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Beitragsserie Klimaänderung und Klimaschutz

1© ecomed verlagsgesellschaft AG & Co. KG, D-86899 Landsberg und Ft. Worth/TX • Tokyo • Mumbai • Seoul • Melbourne • ParisUWSF – Z Umweltchem Ökotox 2004 (OnlineFirst) 1 – 13

Beitragsserie: Klimaänderung und Klimaschutz

Hrsg.: Prof. Dr. Detlev Möller, Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus, Lehrstuhl für Luftchemie und Luftreinhaltung,Volmerstr. 13, D-12489 Berlin ([email protected]; http://www.luft.tu-cottbus.de)

StadtklimaTeil 1: Grundzüge und Ursachen*

Wilhelm Kuttler

Universität Duisburg-Essen, Campus Essen, Institut für Geographie, Abt. Angewandte Klimatologie und Landschaftsökologie,Universitätsstraße 5, D-45141 Essen, ([email protected])

Abstract

Urban Climate. Part 1: Fundamentals and Causes

This two-part review paper is attended to the urban climate.After referring to the spatial and temporal scales as well as tothe historical developments in urban climate, Part 1 introducesthe methods of measuring urban climate parameters and thecharacteristics of the urban climate in relation to its rural sur-roundings. Examples are given for some central-European cit-ies. The premises and causes of the urban climate are discussed:the conversion of natural ground cover into sealed surfaces,anthropogenic heat release and emissions of air pollutants. Theimportance of factors like the behaviour of thermal and hydro-logical properties of urban surfaces which influence urban cli-mate in the micro- and mesoscale are described by means ofsome examples. Implications for the resulting energy balance ofurban surfaces are quantified in terms of the sub-surface heatflux, the sensible and latent heat flux densities.

Part 2 (Main features and effects) describes the features andhuman-biometeorological effects of the urban climate, takes upplanning aspects and discusses the impact of global warming tourban climate.

Keywords: Air pollution; anthropogenic heat flux; climatope;hydrological surface parameters; measurement methods; meso-climatology; microclimatology; thermal surface parameters;urban climate features; urban surfaces

DOI: http://dx.doi.org/10.1065/uwsf2004.03.078

Zusammenfassung. Dieser Übersichtsartikel besteht aus zwei Tei-len und widmet sich der Stadtklimatologie. In Teil 1 werdennach kurzer Darstellung der Raum- und Zeitskalen des Stadt-klimas sowie der Behandlung seiner geschichtlichen Entwick-lung die Charakteristika des urbanen Klimas im Vergleich zumnicht versiegelten Umland am Beispiel mitteleuropäischerBallungsräume vorgestellt. Anschließend werden die Vorausset-zungen und Ursachen des Stadtklimas diskutiert: die Umwand-lung des natürlichen Untergrundes in versiegelte Flächen, dieanthropogene Wärmefreisetzung sowie die Emission von Luft-verunreinigungen. Wichtige Einflussgrößen, wie das Verhaltender thermischen und hydrologischen Eigenschaften urbanerOberflächen, die im Mikro- und Mesoskalabereich die stadt-klimatisch wirksam werdenden Komponenten steuern, werdenan Beispielen erläutert. Die hieraus für die Energiebilanz städti-scher Oberflächen resultierenden Beträge werden für den Boden-wärmestrom (thermische Speichergröße) sowie für die sensib-len und latenten turbulenten Wärmeflussdichten quantifiziert.

Teil 2 (Phänomene und Wirkungen) behandelt die Charakteris-tika stadtklimatischer Phänomene, widmet sich human-bio-meteorologischen Problemen, greift anwendungsbezogene As-pekte auf und beleuchtet den Einfluss globaler Temperaturerhö-hungen auf das Stadtklima.

Schlagwörter: Anthropogene Wärmeflussdichten; anthropoge-ne atmosphärische Spurenstoffe; hydrologische Oberflächen-eigenschaften; Klimatop; Mesoklimatologie; Messmethoden;Mikroklimatologie; thermische Oberflächeneigenschaften; ur-bane Oberflächen; Stadtklimaeigenschaften

Einleitung

Der urbane Siedlungsraum verursacht im Vergleich zu sei-ner nicht bebauten Umgebung klimatische und luft-hygienische Veränderungen, die allgemein unter dem Begriff'Stadtklima' zusammengefasst werden. Hierunter verstehtman ein mit der Bebauung in Wechselwirkung stehendesKlima, das zusätzlich durch Abwärme und anthropogeneatmosphärische Spurenstoffe modifiziert wird.

Vielerorts ist der städtische Lebensraum mit Einbußen an Um-weltqualität verbunden, wodurch es zu gesundheitlichen Be-einträchtigungen der Stadtbewohner kommen kann. Der hei-ße Sommer 2003 hat z.B. auch die negativen Seiten des Klimas

in zahlreichen Städten Europas durch hohe und lang andauern-de thermische Belastungen, die kaum durch die natürliche nächt-liche Abkühlung gemindert werden konnten, deutlich vor Au-gen geführt. Auch wenn es sich für die mittleren Breiten hierbeiklimatologisch um ein seltenes Ereignis handelt, dürften sichunter der Annahme eines globalen Temperaturanstiegs die Stadt-klimaeffekte weltweit verschärfen.

Da im Verlauf des 21. Jahrhunderts mehr als 70% der Erd-bevölkerung in Städten – darunter in 27 Megastädten mitjeweils 10 Mio. Einwohnern – leben wird (Birg 1996), mussdavon ausgegangen werden, dass immer mehr Menschen denmeist nachteiligen stadtklimatischen Auswirkungen ausge-setzt sein werden. Diese Entwicklung zu verhindern oderzumindest positiv zu beeinflussen, dazu sind Wissenschaftund Stadtplanung weltweit aufgerufen.* Teil 2: Phänomene und Wirkungen (folgt in der UWSF-Augustausgabe)

Klimaänderung und Klimaschutz Beitragsserie

2 UWSF – Z Umweltchem Ökotox 2004 (OnlineFirst)

1 Stellung des Stadtklimas innerhalb der Klimatologieund geschichtliche Aspekte

1.1 Das Stadtklima und seine Stellung in der Klimatologie

Die Stadtklimatologie ist als raumbezogene Wissenschaft derMikro- und Mesoklimatologie zuzurechnen, jener Fach-disziplin, die sich mit der Analyse des lokalen und regiona-len Klimas beschäftigt. Je nach Größe der zu untersuchen-den Städte und des Umfangs der zugrunde liegendenFragestellungen sind Prozesse innerhalb der atmosphärischenGrenzschicht zu behandeln, deren horizontale und vertikaleMaßstäbe mehrere Größenordnungen umfassen können. DasSpektrum stadtklimatischer Arbeiten kann beispielsweise dieBestimmung der Oberflächenenergiebilanz einer Hauswandoder Straßendecke ebenso umfassen wie die dreidimensio-nale quantitative und qualitative Analyse regional wirksa-mer Belüftungssysteme ganzer Siedlungsbereiche. Tabelle 1enthält eine exemplarische Aufstellung stadtklimatischerProzesse mit entsprechenden Größenskalen. Ergänzend wur-den Angaben zu den üblicherweise in der räumlichen Pla-nung verwendeten Kartenmaßstäben hinzugefügt.

