioklimatisch belasteten Wirkungsräumen. Leitbahnen sollten generell eine geringe Oberflächenrauigkeit aufweisen, wobei gehölzarme Tal- und Auenbereiche, größere Grünflächen (vor allem mit ihren offenen, niedrig bewachsenen Bereichen) und Bahnareale als geeignete Strukturen in Frage kommen. Breite Straßen können aufgrund ihrer Immissionsbelastung nur dem Klimaausgleich, nicht jedoch dem Heranführen unbelasteter Luft dienen. Die Leitbahnen werden in der Klimaanalysekarte hinsichtlich des Prozessgeschehens untergliedert. Im ‚Idealfall‘ stellt eine kaltluftproduzierende Fläche auch einen Teilbereich einer Leitbahn dar.

Es überwiegen die vorwiegend thermisch induzierten Leitbahntypen mit einer rein auf die nutzungsbedingten Temperaturunterschiede zurückzuführenden Ausgleichsströmung. Beispielhaft für solche Strömungsbereiche im innerstädtischen Bereich können die Kleingartenanlagen am Priesterweg angeführt werden, die Kaltluft vom Friedhof an der Bergstraße in Steglitz sowie vom Insulaner in Richtung Norden transportieren. Ähnlich verhält es sich bezüglich der Kleingartenanlagen am Heckerdamm sowie des Volksparks Rehberge, hier wird ein Teil der auf dem Flughafen Tegel produzierten Kaltluft in Richtung Innenstadt weitergeleitet.

Insgesamt konzentrieren sich die erkannten thermisch induzierten Leitbahnen in folgenden Bereichen:

• nördlich der Linie Tegel – Lichtenberg
• westlich des Schlossparkes Charlottenburg bis zur Stadtgrenze in Staaken; z.T. wird Kaltluft aus dem nördlichen Gatower Feld sowie dem Umland herangeführt
• im Süden östlich der Stadtgrenze zu Groß-Ziethen in den Ortsteilen Rudow und Bohnsdorf.

Flächen in der direkten Benachbarung Grün/Bebauung wurden nicht als Teil einer Leitbahn ausgewiesen.

Vorwiegend orographisch induzierte Leitbahnen sind auf das östliche Stadtgebiet konzentriert. Dabei handelt es sich um Talbereiche etwa der Wuhle und des Mühlenfließes, die aufgrund ihrer Ausrichtung, Breite und Oberflächenbeschaffenheit Leitbahnfunktionen übernehmen. Im westlichen Stadtgebiet kann dahingehend die vom Grunewald ausgehende Tiefenlinie Hundekehlsee – Dianasee – Koenigssee – Halensee eingeordnet werden.

Die Niederungen der größeren Fließgewässer wie Spree und Havel gehen über diese Funktion hinaus und besitzen zudem eine Eigenschaft als übergeordnete Luftleit- und Ventilationsbahnen. Sie begünstigen den Luftaustausch in der angrenzenden Bebauung auch bei stärkeren, übergeordneten Wetterlagen.

Ein flächenhafter Kaltluftabfluss ist auf Areale mit Hangneigungen >1° begrenzt und tritt im Stadtgebiet Berlin aufgrund der vergleichsweise geringen Höhenunterschiede eher selten auf. Daher ist dieser Prozess an die wenigen Bereiche mit einer nennenswerten Hangneigung wie die des Grunewalds und der Köpenicker Bürgerheide gekoppelt. Darüber hinaus kann nördlich des Tegeler Sees, in Kaulsdorf sowie im Forst Düppel vereinzelt von einem Kaltluftabfluss ausgegangen werden. Die Kaltluftlieferung ist auf diesen geneigten Waldflächen überdurchschnittlich hoch, da die Ausstrahlung und damit die primäre Abkühlung hauptsächlich aus dem oberen Kronenbereich und nicht aus unmittelbarer Bodennähe erfolgt. Aufgrund der großen, ausstrahlenden Oberfläche des Bestandes fließt die Kaltluft auch im und über den Kronenbereich ab, statt erst in den Stammraum einzusinken (Groß 1989).

