Klimamodell Berlin - Bewertungskarten 2005

Methode

Die abzugrenzenden klimatischen Funktionsräume sollen Aussagen darüber liefern, in welchen Gebieten

• einerseits ein Potential zur Entlastung anderer (angrenzender und auch weiter entfernter) Räume vorhanden ist,
• andererseits über den großräumigen Einfluss hinaus die stärksten Zusatzbelastungen zu erwarten sind,
• bevorzugt Luftaustauschbereiche anzunehmen sind, d.h. eine wichtige Rolle für den bodennahen Frischlufttransport übernommen wird.

Die Ausprägungen der verschiedenen klimaökologischen Größen werden zur besseren planerischen Einordnung in ein bewertendes Klassifikationsschema überführt. Diese Einstufungen erfolgen nach fachlichen Vorgaben und orientieren sich hinsichtlich der Klassenbreiten an dem im Untersuchungsraum vorliegenden Wertespektrum. Im Folgenden wird die qualitative Abstufung der ermittelten Parameter, untergliedert nach den thematischen Einheiten, erläutert. Daran anschließend wird auf die planerische Einordnung der Strukturelemente eingegangen.

Grün- und Freiflächenbestand

Als kaltluftproduzierende Bereiche gelten vegetationsgeprägte Freiflächen wie Wälder, Park- und Friedhofanlagen, aber auch grünbestimmte Siedlungen mit einem geringem Versiegelungsgrad (in der Regel unter 30 %). Zur besseren Handhabung wurden die ca. 13 500 relevanten Einzelflächen des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) zu ca. 700 miteinander funktional verbundenen Grünflächeneinheiten aggregiert, wobei die Zusammenfassung vorrangig nach dem Aspekt der räumlichen Nähe erfolgte. Somit bilden mehrere (Teil-) Grünflächen eine zusammengehörige Einheit mit einer Mindestgröße von 0,5 Hektar (vgl. Abbildung 1).

Abb. 1: Grünflächenaggregierung am Beispiel des Flughafens Tempelhof und mit ihm funktional verbundener Bereiche. Die dunkelgrüne Linie zeichnet den Umriss der einzelnen Bestandteile der Grünflächeneinheit nach.

Für die Charakterisierung der Ausgleichsleistung von Grünflächen im Stadtgebiet sowie der Kaltluftentstehungsgebiete des Umlandes wird in der Klimafunktionskarte der Kaltluftmassenstrom herangezogen. Er drückt den Zustrom von Kaltluft aus den benachbarten Rasterzellen in m³/s pro 50 m Rasterzelle aus, wie er im Rahmen der Analysephase der Modellanwendung ermittelt wurde (vgl. dazu Karte 04.10 Klimamodell Berlin, Ausgabe 2009).

Am Beispiel des ehemaligen Flughafens Tempelhof wird in Abbildung 2 das bodennahe Strömungsbild, wie es zur Abgrenzung der Kaltlufteinwirkbereiche herangezogen wurde, illustriert.

Abb. 2: Bodennahes Strömungsfeld und Kaltlufteinwirkbereich des ehemaligen Flughafens Tempelhof

Die Einstufung des innerhalb von Grünflächen auftretenden Kaltluftvolumenstrom orientiert sich an dem in der VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1 (VDI 2008) beschriebenen Verfahren zur Z-Transformation. Dieses Vorgehen legt allgemein das lokale/regionale Werteniveau einer Analyse zugrunde und bewertet die Abweichung eines Parameters von den mittleren Verhältnissen in einem Untersuchungsraum. Als Resultat ergeben sich mit dieser Methode vier Bewertungskategorien (sehr günstig / günstig / weniger günstig / ungünstig), welche durch den Mittelwert sowie die obere und untere S1-Schranke (Standardabweichung) nach der Z-Transformation abgegrenzt werden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in der Standardisierung eines Klimaparameters und die daraus resultierende Vergleichbarkeit der Variablen untereinander oder mit anderen Untersuchungen.