Die Stadtklimatologie ist auch Teil der Umweltmeteorologie1,die sich mit den stofflichen und energetischen Wechsel-wirkungen zwischen der Atmosphäre und der anthropoge-nen Lebensumwelt beschäftigt (Kuttler und Dütemeyer 2003;Mayer und Matzarakis 2003). Das generell einen Siedlungs-raum charakterisierende Stadtklima setzt sich aus einer Viel-zahl eigenständiger Mikroklimate zusammen, die durch dieunterschiedliche urbane Flächennutzung verursacht wird undin ihrer Gesamtheit letztlich das Klima eines Siedlungsraumesbildet (Helbig 1987).

Im Vergleich zum Umland sind die stadtklimatischen Be-sonderheiten ganzjährig zu beobachten. Sie bilden sich je-

doch am ausgeprägtesten während autochthoner, das heißtwindschwacher sonnenscheinreicher Wetterlagen heraus,jenen als 'eigenbürtig' zu bezeichnenden Witterungsab-schnitten, die vornehmlich bei antizyklonalen Großwetterla-gen entstehen und durch ausgeprägte Tagesgänge der meistenmeteorologischen Elemente gekennzeichnet sind. Dadurchist das jeweilige Auftreten der stärksten stadtklimatischenUnterschiede im Allgemeinen an die Dauer weniger Tagegebunden. In Mitteleuropa weisen durchschnittlich etwa20% der Tage und 30% der Nächte eines Jahres die Cha-rakteristika von Strahlungswetter auf (Wilmers 1976). Zuder erwähnten räumlichen Abgrenzung ergibt sich somit aucheine zeitliche Abhängigkeit des Stadtklimas, die an die Dau-er der meist nach Tagen zu bemessenden Witterungsabschnit-te gebunden ist.

Obwohl die stadtklimatischen Auswirkungen in erster Liniedie Mikro- bis Mesoskala betreffen, wird durch dieFreisetzung strahlungsbeeinflussender und langlebiger Luft-inhaltsstoffe (z.B. CO2, CH4) neben dem regionalen auchdas globale Klima beeinträchtigt (Houghton et al. 2001). Inwelchem Maße der globale Temperaturanstieg auf das urbaneKlima zurückwirkt, wird in Teil 2 behandelt.

Stadtklimauntersuchungen sind entweder Bestandteil derGrundlagenforschung oder anwendungsorientiert ausgerich-tet. Der planungsrelevante Aspekt hat in den vergangenenJahrzehnten auch dadurch an Bedeutung gewonnen, dassdie Faktoren 'Klima' und 'Luft' in zahlreiche gesetzliche Re-gelwerke Eingang fanden.

1.2 Geschichtliche Aspekte

Die Anfänge der Stadtklimatologie lassen sich zeitlich rela-tiv weit – sogar bis ins Altertum – zurückverfolgen. ErsteArbeiten auf diesem Gebiet werden Vitruvius (75 v.Chr. –26 v.Chr.; 'Stadtplanung und Klimabedingungen') und Horaz(ca. 24 v.Chr.; 'Luftverschmutzung in Rom') zugeschrieben(Zusammenstellung bei Yoshino 1990/91, Möller 2003).Dabei wurden insbesondere Probleme der Stadtplanung inZusammenhang mit den klimatischen und lufthygienischenEinflüssen behandelt, und zwar ausgehend von Untersuchun-gen in der Stadt Rom, später – im Mittelalter – in der vorallem unter der Erhöhten Belastung mit anthropogenen at-mosphärischen Spurenstoffen in erheblichem Maße leiden-

Horizontale Erstreckung

Atmosphärische Phänomene

Skalenbezeichnung Planungsebene Üblicher Kartenmaßstab

200 km Gebirgseinflüsse, Land-/Seewind, Wolkencluster

Meso-Skala β Landesplanung 1:500 000

20 km urbane Wärmeinsel, Gewitterzellen

Meso-Skala γ Regionalplanung 1:50 000

2 km Kühlturmschwaden, Konvektion, Tornados

Mikro-Skala α Standort-, Flächennutzungs- planung

1:10 000

200 m Staubtromben, Thermik, Bauwerkseffekte

Mikro-Skala β Bebauungsplanung

1:500

20 m Kleinräumige Turbulenz, Bauwerkseffekte

Mikro-Skala γ

Tabelle 1: Skaleneinteilung atmosphärischer Phänomene in der Mikro- und Meso-Skala sowie zugeordnete Größen der räumlichen Planung (nachHöschele 1984; hier in der Zusammenstellung von Matzarakis 2001, ergänzt)

1 Die Umweltmeteorologie ist als Teilgebiet der Angewandten Meteorolo-gie aufzufassen. Die Analyse der genannten Wechselwirkungen umfasstdie physikalischen und chemischen Zustände und Prozesse der Atmos-phäre 'in ihrer Auswirkung auf den Menschen ebenso, wie die anthropo-genen Eingriffe und deren Folgen auf die atmosphärische Umwelt. Zielder umweltmeteorologischen Forschung ist es, Lösungswege zur Ver-meidung bzw. Verbesserung von schädlichen Umwelteinflüssen aufzu-zeigen. Die Umweltmeteorologie bedient sich dabei einer über den inter-disziplinären Ansatz hinausgehenden transdisziplinären Arbeitsweise'(Kuttler und Dütemeyer 2003, S. 15).


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den Stadt London. Hier widmete sich als einer der erstenJohn Evelyn (1620–1706) in Einzelstudien der 'Luftverpes-tung' in ihrer Abhängigkeit zu den vorherrschenden Wind-richtungen, dem Problem der 'Stadttemperatur' und des'City Fogs'. Im Jahre 1661 fasste dieser seine Ergebnisse inder weithin bekannt gewordenen Monographie 'Fumifu-gium' zusammen.