Sonstige Ausweisungen

Die lufthygienische Situation im Hauptstraßennetz wird über den Index der Luftbelastung auf Grundlage der Schadstoffe Stickstoffdioxid (NO₂) und Feinstaub (PM10) abgebildet (SenStadtUm 2011). Die räumliche Verteilung der Belastungssituation hängt eng mit den Verkehrsmengen sowie der entlang der Straßenabschnitte vorhandenen Bebauung zusammen. Letztere beeinflusst die Verdünnung und den Abtransport lufthygienisch belasteter Luftmassen, so das eine erhöhte Belastung vor allem in den dichter bebauten Stadträumen mit hohen Verkehrsmengen anzutreffen ist.

Windfeldveränderungen, d.h. die Neigung zu starken Turbulenzen sowie Auf- und Abwinden können im Umfeld größerer Gebäude auftreten, wie sie in den Bebauungstypologien heterogener, innerstädtischer Mischbebauung, Großsiedlungen und Punkthochhäusern sowie Kerngebietsnutzungen vorliegen. Mit diesen Veränderungen sind einerseits positive Wirkungen wie stärkere Verwirbelung lufthygienischer Belastungen verbunden, andererseits treten jedoch auch vermehrt Einschränkungen im Windkomfort auf. Von den Gewässerflächen im Stadtgebiet Berlin geht an Tagen mit Wärmebelastung eine Kühlfunktion für das nähere Umfeld aus. Darüber hinaus dienen sie als Luftleit- und Ventilationsbahnen auch bei austauschstärkeren Wetterlagen.

Lärmschutzeinrichtungen sind an Abschnitten entlang lärmemittierender Verkehrswege und entsprechend sensiblen Nutzungen vorhanden. Sie sind vor allem entlang der Bundesautobahn A 113 sowie entlang von Bahnstrecken im südlichen und westlichen Stadtgebiet ausgewiesen. Sie stellen in dieser Karte eine Zusatzinformation dar, da sie in der Modellierung im Hinblick auf ihren möglichen Einfluss auf die Ausbreitung von Luftmassen nicht exlizit berücksichtigt werden konnten.

Nicht bewertete Flächen stellen Gewässer, einige Plätze, Gleise einschließlich umgebenden Gleisschotters dar.

Kartenbeschreibung / ergänzende Hinweise

Nachfolgend werden anhand eines etwa 5km x 3km großen Beispielraums im Bezirk Charlottenburg-Wilmersdorf die modellierten Klimaparameter sowie die daraus abgeleitete Klimaanalysekarte (04.10.7) und die Planungshinweiskarte (04.11.1) (SenStadtUm 2016) erläutert. Der Text ergänzt damit die Inhalte des Kapitels Kartenbeschreibung.

Allgemeine Anmerkungen

Das Areal weist eine große Bandbreite der in Berlin vorhandenen Nutzungstypologien auf und ist daher besonders für eine vertiefende Darstellung der stadtklimatischen Zusammenhänge geeignet. Es erstreckt sich vom Grunewaldsee im Südwesten bis zum Hohenzollernplatz im Nordosten und wird durch den diagonalen Verlauf der Autobahn A 100 geprägt (vgl. Abb. 12). Rasterzellen, die Gebäude repräsentieren, sind in Schwarz dargestellt.

Abb. 12: Ausdehnung und Nutzungsstruktur im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Karte 04.10.1 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstrom

Da sich das kleinskalige Windfeld in dem ausgewählten Ausschnitt nicht sinnvoll abbilden lässt, erfolgt die Darstellung des Kaltluftströmungsfelds am Beispiel des rasterbasierten Kaltluftvolumenstroms (vgl. Abb. 13). Der Kaltluftvolumenstrom weist auf großer Fläche ein hohes bis sehr hohes Werteniveau auf und reicht weit in die östlich umgebende Bebauung, was auf die intensive Kaltluftentstehung im Bereich des Grunewaldes zurückzuführen ist. Begünstigt wird dies überdies durch Kaltluftabflüsse, welche bei Hangneigungen von mehr als 1° über dem östlichen Grunewald auftreten.