Die qualitative Einordnung des Kaltluftvolumenstroms zeigt Tabelle 1, wobei für einen klimaökologisch wirksamen Massenstrom mindestens der Wertebereich von 0 bis -1 erreicht werden muss.

Entsprechend den Einstufungen in Tabelle wurde jeder Blockfläche der Grundkarte ISU5 ein mittlerer Z-Wert zugewiesen.

Tab. 1: Kaltluftlieferung der Kaltluftentstehungsflächen (Volumenstrom)

Die Reichweiten der Entlastungswirkungen werden in der Klimafunktionskarte als Einwirkbereiche der Kaltluftentstehungsgebiete bezeichnet und unter der Rubrik Siedlungsräume beschrieben.

Die Darstellung für die Kaltluftproduktionsflächen erfolgt in der Klimafunktionskarte als Flächenfarbe, zur Kennzeichnung der nach Berlin reichenden Kaltluftliefermengen der Freiflächen des Umlandes wird zusätzlich eine Pfeilsignatur verwendet. Über die Größe der Pfeile wird das Liefervermögen ausgedrückt, wohingegen die Pfeilrichtung die Hauptströmungsrichtung innerhalb eines Kaltlufteinzugsgebietes widerspiegelt. Im Kartenbild kommt der Einflussbereich der umlandbürtigen Kaltluftentstehungsgebiete auf das Stadtgebiet Berlins als Umrisslinien zur Darstellung. Sie sind nach dem Kaltluftströmungsfeld des 6.00 Uhr-Berechnungszeitpunktes abgegrenzt worden, so das sie das am Ende der Nacht voll ausgeprägte Einzugsgebiet widerspiegeln. Im Gegensatz zu den Grünflächen auf Berliner Stadtgebiet erhalten die Kaltluftentstehungsgebiete des Umlandes keine Planungshinweise.

Die planerische Einordnung einer kaltluftproduzierenden Grünfläche in der Planungshinweiskarte wird in erster Linie durch ihre Lage im Raum und ihrer Nähe zu Belastungsbereichen bestimmt. Die Empfindlichkeit gegenüber einer Nutzungsintensivierung geht mit der klimatischen Bedeutung für die zugeordneten Siedlungsräume einher (vgl. Tabelle 2).

Für die Flächen mit der stadtklimatischen Bedeutung “sehr hoch” gilt die höchste Empfindlichkeit gegenüber Bebauung, Parzellierung und Versiegelung; sie sind im Gegenteil in ihrer Funktion nachhaltig zu unterstützen, d.h. vor allem durch Vermeidung von Schadstoffemissionen innerhalb dieser Flächen oder mit Wirkung auf diese Flächen.

Zur weiteren Verdeutlichung des lufthygienischen Belastungspotenziales für Grünflächen wurden Areale innerhalb von Grünflächen abgegrenzt, in welchen NO₂-Konzentrationen von mehr als 80 µg/m³ während austauscharmer Wetterlagen auftreten können (vgl. Kartenbeschreibung Karte 04.11.2 Grün- und Freiflächenbestand).

Tab. 2: Planerische Einordnung der kaltluftproduzierenden Freiflächen

Freiflächen mit einer sehr geringen Kaltluftproduktion innerhalb von Belastungsbereichen wird nur eine geringe stadtklimatische Bedeutung angesprochen. Meist handelt es sich um Flächen, die aufgrund ihrer isolierten Lage in der Bebauung keine Anbindung an vorhandene Leitbahnen aufweisen und wegen der geringen Größe keine ausgleichende Strömung entstehen lassen. Sie können aber durchaus noch eine Funktion als klimaökologische Komfortinsel erfüllen.