Auf ersten systematischen Messungen beruhende Untersu-chungen der stadtklimatischen Verhältnisse von London ge-hen hingegen auf den englischen Chemiker und ApothekerLuke Howard (1772–1864) zurück, der für die damaligenVerhältnisse schon mit großer Genauigkeit die thermischenUnterschiede zwischen London und seiner Umgebung in ih-rer zeitlichen und räumlichen Abhängigkeit untersuchte undderen Zustandekommen erklärte. Howard belegte anhandumfangreicher Messungen, dass das Londoner Stadtgebieteine höhere Lufttemperatur aufwies als das unbebaute Um-land. Danach belief sich die Überwärmung in den Winter-monaten auf (umgerechnet) 1 K, in den Sommermonatenauf 0,6 K. Er schloss daraus, dass diese Lufttemperaturunter-schiede vornehmlich auf den intensiven Verbrauch des Brenn-stoffs Kohle für Heiz- und Kochzwecke zurückzuführen sei-en. Auch konnte Howard auf der Grundlage seiner Beobach-tungen zum winterlichen Nebelproblem – der Begriff 'city-smog' wurde von ihm geprägt – die durch Smog (smoke +fog) stark verrauchte Londoner Innenstadt von dem häufi-ger nebelfreien Umland abgrenzen (Howard 1833). Aufbau-end auf den von Howard durchgeführten Untersuchungenschlossen sich zahlreiche Arbeiten zur Erforschung des Stadt-klimas – insbesondere auch in Deutschland – an. Das in derFolgezeit immer umfangreicher werdende Datenmaterial er-

laubte es schließlich dem Benediktinerpater Albert Kratzerim Jahre 1937, einen ersten und für die damalige Zeit äu-ßerst umfassenden Überblick über den Wissensstand diesernoch relativ jungen Forschungsdisziplin zu geben. So konn-te Kratzer in seiner Dissertation über 'Das Stadtklima' bereitsauf 225 Publikationen zurückgreifen. Diese Monographieerlebte 1956 unter Verwendung von bereits 533 Literaturzi-taten eine zweite, stark erweiterte Auflage und galt weltweitlange Zeit als wichtigstes Grundlagenwerk der Stadtklima-tologie (Kratzer 1956). Es dauerte Jahrzehnte, bis 1981 er-neut eine Monographie zur Stadtklimatologie mit dem Titel'The Urban Climate' des Deutsch-Amerikaners Helmut Lands-berg (1981) erschien, in der neben der urbanen Luftqualitätauch erste Planungsprobleme aufgegriffen wurden. Eine ver-tiefende Behandlung dieser beiden vom Stadtklima nicht zutrennenden Aspekte erfolgte letztlich in dem anwendungs-orientiert ausgerichteten Kompendium 'Stadtklima und Luft-reinhaltung' (Helbig et al. 1999).

2 Stadtklimatische Eigenschaften, Nachweise undMethoden

2.1 Charakteristika des Stadtklimas

Das Erscheinungsbild des Stadtklimas setzt sich aus zahlrei-chen Komponenten zusammen, an denen alle Klimaelementemehr oder weniger beteiligt sind. Bevor hierauf näher einge-gangen wird (vgl. Teil 2), sollen die wichtigsten Unterschie-de zwischen Stadt und Umland am Beispiel westeuropäischerGroßstadtbedingungen im Überblick kurz referiert werden(Tabelle 2).

Einflussgrößen Veränderungen gegenüber dem nicht bebauten Umland

Einflussgrößen Veränderungen gegenüber dem nicht bebauten Umland

Globalstrahlung (horizontale Fläche)

bis –10%

Wind – Geschwindigkeit – Richtungsböigkeit – Geschwindigkeitsböigkeit

bis –20% stark variierend erhöht

Albedo ±

Gegenstrahlung

bis +10%

Luftfeuchtigkeit

±

UV-Strahlung im Sommer im Winter

bis –5% bis –30%

Nebel – Großstadt – Kleinstadt

weniger mehr

Sonnenscheindauer im Sommer im Winter

bis –8% bis –10%

Niederschlag – Regen – Schnee – Tauabsatz

mehr (leeseitig) weniger weniger

Sensibler Wärmestrom

bis +50%

Luftverunreinigungen – CO, NOx, AVOC1), PAN2)

– O3

mehr weniger (Spitzen höher)

Wärmespeicherung im Untergrund und Bauwerken

bis +40%

Bioklima Vegetationsperiode

bis zu zehn Tage länger

Lufttemperatur – Jahresmittel – Winterminima – in Einzelfällen

∼ + 2 K bis + 10 K bis + 15 K

Dauer der Frostperiode

bis –30%

1) = anthropogene Kohlenwasserstoffe 2) = Peroxiacetylnitrat

Tabelle 2: Charakteristika des Stadtklimas einer Großstadt in den mittleren Breiten (nach verschiedenen Autoren; hier in der Fassung nach Hupfer undKuttler 1998; verändert)



Nähert man sich einer Stadt, so kündigt meist schon vonweitem eine gut sichtbare Dunstglocke die erhöhte Belas-tung mit anthropogenen atmosphärischen Spurenstoffen an.Hierdurch erfolgt eine Abschwächung der Globalstrahlung(K↓). In den frühen Jahren der Industrialisierung war dieserEinfluss in den Ballungsräumen wesentlich stärker ausge-prägt als der in Tabelle 2 angegebene Wert. Die K↓ – Wertevariieren sowohl in Abhängigkeit von der an die Jahreszei-ten gebundenen erhöhten Belastung mit anthropogenen at-mosphärischen Spurenstoffen als auch der Sonnenstandshöhe(Deklination, Azimut). Grundsätzlich ist aufgrund der Streu-prozesse in der Stadtatmosphäre davon auszugehen, dass derAnteil der diffusen Strahlung (D) höher ist als derjenige derdirekten Strahlung (I). Der höhere Anteil an D kommt dabeizum Beispiel der Innenraumbeleuchtung von Gebäuden zugute.Da im Allgemeinen die Partikeln in der Stadtluft größere Durch-messer aufweisen als die in sauberer Luft, erscheint der Him-mel an Strahlungstagen aufgrund der unterschiedlich starkwellenlängenabhängigen Reflexion und Streuung über Städ-ten weniger intensiv blau als über dem Umland.