Abb. 13: Kaltluftvolumenstrom um 04:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Dabei werden vor allem die angrenzenden stark durchgrünten Siedlungsflächen von einem sehr hohen Volumenstrom begünstigt. Aufgrund ihrer geringen Oberflächenrauigkeit und ihrer eigenen Kaltluftproduktion können diese Bebauungsstrukturen bereits aus sich heraus als positiv klimarelevant angesehen werden. Nach Osten hin weist der Volumenstrom bis zur A 100 noch einen hohen Wert auf und sinkt darüber hinaus auf ein mäßiges Niveau ab. Dies liegt in der allmählich ansteigende Bebauungsdichte und dem höheren Temperaturniveau begründet, welche den Kaltuftvolumenstrom abschwächen. Östlich der Brandenburgischen Straße geht er auf einen geringen Wert zurück.

Im Kartenbild fallen weiterhin Oberflächenstrukturen auf, welche die Kaltluft weit in die Bebauung eindringen lassen. Dabei handelt es sich um gering überbaute, vegetationsgeprägte Flächen. Im Norden des dargestellten Ausschnittes tritt dahingehend die Grünachse Dianasee-Koenigssee-Halensee im Zusammenhang mit den angrenzenden Gleisanlagen als Kaltluftleitbahn mit einem sehr hohen Kaltluftvolumenstrom hervor. Südlich ist der Grünverbund Sommerbad Wilmersdorf-Friedhof Wilmersdorf/Fennsee als Luftaustauschbereich erkennbar. Der hohe bis sehr hohe Volumenstrom setzt sich über die Uhlandstraße hinaus bis in den Volkspark Wilmersdorf fort und verdeutlicht die Leitbahnpotenzial solcher Grünstrukturen.

Videoanimation Kaltluftströmung

Um die Wirkungsweise bodennaher Kaltluftströmungen zu verdeutlichen, wurde mit Hilfe des verwendeten Klimamodelles FITNAH 3D eine Video-Animation berechnet, die die Einflüsse der unterschiedlichen Flächennutzungen im Beispielraum Charlottenburg-Wilmersdorf auf ihre Umgebung verdeutlichen. Im Mittelpunkt stehen der Übergangsbereich vom Grunewald als bedeutende Kaltluft produzierende Waldfläche und die angrenzende Bebauung. Grundlage für die Darstellung ist der Kaltluftvolumenstrom, der, ausgehend vom Zeitpunkt 22:00 Uhr, in einer zeitlichen Auflösung von 7,5 Minuten bis 03:00 Uhr morgens ausgewertet wurde. Der Grunewald hat eine wichtige stadtklimatische Funktion als Kaltluftproduktionsfläche für die an ihn östlich angrenzenden Bebauungen in Charlottenburg-Wilmersdorf bzw. Steglitz-Zehlendorf. Diese Kaltuftlieferungen Richtung östlich angrenzender Bebauung sind in weiten Teilen vor allem durch Kaltluftabflüsse geprägt, die bei Hangneigungen von mehr als 1 ° auftreten können. Gespeist durch diese bodennahen Strömungen ist der Bereich nördlich des Halensees zwischen den S-Bahnhöhen Grunewald und Charlottenburg als Kaltluftleitbahn einzuordnen. Die besondere klimatische Funktion des Grunewaldes entlang seines rund 11 km langen Übergangbereiches zur Bebauung wurde bereits im Beschreibungstext zur Ausgabe 2009 ausführlich dargelegt (SenStadt 2009).