Siedlungsräume

Die Siedlungsräume lassen sich in ausreichend durchlüftete Areale bzw. klimatisch günstige Siedlungsstrukturen einerseits sowie Belastungsbereiche andererseits untergliedern. Der Einwirkbereich der Kaltluftentstehungsgebiete kennzeichnet das maximale Ausströmen der Kaltluft aus den Freiflächen in die Umgebungsbebauung während einer sommerlichen Strahlungswetternacht zwischen 22.00 und 06.00 Uhr. Dabei ist als Abgrenzungskriterium des Einwirkbereiches eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 0,2 m/s zu erreichen, um sie noch als klimaökologisch relevant ansprechen zu können. Daraus folgt, dass die im Einwirkbereich befindliche Wohnbebauung eine überwiegend geringe bioklimatische Belastung aufweist. Im stärker verdichteten Innenstadtbereich kann das Belastungsniveau lokal jedoch so hoch ausfallen, dass es nicht immer durch eine auftretende Kaltluftströmung nennenswert abgesenkt werden kann.

Grundlage für die Ermittlung der bioklimatischen Belastung eines Baublockes ist der Bewertungsindex PMV (Predicted Mean Vote) als dimensionsloses Maß für die nächtliche Wärmebelastung. Analog zur Einordnung der Kaltluftlieferung von Grünflächen (vgl. Erläuterungen zu Tabelle 1) wurde eine Z-Transformation des PMV-Ergebnisrasters durchgeführt. Dafür wurde der PMV zum Zeitpunkt 04.00 Uhr herangezogen, welcher sich als am besten geeignet für die Ermittlung der bioklimatischen Belastung im Siedlungsraum herausstellte. Aufgrund der Heterogenität des Modellgebietes stellt dieser Zeitpunkt einen Kompromiss dar zwischen der Situation im innerstädtischen Raum einerseits und den peripheren Stadtteilen andererseits.

Die Belastungsklassen entsprechen den vier Kategorien gem. VDI-Richtlinie 3785 (ungünstig / weniger günstig / günstig / sehr günstig). Ausschlaggebend ist die jeweilige mittlere Ausprägung des Z-Wertes innerhalb einer Blockfläche, aus der sich die Zuordnung zu den Bewertungskategorien ergibt (vgl. Tabelle 3).

Tab. 3: Bioklimatische Belastung der Siedlungsräume

Bei der Belastungsklasse 4 “ungünstig” liegt eine überdurchschnittliche Wärmebelastung mit einem Z-Wert von mehr als 1 vor. Eine gewisse bioklimatische Belastung ist auch noch bei der Belastungsklasse 3 „Weniger günstig“ gegeben. Günstige Verhältnisse liegen hingegen bei den Klassen 2 und 1 vor und können aus bioklimatischer Sicht als positiv beurteilt werden.

Letztere Kategorie ist vor allem durch eine offene Siedlungsstruktur und einen hohen Durchgrünungsgrad gekennzeichnet und weist von allen Funktionsräumen am ehesten ein Potenzial zur baulichen Verdichtung auf. Nach derzeitigen Erkenntnissen wird eine behutsame Verdichtung dieser Flächen keine Neueinstufung in einen klimatisch ungünstigeren Bereich zur Folge haben. In welchen Größenordnungen im Einzelnen die Grenzen für eine bauliche Verdichtung liegen, kann pauschal nicht angegeben werden; in jedem Falle sind am Ort selbst die Möglichkeiten zu überprüfen, mit Maßnahmen wie Dach- oder Fassadenbegrünung sowie Begrenzung der Baumassen negative klimatische Effekte zu kompensieren.

Mit der humanbioklimatischen Belastung gehen auch die Empfindlichkeiten gegenüber einer Nutzungsintensivierung einher. Sie sind im Bereich der Belastungsklassen 3 und 4 als “sehr hoch”, in den übrigen Klassen als “hoch” anzusehen. Im wesentlichen handelt es sich um Gebiete hohen Versiegelungs- (> 60 %) und Überbauungsgrades (zumeist > 50 %).

Unter Nutzungsintensivierung wird eine Erhöhung des bebauten gegenüber dem unbebauten Flächenanteil verstanden. “Hierzu zählen die Umwandlung der natürlichen Bodenoberfläche in einen überwiegend aus künstlichen Materialien bestehenden und dreidimensional gestalteten Raum, die Reduzierung der mit Vegetation bedeckten Oberfläche sowie die Beeinflussung durch technische Einrichtungen, die Abwärme und Schadstoffemissionen verursachen” (Kuttler 1993).