Die kurzwellige Reflexion (K↑) an den städtischen Oberflä-chen ist von deren Farbe, Struktur und Geometrie abhängigund erreicht – bei Abwesenheit von Schnee – vergleichbareWerte wie die des nicht bewaldeten Umlands. In mediterra-nen Städten können allerdings – wegen der dort meist weißgetünchten Häuser – die Oberflächenalbeden durchaus hö-her als die Umlandwerte sein, was sich in erheblichem Maßeauf die Strahlungsbilanz (Q↓) auswirkt. Aber auch hier hängtder Unterschied zwischen urbanen und ruralen Werten jeweilsvon der Farbe – und damit von der Flächennutzung – desUmlands ab. Im Gegensatz zu K↓ sind die Werte der ausdem Halbraum über der Stadt zum Boden gerichteten lang-welligen atmosphärischen Gegenstrahlung (L↓) im Allgemei-nen erhöht. Das ist nicht nur auf die stärkere Absorptionund Reemission infrarotaktiver Gase und Partikeln in derStadtluft zurückzuführen, sondern auch darauf, dass dieStadtatmosphäre insbesondere bei schwachem übergeord-netem Gradientwind wärmer ist als die Umlandluft. Hier-durch wird eine stärkere langwellige Ausstrahlung auch inRichtung bebaute Fläche verursacht.

Die ultraviolette Strahlung (UVges; 100 nm < λ < 400 nm)führt zu günstigen (Initiierung der Vitamin D3-Synthese), inhohen Dosen aber auch zu gesundheitsschädigenden Wir-kungen (Auslösung von Erythemen sowie Hautkrebs-erkrankungen). Sie wird in der verschmutzten Stadtatmos-phäre bevorzugt ausgefiltert und weist insbesondere in denWintermonaten deutlich niedrigere Werte zum Umland auf(Abnahmen um bis zu Faktor 10; Landsberg 1981).

Die Sonnenscheindauer ist in urbanen Straßenschluchtengenerell wegen der durch die Bebauung verursachten größe-ren Verschattung verkürzt, wobei Extremwerte durch un-günstige Ausrichtung, Höhe und Bestandsdichte der Gebäu-de erreicht werden.

Die turbulenten Ströme der fühlbaren Wärme (QH) und derlatenten Wärme (QE) sind in Stadtgebieten deutlich modifi-ziert, und zwar wiederum in starker Abhängigkeit zur je-weiligen Flächennutzung, der vorherrschenden Witterungsowie von der Tages- und Jahreszeit. Durchschnittswerte,

die sich auf Stadtoberflächen beziehen, zeigen, dass das mitt-lere Bowen-Verhältnis (Bo = QH/QE) meist deutlich über 1liegt, wodurch der überragende Einfluss von QH auf die Er-wärmung der Stadtatmosphäre dokumentiert wird. Die tags-über in den Baumaterialien von Gebäuden, Straßen und Plät-zen gespeicherte Wärme (QB; 'Tagspeicher') stellt aufgrundder überwiegend hohen Werte ein wichtiges Glied in derurbanen Energiebilanz dar (vgl. Teil 2, Abschnitt 1.3). ImErgebnis sind die städtischen Lufttemperaturen vergleichs-weise zum Umland im Jahresmittel um 1 bis 2 K erhöht.Jedoch bestimmen Stadtgröße und -struktur sowie Wetterlageund Jahreszeit erhebliche Abweichungen von diesen Wer-ten, die im Einzelfall und über kurze Zeit nachts durchaus10 K bis 15 K betragen können. Die Windgeschwindigkeitist in den Städten gegenüber dem Umland im Durchschnittgeringer. Das liegt daran, dass die durch die Bebauung ver-ursachte Erhöhung der Bodenrauigkeit die Strömung behin-dert. Dadurch nimmt der atmosphärische Austauschkoeffi-zient A für Eigenschaftstransporte (A = ρL Kturb.; mit Kturb. =turbulenter Diffusionskoeffizient und ρL = Dichte der Luft)im Allgemeinen niedrige Werte an, wodurch sich z.B. die Luft-qualität verschlechtern und die nächtliche Überwärmung inden Straßenschluchten kaum abgeführt werden kann. Aller-dings ist die Geschwindigkeitsböigkeit an Gebäudekantensowie in Nachlaufwirbeln hinter Gebäuden erhöht, währenddie Richtungsböigkeit stark variiert.

Die relative Luftfeuchtigkeit weist in Städten wegen der ein-geschränkten Evapotranspiration (Evaporation + Transpi-ration) im Allgemeinen niedrigere Werte auf, was sichinsbesondere tagsüber bemerkbar macht. Nachts jedoch kön-nen höhere städtische Oberflächentemperaturen Tauabsatzvergleichsweise zum kühleren Umland verzögern oder sogargänzlich verhindern, wodurch sich gleich hohe oder höhererelative Luftfeuchtigkeitswerte in den urbanen Gebieten ein-stellen. Allerdings sind die Verhältnisse in starkem Maßevon den jeweiligen mikroskaligen Standortbedingungen ab-hängig (vgl. Teil 2).

Nebel ist in Großstädten – zumindest in den vergangenenJahren – seltener anzutreffen als im Umland, was auf dieinzwischen geringere Kondensationskerndichte, die höherenLufttemperaturen und die geringere Luftfeuchtigkeit zurück-zuführen sein dürfte. Niederschläge hingegen sind insbeson-dere in Lee urbaner Siedlungsräume erhöht.

Die Zusammensetzung der urbanen Luft hat sich durch dieDominanz von Kfz-Emissionen im Vergleich zu früherenJahren, die hauptsächlich durch Industrie- und Hausbrande-missionen (Staub und SO2) geprägt waren, stark verändert.Heute spielen in der urbanen Belastung mit anthropogenenatmosphärischen Spurenstoffen – trotz Einführung des Ka-talysators – NO, NO2, O3 und anthropogene Kohlenwas-serstoffe (AVOC) sowie insbesondere Feinstäube und Ruß(PM 2,5; PM 10) eine herausragende Rolle.

Abschließend bleibt im Rahmen dieses Überblicks festzu-stellen, dass die genannten Klima- und Lufthygienekompo-nenten in vielfältiger Weise positiv, aber auch negativ aufdie in Städten lebenden Bewohner sowie Pflanzen und Tiereeinwirken. Während unter human-biometeorologischen Ge-sichtspunkten im Bereich des thermischen und lufthygieni-



schen Sektors eher Nachteile für die Stadtbewohner zu erwar-ten sind (vgl. Teil 2, Abschnitt 2), führen z.B. bei Pflanzen diehöheren Stadttemperaturen zu einer Veränderung der Aspekt-wechsel durch vorgezogene Blüh- und Reifephasen sowie zueiner deutlichen Verlängerung der Vegetationsperioden imVergleich zum Umland. Wie das für die Stadt Wien in Abb. 1dargestellte Beispiel zeigt, öffnen sich aufgrund der städtischenÜberwärmung und der Straßenbeleuchtung die ersten Blütenim Stadtzentrum etwa 25 Tage eher als im Umland. Damitkönnen Pflanzen als Standortklimaanzeiger neben physikalisch-chemischen Messungen auch für stadtklimatische Untersuchun-gen genutzt werden.