Kaltluftausströmung im Übergangsbereich Grunewald - Siedlung Eichkamp - Halensee - Visualisierung der kühlenden Wirkung des Waldes

Die Animation soll die Funktionsweise kaltluftproduzierender Areale am Beispiel des östlichen Grunewaldes im Bezirk Charlottenburg-Wilmersdorf verdeutlichen. Eine hohe langwellige nächtliche Ausstrahlung während austauscharmer Hochdruckwetterlagen führt zu einer starken Abkühlung der bodennahen Luftschicht. In deren Folge fließt die Kaltluft bei Hangneigungen von mehr als 1 ° über das Gelände nach Osten hin in die angrenzende Bebauung ab. Dabei zeichnet sich der Bereich des gering überbauten Gleisareals südlich der Messe Berlin als Kaltluftleitbahn ab.

Die Animation beruht auf einer Strömungsmodellierung unter Verwendung des Klimamodelles FITNAH 3D, für die insgesamt 40 Zeitschnitte berechnet worden sind. Dargestellt wird der Kaltluftvolumenstrom in qualitativer Ausprägung in vier Klassen. Während ein geringer Volumenstrom keine Flächenfarbe aufweist, wird ein mittlerer Wert in Grün abgebildet. Ein hoher bzw. sehr hoher Volumenstrom wird in Hellblau bzw. Dunkelblau dargestellt.

Eine zweite Informationsebene stellen die überlagerten Trajektorien (Bahnkurven) einzelner Luftpakete dar, welche die Fließrichtung der Kaltluft repräsentieren. Die reale Integrationszeit der Animation beläuft sich auf 5 Stunden.

Dabei weisen die Bereiche, in denen das Kaltluftvolumen und die Fließgeschwindigkeit im Verlauf einer Nacht ansteigen, eine konzentrische Zunahme auf. Aufgrund der intensiven Kaltluftentstehung erfolgt ein flächenhaftes Einwirken in die Siedlungsflächen. Ab etwa 01:00 Uhr morgens tritt ein sehr hoher Kaltluftvolumenstrom in Höhe der Hilde-Ephraim-Straße sowie im Umfeld des Autobahn-Dreiecks Funkturm auf. Im weiteren Verlauf der Nacht intensiviert sich der Zustrom von Kaltluft aus dem Grunewald, so dass dieser Bereich als Kaltluftleitbahn ausgewiesen ist. Diese Strukturen sind im stadtklimatischen Wirkungsgefüge als besonders schützenswert anzusehen.

Karte 04.10.2 Bodennahe Lufttemperatur

Das für 04.00 Uhr in der Nacht simulierte Temperaturfeld umfasst zwischen Minimalwerten von 13,9°C und Maximalwerten von 21.2°C eine Spannweite von etwa 7 Kelvin (K) (vgl. Abb. 14). Entsprechend der baustrukturellen Ausprägung nimmt das Temperaturniveau ausgehend vom Grunewald in Richtung City West allmählich zu. Die niedrigste Lufttemperatur ist mit 13,9°C nördlich des Grunewaldsees über der Rasenfläche des Hundekehlefenn festzustellen. Als weiteres herausragendes Kaltluftgebiet – auch aufgrund seiner Größe – heben sich innerhalb der Bebauungsbereiche die Kleingartenareale südlich der Forckenbeckstraße hervor. Hinsichtlich ihres Abkühlungsverhaltes etwas schwächer ausgeprägt liegen die Werte im Friedhof Wilmersdorf zwischen 14,5°C und 16°C; über den kleineren Grünflächen ist die nächtliche Abkühlung je nach Flächengröße weniger stark ausgeprägt.

Abb. 14: Bodennahe Lufttemperatur um 04:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Innerhalb der bebauten Bereiche ist die Temperaturausprägung entsprechend der Verteilung von Bau- und Grünvolumen räumlich differenziert. Während größere begrünte Blockinnenhöfe vergleichsweise niedrige Lufttemperaturen von 17°C bis 18°C aufweisen können, liegen diese in (vollständig) versiegelten Höfen ähnlicher Größe sowie breiten Straßenräumen um bis zu 1,5 Kelvin (K) höher. Die durchgrünten Siedlungsflächen weisen Werte zwischen 16°C und 18°C auf. Auf diesem Niveau sind auch die Lufttemperaturen über Gewässerflächen einzuordnen.