Aufgrund der begrenzten Reichweite von Freiflächen sind für die Entlastung dieser Gebiete auch Maßnahmen im bebauten und verdichteten Gebiet selbst erforderlich. Von großer Bedeutung in diesem Zusammenhang ist die Begrünung von Stadtplätzen, Straßen, Gebäuden und Innenhöfen. Die Überwärmung kann so vermindert, der Feuchtigkeitsgehalt der Luft erhöht und Staub gebunden werden.

Die Erwärmung von Dächern hängt sehr stark von ihrer Farbe und ihrem Material ab (vgl. Karte 04.06). Am günstigsten verhalten sich begrünte Dächer, wobei die Art der Pflanzen eine große Rolle spielt. Jedoch muss die positive Auswirkung von hoch gelegenen Dächern auf den stärker belasteten Straßenraum als begrenzt angesehen werden. Insgesamt dürfte die Begrünung von Fassaden klimatisch wirksamer ausfallen. Umfangreiche Untersuchungen zur Bedeutung von Fassaden- und Dachbegrünungen für das Mikroklima wurden von Bartfelder und Köhler (1987) in Berlin durchgeführt.

Zur klimatisch-lufthygienischen Verbesserung des Wohnumfeldes gehört auch die Gestaltung bzw. die Vegetationsausstattung von Innenhofbereichen. Enge geschlossene Höfe zeichnen sich durch eine Verminderung der Tagestemperaturen und eine geringe Abkühlung in den Abend- und Nachtstunden aus. Die Besonnung ist stark eingeschränkt. Dies gilt auch für den Luftaustausch, woraus sich eine hohe Immissionsgefährdung ergibt. Die Begrünung dieser Höfe verbessert die klimatischen Bedingungen, wobei zur Förderung des Luftaustausches eine Wandbegrünung günstiger ist als das Pflanzen von Bäumen. Größere Hofanlagen erreichen gegenüber engen Höfen und gegenüber dem Straßenraum deutlich günstigere klimatische Eigenschaften, vor allem, wenn der Versiegelungsgrad gering und die Begrünung locker strukturiert ist. Die Abkühlungsrate in den Abend- und Nachtstunden ist hoch. Der Luftaustausch gilt als sehr gut. Eine Verbindung mit benachbarten kleineren Höfen über Baulücken fördert deren Be- und Entlüftung.

Im Verkehrsraum kennzeichnet die potenzielle verkehrsbedingte Luftbelastung entlang von Hauptverkehrsstraßen Straßenabschnitte, in denen der (Jahres-) Grenzwert der 22. BImSchV möglicherweise bzw. mit großer Wahrscheinlichkeit überschritten wird.

Luftaustausch

Leitbahnen verbinden Kaltluftentstehungsgebiete (Ausgleichsräume) und Belastungsbereiche (Wirkungsräume) miteinander und sind somit elementarer Bestandteil des Luftaustausches. Unter Berücksichtigung des Prozessgeschehens, wurden in den Karten vier unterschiedliche Luftaustauschtypen herausgearbeitet:

• Kaltluftleitbahn, vorwiegend thermisch induziert,
• Kaltluftleitbahn, vorwiegend orographisch induziert (z.B. kleinere Flussniederungen),
• Flächenhafter Kaltluftabfluss auf Hangbereichen (bei Hangneigungen > 1°),
• Großräumige Luftleit- und Ventilationsbahnen (Niederungen größerer Fließgewässer).

Die Ausweisung der Kaltluftleitbahnen orientiert sich am autochthonen Strömungsfeld der FITNAH-Simulation. Bei den ausgewiesenen Leitbahnen handelt es sich, mit Ausnahme der Flussniederungen, um vegetationsgeprägte Flächen mit einer linearen Ausrichtung auf Wirkungsräume. Die planerische Einordnung orientiert sich, analog zu den kaltluftproduzierenden Grün- und Freiflächen, an der Belastungssituation der zugeordneten Siedlungsräume.