Um den klimatischen Einfluss zu ermitteln, der ausschließ-lich auf die Verstädterung zurückzuführen ist, wäre es not-wendig, den zum aktuellen Zeitpunkt während einer be-stimmten Wetterlage an einem festgelegten Standort gemes-senen Wert Wit(akt)x ('Aktualwert') von demjenigen Messwertabzuziehen, der bei gleicher Wetter- und Standortlage sowiein der Zwischenzeit nicht verändertem Globalklima vor Er-richtung der Stadt, das heißt in der präurbanen Phase ('Prä-urbanwert'), gemessen wurde (Wit(präurb)x ). Stünden zwischendiesen Anfangs- und Endwerten in zeitlich hoher AuflösungEinzeldaten für den gleichen Standort zur Verfügung, ließesich eine Zeitreihe der klimatischen Entwicklung des Stand-ortes ermitteln. Eine derartige Vorgehensweise zur Bestim-mung des verstädterungsbedingten Klimaeffektes ist meistensnicht möglich, da die entsprechenden Daten fehlen. EinzigeAusnahme dürfte in diesem Zusammenhang die Stadt Co-lumbia, Maryland, sein, deren Entwicklung von 200 Ein-wohnern (1968) auf 20 000 Einwohner (1975) mit ununter-brochen gemessenen Klimadaten an gleichen Standortenbelegt werden konnte (Landsberg 1979). In allen anderenFällen, für die präurbane Werte nicht zur Verfügung stehen,muss entweder auf• die Analyse von Vergleichsmessungen (präurban/urban) im Wind-

kanal bzw. durch numerische Simulation,• Regressionsanalysen einzelner Klimaparameter in Abhängigkeit

von der Zeit oder• aktuelle Geländemessungen an mindestens zwei Stationen, die

die urbane und rurale Situation repräsentieren bzw. auf mobileMessungen mit einem Fahrzeug auf Routen innerhalb und außer-halb eines Stadtgebietes

zurückgegriffen werden. Üblicherweise wird dem letztgenann-ten Punkt der Vorzug bei Stadtklimaanalysen gegeben, wobeijedoch darauf zu achten ist, dass der rurale Stationsstandortweder durch den Stadteffekt (zum Beispiel durch die städti-sche Abluftfahne) noch durch unterschiedliche Höhen- oderTallage, See- oder Waldnähe beeinflusst wird. Zeitreihen, diemindestens ein Jahr umfassen, erlauben darüber hinaus einewetterlagen- und jahreszeitenabhängige Auswertung.

2.3 Stadtklimatische Erfassungsmethoden

Zur Erfassung der klimatischen und lufthygienischen Para-meter wird in der Regel auf ein differenziertes, die jeweiligeFragestellung berücksichtigendes Methodenspektrum zu-rückgegriffen. Grundsätzlich gibt es keine spezielle, auf dieLösung stadtklimatischer Probleme bezogene Untersuchungs-methodik. Vielmehr wird sich im Bedarfsfall derjenigenAnalysetechniken bedient, die bei umweltmeteorologischenUntersuchungen im Mikro-/Mesobereich Anwendung fin-den. Die in Abb. 2 zusammengestellte Übersicht setzt sichaus insgesamt vier Untersuchungsschritten zusammen, dieletztlich das methodische Vorgehen bestimmen sollten.Hierbei handelt es sich um• die fachwissenschaftliche Auswertung vorhandenen Datenmaterials,• Datenerhebungen im Gelände durch In Situ-Messungen und Be-

obachtung bzw. Einsatz von Fernerkundungsverfahren sowiepflanzenphänologische Untersuchungen und Bioindikation,

• die Anwendung physikalischer beziehungsweise numerischerModellsimulationen zur Diagnose und Prognose sowie

• die Bewertung der Ergebnisse mit Hilfe von Qualitätsstandards.

Abb. 1: Stadtphänologie einer Großstadt (Wien): Isophanen des Blühbe-ginns von Forsythia suspenesa als temperaturabhängigem Standortklima-anzeiger. Die Datumslinie 70 entspricht dem Kalenderdatum 11. März 1988,die Datumslinie 95 dem 5. April 1988. Nach Bernhofer (1991, zit. in Larcher2001). Wegen der urbanen Überwärmung und der Straßenbeleuchtungöffnen sie sich früher als im Umland. Der Vegetationszeitraum mit Tages-mitteln über 5 °C dauert in der Innenstadt durchschnittlich 265 Tage, ander Stadtgrenze (gestrichelte Linie) hingegen im Mittel nicht mehr als245 Tage (hier nach Larcher 2001)

2. 2 Nachweis von Stadtklimaeffekten

Der qualitative und quantitative Nachweis des in Städtenauftretenden 'Sonderklimas' leidet grundsätzlich darunter,das bestehende urbane Klima ausschließlich auf stadtbedingteUrsachen zurückführen zu können. Es muss berücksichtigtwerden, dass es sich bei den Messwerten an einem urbanenStandort um einen zusammengesetzten Wert (W) handelt,der aus wenigstens drei Einzelkomponenten besteht, die inunterschiedlichem Maße an seinem Zustandekommen be-teiligt sind (Lowry 1977). Es sind dies• eine globalklimatische, durch die geografische Lage großräumig

vorgegebene Wirkgröße ('Hintergrundwert' H),• eine durch die Topografie bestimmte regionale Beeinflussung

('Topografiewert' T) sowie• einen auf die Verstädterung zurückzuführenden Einfluss

('Verstädterungswert' V).

In Gl. 1 ist dieser Sachverhalt dargestellt, wobei ergänzendder Witterungstyp (i), der Messzeitpunkt (t) sowie die genaueräumliche Zuordnung des Messstandortes im Stadtgebiet (x)bekannt sein müssen.

Witx = Hitx + Titx + Vitx (1)



In einem ersten Schritt einer Stadtklimauntersuchung solltegeprüft werden, ob bereits vorhandenes Datenmaterial (topo-grafische und thematische Karten, Pläne, Tabellen etc.) überdas Untersuchungsgebiet vorliegt, auf das zurückgegriffenwerden kann.