Karte 04.10.3 Strahlungstemperatur

Als wichtige Einflussgröße für die Berechnung des bioklimatischen Bewertungsindex Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) wird die Ausprägung der Strahlungstemperatur am Tage vor allem durch die solare Einstrahlung bestimmt. In dem in Abb. 15 dargestellten Vertiefungsraum treten zur simulierten Mittagsstunde um 14:00 an einem strahlungsreichen Sommertag Werte von weniger als 35°C in 2 m Höhe nur in den baumgeprägten Nutzungen im Schatten auf. Daher sind die vergleichsweise niedrigen Temperaturen flächendeckend im Grunewald anzutreffen, während dies in den Siedlungsarealen an vorhandene Baumbestände gekoppelt ist. Somit sind in der an den Grunewald angrenzenden durchgrünten Siedlungen tendenziell niedrigere Werte anzutreffen als in der stärker versiegelten und weniger durchgrünten Bebauung östlich der A 100.
Sowohl hier als auch in den breiten Straßenräumen kann die Strahlungstemperatur in nicht beschatteten Bereichen auf über 50°C ansteigen. Durch Straßenbäume etwa kann dieses Werteniveau lokal unterbrochen werden. Dahingehend zeichnen sich der Kurfürstendamm am oberen Bildrand sowie der diagonal durch das Gebiet verlaufende Hohenzollerndamm ab. Auffällig ist, dass auch die Rasenbereiche innerhalb von Grünflächen aufgrund fehlender Abschattung hohe Strahlungstemperaturen aufweisen, die nur geringfügig unter denen versiegelter Flächen liegen.

Abb. 15: Strahlungstemperatur um 14:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Karte 04.10.4 Nächtliche Abkühlung

Die nächtliche Abkühlung pro Raster zwischen 22:00 und 04:00 Uhr in einer strahlungsreichen Sommernacht zeigt Abb. 16, Die Abkühlung der verschiedenen nicht gebäudebestandenen Oberflächenstrukturen geht mit ihren jeweiligen thermischen Eigenschaften wie dem Wärmestrom einher. Dieser beeinflusst, wie viel Energie am Tage von einer Oberfläche aufgenommen und im Material gespeichert bzw. in den Nachtstunden wieder an die bodennahe Atmosphäre abgegeben wird.

Abb. 16: Nächtliche Abkühlungsrate zwischen 22:00 und 04:00 in einer strahlungsreichen Sommernacht im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Entsprechend der baustrukturellen Ausprägung dominiert östlich der A 100 eine mäßige bis geringe nächtliche Abkühlung von -0,75 bis -0,25 Kelvin (K) pro Stunde, was auf den erhöhten Anteil versiegelter und überbauter Fläche zurückzuführen ist. Lediglich die in die Bebauung eingestreuten Grünareale weisen mit -1,0 bis -0,75 K eine hohe Abkühlungsrate auf. Diese ist flächenhaft vor allem im Grunewald bzw. den vorgelagerten durchgrünten Siedlungstypen sowie Grünflächen wie den Kleingärten an der Forckenbeckstrasse sowie dem Friedhof Wilmersdorf anzutreffen. Einhergehend mit der wärmespeichernden Eigenschaft des Wassers ist über Gewässerflächen eine ähnlich geringe nächtliche Abkühlung zu beobachten wie in den dichter bebauten Stadträumen.