Mit der hier beschriebenen Methodik unterscheidet sich die Herleitung insbesondere der Klimafunktionskarte in ihrem modellbasierten Ansatz grundlegend von den bisherigen, früher auch in Berlin verfolgten Vorgehensweisen. Die ehemalige Klimafunktionskarte (vgl. Abbildung 3)

Abb. 3: Ehemalige Klimafunktionskarte (04.07) des Umweltatlas Berlin (Stand 2001)

stützte sich zwar auf eine große Anzahl gemessener Klimaparameter, die Ausweisung flächenhafter Informationen und die Berücksichtigung funktionaler Verbindungen sowie der Wechselwirkungen der Flächen untereinander erfordert jedoch zusätzlich die Kenntnis der beschriebenen Strömungsfelder.

Diese Informationen sind flächendeckend bei einer Gebietsgröße von rund 1.780 km², wie sie durch die FITNAH-Anwendung abgedeckt wurde, jedoch nur durch numerische Modelle zu erlangen. Daraus folgt, das die frühere Abgrenzung der Belastungssituation des Siedlungsraums sowie der Ausgleichswirkung von Grünflächen lediglich einen relativen und nicht quantitativen Charakter besaß. Auch konnten in der Vergangenheit bevorzugte Flächen für den bodennahen Frischlufttransport nur aufgrund ihrer Struktur dargestellt bzw. zur weiteren Überprüfung vorgeschlagen werden. Kriterien für ihre Eignung waren vor allem eine geringe Rauhigkeit der Oberfläche, eine ausreichende Breite (möglichst mehr als das 10-fache der Höhe der umgebenden Randstrukturen) sowie überwiegend schwache Immissionsbelastungen. Nur für wenige Bereiche gab es eine messtechnische Untersuchung. Obwohl dieses Vorgehen eine einprägsame Typisierung der relevanten Flächen bietet, wird das Prozessgeschehen bei dieser eher statischen und strukturorientierten Betrachtung hingegen nicht oder nur indirekt berücksichtigt (VDI 1997).

Verkehrsbedingte Luftbelastung

Die Darstellung der potenziellen verkehrsbedingten Luftbelastung entlang von Hauptverkehrsstraßen und innerhalb von Grünflächen ergänzt das Spektrum auftretender Belastungen und möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit und das Wohlbefinden von Menschen.

Bezogen auf die Straßensituation handelt es sich um eine modellgestützte Berechnung für das Bezugsjahr 2005, die auf der Basis der aktuellsten flächendeckenden Verkehrszählungen abschätzt, inwiefern in einzelnen Straßenabschnitten der 40 µg/m³ NO₂ Jahres-Grenzwert der 22. BImSchV, der bis zum 01.01.2010 einzuhalten ist, möglicherweise oder mit großer Wahrscheinlichkeit überschritten wird.

Um auch räumlich darstellen zu können, inwieweit und wo innerhalb von Grünflächen die Luftbelastung von den großräumigen lufthygienischen Bedingungen (der lufthygienische Hintergrundsituation) signifikant abweichen kann, wurde mit FITNAH eine Simulation der NO₂-Ausbreitung unter den gegebenen Randbedingungen eines Sommertages durchgeführt.

Es wurden dabei ergänzend die straßenabschnittsbezogenen Hintergrundwerte der NO₂-Belastung, d.h. die mit dem Programmsystem IMMIS berechneten Konzentrationen im Über-Dach-Niveau genutzt, so dass aus der Verbindung der NO₂-Emissionswerte und der Hintergrundbelastung einerseits sowie der strömungstechnischen Berechnungen aus der Modellanwendung andererseits ein gutes 50m x 50m Raster der Konzentrationen im Umfeld der Hauptstraßen ermittelt werden konnte. Als Randparameter wurden für das gesamte Untersuchungsgebiet zusätzlich die Gebäudedaten der Automatisierten Liegenschaftskarte ALK mit individuellen Gebäudehöhenangaben eingespeist.