Aufbauend auf der Analyse vorhandener Daten ist dann zuentscheiden, ob es für die Problemlösung notwendig ist,Messungen im Gelände vorzunehmen oder auf Simulationenzurückzugreifen, die auf physikalischen (im Windkanaldurchzuführende) bzw. mathematischen Modellen beruhen(Manier 1998).

Grundsätzlich ist bei der Durchführung von Geländemessun-gen auf die Wahl repräsentativer Messstandorte für die zuerfassenden meteorologischen und lufthygienischen Größenzu achten. Das kann wegen der Heterogenität städtischerFlächennutzungen und der meist nur in begrenztem Umfangzur Verfügung stehenden Temporärstationen nur über einesinnvolle Generalisierung und Aufteilung des Stadtkörpers inGebiete gleichartigen klimatischen beziehungsweise luft-hygienischen Verhaltens erreicht werden. Derartig generierteräumliche Einheiten nennt man 'Klimatope' beziehungsweise'Aerotope' (Scherer et al. 1999), wofür im anglo-amerika-nischen Sprachgebrauch der Begriff Urban Terrain Zone ver-wendet wird (Ellefsen 1990/91).

In-Situ Messungen an Temporärstationen besitzen den Vor-teil, dass ortsbezogene Daten mit hoher zeitlicher Auflösungerhoben werden können. Bei Vorhandensein eines aus meh-reren Stationen bestehenden Messnetzes sind über die sin-gulären Standortwerte auch raum-zeitliche Daten zu gewin-nen. Diese können jedoch dreidimensional kaum aufgelöstwerden, wenn nicht durch Vertikalsondierungen innerhalbder bodennahen Atmosphäre zusätzliche Informationen zurVerfügung stehen. Die über derartige Messnetze ermittelten

Daten lassen sich in erster Linie zur Lösung diagnostischerProbleme heranziehen; eine Prognosefähigkeit besitzen sieallerdings kaum.

Geländemessungen können sowohl durch standortbezogeneVor-Ort-Messungen erfolgen (zum Beispiel an dafür einge-richteten Messstationen) als auch mit Hilfe von Fernerkun-dungsverfahren (siehe unten) durchgeführt werden. Ergänztwerden beide Verfahren gegebenenfalls durch die Anwen-dung indirekter Verfahren, wie die Pflanzen-Phänologie so-wie aktive und passive Bioindikation.

Ferner ist festzulegen, welche Messgrößen an welchen Stand-orten, über welcher Oberfläche, in welcher Höhe über Grund,mit welchen Instrumenten und in welcher zeitlichen Auflö-sung über welchen Zeitraum erfasst werden sollen (Reuterund Hoffmann 1998). Häufig muss dabei von den jeweili-gen Standardmesshöhen abgewichen werden.

Ist die Luftqualität an Einzelstandorten zu erfassen, könnenaktive oder passive Probenahmeverfahren eingesetzt werden(Moriske 2000). Aktive Verfahren zeichnen sich dadurch aus,dass Luft mittels einer Pumpe durch ein Messgerät geleitetwird. Unterschieden werden dabei kontinuierliche Messun-gen, die aus einer selbstständig erfolgenden Probennahme,analytischen Bestimmung sowie anschließenden Messwert-erzeugung vor Ort bestehen, von diskontinuierlichen Ver-fahren, bei denen die Probennahme von der Analyse getrenntist. Mit Hilfe von Passivverfahren werden 'Immissionsraten'bestimmt. Da sich die Messdauer bei den letztgenanntenVerfahren im Allgemeinen über mehrere Tage erstreckt, isteine Verknüpfung der lufthygienischen mit meteorologischenDaten kaum möglich. Über die Vor- und Nachteile von akti-ven und passiven Probenahmeverfahren informiert Tabelle 3.Kontinuierliche Immissionsmessungen erfordern in der Re-gel einen hohen apparativen, logistischen und damit kos-

Abb. 2: Klimatische und lufthygienische Untersuchungsmethoden in der Umweltmeteorologie (VDI 3787, Bl. 9, 2002)



tenintensiven Aufwand. Sie werden deshalb seltener einge-setzt als diskontinuierliche Verfahren, die zwar wesentlichkostengünstiger, aus den oben genannten Gründen jedochauch ungenauer sind (Möller 2003).

Ein grundsätzliches Problem der an Temporärstationen ge-wonnenen meteorologischen und lufthygienischen Datenstellt deren geringe räumliche Repräsentanz dar. Um flächen-hafte Aussagen treffen zu können, sind deshalb weitereMethoden – zum Beispiel mobile Messwerterfassungen oderModellsimulationen – anzuwenden.

Mobile Messwerterfassungen, insbesondere zum Nachweismeteorologischer Parameter (vor allem Lufttemperatur undLuftfeuchtigkeit) sind schon seit langer Zeit Bestandteil derStadtklimaforschung (Überblick in Persson 1997). Hinge-gen werden lufthygienische Messungen mit diesen Verfah-ren erst seit einigen Jahren erfolgreich durchgeführt (Mayerund Haustein 1994, Kuttler und Wacker 2001). MobileMessungen erfolgen meist mit Hilfe geeigneter Fahrzeuge,die mit geringer Geschwindigkeit und entsprechender Mess-ausrüstung festgelegte Routen durch repräsentative Flächen-nutzungen in der Regel während schwachwindiger Strahlungs-wetterlagen befahren. Erfolgen derartige Messfahrten übermehrere Stunden, müssen vom Tagesgang abhängige Ein-flüsse durch geeignete Korrekturverfahren kompensiert wer-den. Die geringe zeitliche Repräsentativität mobiler Messun-gen kann durch Wiederholungsfahrten erhöht werden (Kuttleret al. 1996).

Im Rahmen stadtklimatologischer Untersuchungen kann derNachweis der rural-urbanen Belüftung einen besonderenStellenwert einnehmen. Um zum Beispiel festzustellen, obKaltluft- oder sogar Frischlufttransporte zwischen Umlandund Stadt über Luftleitbahnen während schwachgradientigerWetterlagen erfolgen (Matzarakis und Mayer 1992), wer-den dazu optische Tracer (Raucherzeuger) oder chemischeTracer (z.B. SF6, CF4, C2F6; Eggert 1999, Weber und Kuttler2003) in die bodennahe Atmosphäre des Kaltluftentstehungs-gebietes emittiert und im städtischen Bereich (Zielgebiet)detektiert. Soll auch die Qualität der transportierten Luftermittelt werden, ist es notwendig, lufthygienische Messun-gen mit einem mobilen Messlabor innerhalb der Luftleit-bahnen vorzunehmen.