Karte 04.10.5 Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET)

Zur Beurteilung der Wärmebelastung am Tage wird in der Planungshinweiskarte (Karte 04.11.1) die Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) herangezogen, welche auf dem Wärmeaustausch des Menschen mit seiner Umgebung beruht (Höppe 1984). Dabei spielen die strahlungsbezogenen Energieflüssen eine zentrale Rolle, so dass die räumliche Verteilung der PET eng mit der Ausprägung der Strahlungstemperatur verknüpft, Während über den Gewässerflächen die niedrigsten Werte von weniger als 30°C zu beobachten sind, tritt unter dem Schatten spendenden Kronendach des Grunewaldes eine PET von etwa 30°C bis 31°C auf (vgl. Abb. 17). Dieses Temperaturniveau setzt sich, abhängig von Baumbestand, auch in den angrenzenden durchgrünten Siedlungsflächen weiter fort. Daher weisen diese während sommerlicher Wetterlagen mit potenzieller Wärmebelastung über die Nachtsituation hinaus auch am Tage günstige bioklimatische Bedingungen auf.

Abb. 17: Verhalten des Bewertungsindex PET (Physiologisch Äquivalente Temperatur) um 14:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

In den übrigen Stadtstrukturen sind Werte zwischen 33°C und 35°C anzutreffen, welche über den größeren stark besonnten Flächenanteilen auch darüber hinaus gehen können. Dahingehend treten der Verlauf der A 100, größere ebenerdig versiegelte Bereiche sowie Sportplätze hervor, die frei besonnt sind. In den Straßenräumen ist unter Bäumen die PET um 1 bis 2 K niedriger, so dass sie hier die Aufenthaltsqualität deutlich verbessern und das Gehen oder Radfahren im Schatten angenehmer gestalten. Die durch Rasen geprägten Anteile von Grün- und Freiflächen weisen dagegen ähnlich hohe Werte wie ein Großteil des Straßenraums auf. Die Spanne der in den dargestellten Ausschnitt auftretenden Temperaturen beträgt somit etwa 13 K. Zur Einordnung der Werte des PET hinsichtlich des thermischen Empfindens und der physiologischen Belastung vgl. Tab. 3.

Karte 04.10.6 Meteorologische Kenntage

Im Rahmen der Stadtklimaanalyse wurden für die Block- und Blockteilflächen des ISU5 verschiedene Kenntage ermittelt (vgl. Methode) und die durchschnittliche Häufigkeit des Auftretens pro Jahr (bezogen auf den Zeitraum 2001-2010) berechnet (Gewässer- und Straßenflächen wurden nicht bewertet).

Die Ausprägung der Sommertage (T_max ≥25°C) im Beispielraum zeigt Abb. 18. Flächentypen mit hohem Grünanteil weisen eine geringe Anzahl an Sommertagen auf. Während die Anzahl hier weniger als 42 Tage/Jahr beträgt, nimmt sie im Zusammenhang mit dem nach Osten hin ansteigenden Überbauungs- und Versiegelungsgrad zu. So tritt innerhalb der Blockrandbebauung im Bereich Hohenzollerndamm an 42 bis 44 Tagen/Jahr eine Maximumtemperatur von mindestens 25°C auf. Darüber hinaus ist häufig eine Anzahl von 46 bis 48 Sommertage/Jahr anzutreffen, etwa im Bereich des Stadions Wilmersdorf/Sommerbad; hier wird deutlich, dass sich frei besonnte Rasenflächen mit starker Erwärmung am Tage steigernd auf die Anzahl der Sommertage auswirken (dagegen in der nacht Flächen intensiver Abkühlung darstellen (vgl. Abb. 14 und Abb. 16). Östlich der A 100 steigt die Anzahl der Sommertage kleinräumig auch über 50 Tage/Jahr an.

Abb. 18: Anzahl der Sommertage (Temperaturmaximum ≥ 25°C) pro Block im Durchschnitt der Jahre 2001-2010 im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Die Spannweite der auftretenden Hitzetage/Jahr beträgt zwischen weniger als 5 im Grunewald und mehr als 12 über den größeren ebenerdig versiegelten Arealen z.B. im Umfeld des Messedamms oder im Bereich des Heizkraftwerks Wilmersdorf (vgl. Abb. 19). Darüber hinaus weisen auch die Gleisanlagen entlang der A 100 eine ähnlich hohe Anzahl an Sommertagen auf. Die Siedlungsflächen liegen wertebezogen zwischen diesen Extremen und verhalten sich – in abgemilderter Form – vergleichbar der Ausprägung an Sommertagen. Die Spanne der hier auftretenden Anzahl an Hitzetagen beträgt meist zwischen 7 und 11 Tage/Jahr.

Abb. 19: Anzahl der Hitzetage (Temperaturmaximum ≥ 30°C) pro Block im Durchschnitt der Jahre 2001-2010 im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Die Ermittlung der Tropennächte pro Jahr gibt Aufschluss über das nächtliche Temperaturniveau und die damit einhergehende thermische Situation, da bei nächtlichen Minimumtemperaturen von ≥ 20°C bioklimatisch belastende Bedingungen auftreten können. Die Anzahl der Tropennächte/Jahr pro Blockfläche ist eng an das nächtliche Temperaturniveau gekoppelt. Dabei sind es vor allem die Areale mit einer geringen nächtlichen Abkühlung (vgl. Abb. 16), welche sich in Abb. 20 mit mehr als 8 Tropennächte/Jahr abzeichnen. Westlich der A 100 ist, einhergehend mit einer mäßigen bis hohen nächtlichen Abkühlung, auch die Anzahl der Tropennächte geringer. Sie beträgt in den Siedlungsflächen 5 bis 8 Nächte/Jahr und geht über dem Gleisareal westlich des Halensees sowie dem ausgedehnten Kleingartenareal südlich der Forckenbeckstrasse auf weniger als 4 Tropennächte/Jahr zurück und bestätigt deren intensives Kaltlufbildungspotenzial.
Insgesamt gesehen spiegelt sich somit das Mosaik der verschiedenen Nutzungen und ihr klimatisches Verhalten über den Tagesverlauf deutlich in den Auswertungen der Kenntage wider.

Abb. 20: Anzahl der Tropennächte (Temperaturminimum ≥ 20°C) pro Block im Durchschnitt der Jahre 2001-2010 im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Karte 04.10.7 Klimaanalysekarte

Die Klimaanalysekarte stellt das Hauptergebnis des Analyseteils der Klimamodellierung mit FITNAH 3D dar und beruht auf den beschriebenen meteorologischen Parametern. Aus der Abgrenzung von Produktions- und Wirkräumen sowie ihren verbindenden Strukturen ergibt sich ein komplexes Bild vom Prozesssystem der Luftaustauschströmungen des Gefüges an bebauten und begrünten Flächen.

Die Grün- und Freiflächen werden in der Klimaanalysekarte als klimatische Ausgleichsräume dargestellt, wobei im betrachteten Beispielraum aufgrund des intensiven Luftaustausches ein Großteil davon auch einen klimaöokologisch wirksamen Kaltluftvolumenstrom aufweist. Lediglich die kleineren Grünflächen östlich der Brandenburgischen Straße fallen aus dieser Bewertung (vgl. Abb. 21).

Abb. 21: Aussagen der zusammenfassenden Klimaanalysekarte im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Ein Großteil der Siedlungsflächen liegt daher im Einwirkbereich dieser Kaltluftentstehungsgebiete, welche sich über die A 100 hinaus etwa bis in Höhe der Brandenburgischen Straße fortsetzen. Zudem sind die durchgrünten Siedlungsflächen als bebaute Gebiete mit klimarelevanter Funktion ausgewiesen. Ein nächtlicher Wärmeinseleffekt ist hier nicht anzutreffen, da die Lufttemperatur um 04:00 Uhr unter dem Durchschnittswert aller untersuchten Siedlungsflächen im Stadtgebiet liegt. Im Umfeld von Dianasee, Koenigssee und Hubertussee bildet sich die Wärmeabgabe der Wasserflächen in einer leichten Überwärmung innerhalb der Blockflächen ab. Diese nimmt in Richtung auf Hohenzollerndamm und A 100 insgesamt zu, wobei östlich der A 100 ein mäßiger Wärmeinseleffekt dominiert. Am Kurfürstendamm treten einzelne Baublöcke dann auch mit einer starken Überwärmung hervor.