Mit Hilfe von Fernerkundungsverfahren, die boden- oderluftgestützt arbeiten, lassen sich sowohl meteorologische alsauch lufthygienische Größen nachweisen. Methodisch nutzt

man dabei entweder die Wechselwirkung von Schallwellen(beispielsweise SODAR, RASS) oder elektromagnetischeStrahlung verschiedener Wellenlängen (RADAR; UV-, VIS-oder IR-Bereich) mit festen, flüssigen beziehungsweise gas-förmigen Bestandteilen der Atmosphäre oder aber dem Erd-boden (Emeis 2000, Foken 2003). Der Einsatz akustischarbeitender Geräte kann wegen der häufig nicht unerhebli-chen Geräuschemissionen zu Konflikten – insbesondere beiNachtmessungen – mit der Bevölkerung führen. Verfahrens-bedingt beziehen sich die Ergebnisse der Fernerkundungs-methodik nicht auf Einzelpunkte, sondern auf Messstrecken,Volumina oder Flächen.

In der Stadtklimaforschung ist die Verwendung von Infrarot-thermalaufnahmen zum Nachweis von Oberflächen-strahlungstemperaturen und daraus abgeleiteter Größen seitlanger Zeit Tradition (Parlow 2003). Die meist unter Ein-satz der Falschfarbenfotografie hergestellten Karten erlau-ben – je nach Pixelgröße – hoch aufgelöste flächendeckendeDarstellungen der Temperaturverhältnisse für die Aufnahme-zeitpunkte. Hierbei – wie auch bei anderen flächendeckendarbeitenden Verfahren – muss allerdings berücksichtigt wer-den, dass es sich um die zweidimensionale Projektion einesdreidimensionalen, gerade in Stadtgebieten äußerst hetero-gen genutzten Raumes handelt. Ferner muss bedacht wer-den, dass die durch ein Thermalbild repräsentierten Ober-flächentemperaturen in Bezug auf den langwelligen Emis-sionsgrad (ε) nicht automatisch differenziert werden undsomit den auf dem materialspezifischen ε-Wert beruhendenUnterschied zwischen Ausstrahlungs- und Oberflächen-temperatur entstehen lassen. Diese Differenz kann sich imEinzelfall durchaus auf einige Kelvin belaufen und damitbei der Auswertung Interpretationsprobleme verursachen.Auch ist es kaum möglich, aus Thermalbildaufnahmen flä-chenbezogene Lufttemperaturen für die bodennahe Atmos-phäre abzuleiten. Dennoch können Thermalbildkarten imRahmen einer Stadtklimauntersuchung als zusätzlich an-gewandte Hilfsmittel wertvolle Dienste leisten, da eine Gene-ralisierung und eine eventuelle Zusammenfassung thermischähnlich reagierender Flächen leichter möglich ist und diesesomit für die eventuelle Planung eines Messnetzes herange-zogen werden kann.

Die unbestreitbaren Vorteile der Anwendung physikalischeroder numerischer Modellsimulationen sind in der Erzeugungmeist hoch aufgelöster dreidimensionaler Datenfelder zusehen, woraus Raumaussagen abgeleitet und bei Bedarf auch

Aktive Verfahren Passive Verfahren Prinzip – Aktive Ansaugung der Luft mittel Pumpen – Passive Erfassung durch Diffusion

Vorteile: – Hohe zeitliche Auflösung – Erfassung von Kurzzeitspitzenwerten – Kontinuierliches Messen – (In der Regel) hohe Genauigkeit und Präzision – Geringe Nachweisgrenzen

– Flexible und mobile Probennahmetechnik – Hohe räumliche Auflösung (preiswerte Methode) – Keine Geräuschentwicklung – Unabhängigkeit vom Stromnetz

Nachteile – Hoher Kostenaufwand – Regelmäßige Wartung und Kontrolle – Geräuschentwicklung – Elektrischer Anschluss – (In der Regel) nur stationärer Betrieb

– Geringe zeitliche Auflösung – Genauigkeit und Präzision hängen von Umgebungseinflüssen und der Geräte- bzw. Aufhängekonstruktion ab – Direkter Vergleich mit Grenzwerten nur bedingt möglich

Tabelle 3: Vor- und Nachteile aktiver und passiver Probennahmeverfahren im Vergleich (Moriske 2000)



verschiedene Planungsszenarien dargestellt werden können.Der Nachteil des Einsatzes von Modellsimulationen ist aller-dings, dass viele der verwendeten Größen parametrisiertwerden müssen und deshalb nur ein unvollkommenes Bildder Realität widerspiegeln (Groß und Etling 2003).

Insbesondere in der praxisorientierten Stadtklimatologiespielt die möglichst objektive Bewertung der Mess-, Berech-nungs- oder Beobachtungsergebnisse gerade im Rahmenhuman-biometeorologischer Aspekte eine wichtige Rolle (sie-he Teil 2, Abschnitt 2). Die Ziele einer derartigen Evaluati-on liegen vor allem in der begründeten Ausweisung klimati-scher und/oder lufthygienischer Belastungs- beziehungsweiseAusgleichsräume, in der Klassifizierung der Empfindlichkeiteiner Fläche gegenüber bestimmten Nutzungen oder der In-wertsetzung eines klimatisch-lufthygienischen Phänomens inHinblick auf die vorausschauende Optimierung von Flächen-nutzungen (Matzarakis 2001, Mayer und Matzarakis 2003).Hinsichtlich der Bewertungsverfahren unterscheidet manrelative von absoluten Bewertungen. Bei der relativen Evalu-ation werden räumliche beziehungsweise zeitliche Unterschie-de von gemessenen Größen festgestellt, ohne dass diese aufStandards bezogen werden. Eine absolute Bewertung orien-tiert sich hingegen an entsprechenden Prüfgrößen, die rechts-verbindlichen Charakter tragen können.

3 Ursachen des Stadtklimas

Die Ursachen des urbanen Klimas sind sowohl auf makro-skalige als auch auf mikro- und mesoskalige Einflussgrößenzurückzuführen. Zur Gruppe der makroskalig wirksam wer-denden Faktoren zählen• die Breitenlage bzw. Klimazone,• die Oberflächenformen und deren Beschaffenheit (Relief- und

Topografieverhältnisse) sowie• die Entfernung zu großen Wasserkörpern.

Die Gruppe der mikro- bis mesoskalig wirksamen Einfluss-größen besteht in erster Linie aus• der Stadtgröße,• der Einwohnerzahl,• der Art der urbanen und ruralen Flächennutzungen,• die kleinräumigen topografischen urbanen und ruralen Verhält-

nisse,• der Höhe des Versiegelungsgrads des Bodens,• der Intensität der dreidimensionalen Strukturierung eines Stadt-

körpers sowie• der Emissionsstärke gasförmiger, fester und flüssiger Luftbeimen-

gungen sowie fühlbarer und latenter Abwärme aus technischenProzessen (Qanthr).