Der Luftaustausch am östlichen Grunewald wird vor allem durch Kaltluftabflüsse geprägt, welche bei Hangneigungen von mehr als 1° auftreten können. Zudem ist der Bereich nördlich des Halensees zwischen den S-Bahnhöhen Grunewald und Charlottenburg als Kaltluftleitbahn einzuordnen. Die lufthygienische Situation ist durch den Verlauf mehrerer stark befahrener Hauptstraßen gekennzeichnet. Dahingehend weisen vor allem Kurfürstendamm und Hohenzollerndamm eine hohe bis sehr hohe lufthygienische Belastung auf. Westlich der A 100 liegt dagegen meist eine geringe bis mäßige Belastung durch die verkehrsbezogenen Schadstoffe Feinstaub (PM10) und Stickstoffdioxid (NO₂) vor (detaillierte Informationen bietet die Umweltatlaskarte 03.11. (Ausgabe 2011).

Einzelne Blockflächen weisen ein Potenzial für Windfeldveränderungen auf. Dabei handelt es sich beispielsweise um Großsiedlungen wie die Autobahnüberbauung Schlangenbader Straße oder die Kerngebietsnutzung im Bereich Kurfürstendamm.

Abb. 22: Aussagen der Hauptkarte zur Planungshinweiskarte Stadtklima im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Eine Bewertung der in der Klimaanalysekarte dargestellten Funktionen aus planerischer Sicht (Schutzwürdigkeit / thermische Gunst- bzw. Ungunstsituation) erfolgt in der Planungshinweiskarte Stadtklima . Sie stellt die planerische Inwertsetzung der erzeugten Modelldaten sowie der daraus abgeleiteten Klimaanalysekarte dar und ist die zentrale Informationsbasis für Abwägungs- und Ent-scheidungsprozesses aus stadtklimatischer Sicht. Den entsprechenden Ausschnitt zum Beispielraum zeigt Abb. 22.

Die Beurteilung der thermischen Bedingungen im Siedlungsraum beruht auf der Kombination von nächtlicher Lufttemperatur und Physiologisch Äquivalenter Temperatur (PET) am Tage. Daher sind in den durchgrünten Siedlungstypen westlich der A 100 sehr günstige bis günstige Bedingungen anzutreffen. Mit nach Osten hin zunehmendem Überbauungs- und Versiegelungsgrad nimmt auch die Wärmebelastung insgesamt zu. Bioklimatisch ungünstige Bedingungen sind vor allem im Umfeld von Kurfürstendamm, Hohenzollerndamm und Brandenburgischer Straße anzutreffen.

Die thermische Situation im Straßenraum basiert auf einer Bewertung der PET, sie wird an sommerlichen Strahlungstagen im Wesentlichen durch den Grad der Besonnung negativ bzw. die Schattenwirkung durch Gebäude bzw. Bäume positiv bestimmt. Dahingehend sind einige Abschnitte von Kurfürstendamm und Hohenzollerndamm als günstig bis sehr günstig einzuordnen. Dem stehen die am Tage intensiv besonnten Straßenräume gegenüber, welche eine weniger günstige bzw. ungünstige Aufenthaltsqualität aufweisen.

Die Schutzwürdigkeit der Grün- und Freiflächen ist im Beispielraum fast flächendeckend als hoch bis sehr hoch anzusehen, was in der der räumlichen Nähe zu bioklimatisch belasteten Siedlungsflächen einerseits und der intensiven nächtlichen kühlenden Einwirkung auf die bebauten Bereiche andererseits begründet liegt. Zudem wird der Kaltluftleitbahnbereich in Höhe Halensee flächenhaft als Leitbahnkorridor abgegrenzt. Eine detaillierte Beschreibung der Methode Struktur der drei Karten zur Planungshinweiskarte findet sich im Begleitdokument .