Die Einflüsse der eher großräumig wirkenden Faktoren tre-ten im Allgemeinen hinter diejenigen der Meso- und Mikro-skala zurück, wie Wienert (2002) anhand der Auswertungumfangreichen statistischen Materials belegen konnte.

Wichtige stadtklimatische Steuerungsgrößen stellen neben derGröße und Struktur von Städten somit in erster Linie die aufdem thermischen und hydrologischen Verhalten der städtischenBaukörper beruhenden Oberflächenenergiebilanzen, die Zu-ordnung und Mischung von bebauten und nicht bebauten Flä-chen, die Abwärme- und Wasseremissionen sowie die Frei-setzungsstärke von Luftverunreinigungen dar. Hierauf sollnachfolgend eingegangen werden.

3.1 Quantifizierung der stadtklimatischen Wirkungsfaktoren

3.1.1 Thermische und hydrologische Eigenschaftenstädtischer Oberflächen

Ein Charakteristikum urbaner Oberflächen ist deren Versie-gelung. Hierunter versteht man eine mehr oder weniger voll-ständige Abdichtung der Oberflächen durch undurchlässigeStoffe, so dass Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, aber auchGase nicht mehr zwischen Boden und Atmosphäre ausge-tauscht werden können. Unterschieden wird eine Überflur-von einer Unterflurversiegelung. Bei letzterer handelt es sichum die Einschränkung von Energie- und Stofftransporteninnerhalb des Untergrundes. Tunnel für Untergrundbahnen,Kanal- und Leitungssysteme, Tiefgaragen aber auch Unter-grundpassagen und -geschäftsstraßen sind Beispiele dafür.Der Begriff Versiegelung ist nicht eindeutig definiert. Allge-mein fasst man hierunter Siedlungsflächen zusammen, d.h.Gebäude- und Verkehrswegeflächen sowie Plätze, ohne dasseine weitere Differenzierung durch die Angabe von Porosi-täts- bzw. Wasserdurchlässigkeitswerten erfolgt. EinzelneVersiegelungsstufen sind mit entsprechenden Beispielwertenin Tabelle 4 enthalten. Als Versiegelungsgrad wird das Ver-hältnis von versiegelter Fläche zur entsprechenden Gesamt-stadtfläche bezeichnet. Der durchschnittliche Anteil der ver-siegelten Flächen in Deutschland stieg von 7,7% (1950/51)auf 12,2% (1997) der Staatsfläche an. Mittelwerte des Versie-gelungsgrades deutscher Großstädte (z.B. Essen) erreichenWerte von bis zu 0,6, während in Innenstädten und reinenIndustriegebieten solche von bis zu 1 auftreten. Entsiegelungs-maßnahmen während der vergangenen Jahre haben aller-dings in einigen Städten wieder zu einem größeren Freiflä-chenanteil geführt.

Versiegelte und nicht versiegelte Flächen unterscheiden sichhinsichtlich ihrer thermischen und hydrologischen Reaktio-nen in starkem Maße voneinander und beeinflussen deshalbin besonderer Weise die klimatischen Verhältnisse von Sied-lungsgebieten.

Versiegelungsstufe % Flächencharakteristik

I 10 – 50

II 45 – 75

III 70 – 90

IV 85 – 100

Mäßige Versiegelung, Einfamilienhaussiedlungen, Kleingartengebiete, Zeilenhaussiedlungen Mittelwert 30 % = Stufe I Mittlere Versiegelung, Blockrandbebauung, Nachkriegsbaugebiete Mittelwert 60 % = Stufe II Starke Versiegelung, städtische Baugebiete mit Blockbebauung, ältere Industrieanlagen Mittelwert 80 % = Stufe III Sehr starke Versiegelung, unzerstörte Blockbaugebiete der Innenstadtbezirke und Industrie-flächen, die in jüngerer Zeit ent-standen oder verändert worden sind Mittelwert 90 % = Stufe IV

Tabelle 4: Beschreibung der Versiegelungsstufen (nach Wessolek undRenger 1998)



3.1.1.1 Thermische Eigenschaften städtischer Oberflächen

Farbe, Zusammensetzung, Bedeckung, Versiegelungsgrad,Oberflächenrauigkeit, Wasserversorgung sowie Ausrichtungzum solaren Strahlungseinfall entscheiden darüber, wie vielEnergie über die urbanen Oberflächen aufgenommen, in derBausubstanz 'gespeichert' bzw. von dieser an die Atmosphäreabgegeben wird. Damit bestimmt die Strahlungsbilanz (Q*) derOberflächen das jeweilige thermische Mikroklima. (Tabelle 5).

So werden beispielsweise extreme Werte für Stahl erreicht, derin Verbindung mit Beton vielfach verwendeter Baustoff in Städ-ten ist. Stahlbetonbauten erreichen die höchsten Wärmespei-cherfähigkeiten künstlicher Materialien. Die Bodenfeuchtespielt für den Wärmehaushalt ebenfalls eine wichtige Rolle,wie der Vergleich eines trockenen mit einem wassergesättigten(Lehm-)Boden zeigt. Die thermischen Eigenschaften erhöhensich in feuchtem Boden zum Teil erheblich. Für das thermi-sche Bodenklima resultiert daraus, dass Temperaturänderungenzwar schneller und in größere Tiefen vordringen als in trocke-nen Substraten, an der Oberfläche sich jedoch – bedingt durchden Energieaufwand für die Evaporation – niedrigere Tempe-raturen einstellen. Dadurch wird letztendlich jedoch wenigerEnergie über L↑ und QH an die Atmosphäre abgegeben und inden Boden transportiert.

Asphaltoberflächen stellen in Städten typische Flächenversie-gelungsmaterialien dar und zeichnen sich im Vergleich zunatürlichem Boden (trockener Lehmboden) über eine dreimalso hohe Wärmeleitfähigkeit, doppelt so hohe Temperatur-leitfähigkeit und einen über dreimal so hohen Wärmeein-dringkoeffizienten aus. Sie absorbieren aufgrund ihrer über-wiegend dunklen Farbe viel Strahlungsenergie, die sowohlüber die langwellige Ausstrahlung (L↑) und den turbulentensensiblen Wärmestrom (QH) in die Luft gelangt als auch über

die Wärmeleitung in die Tiefe (QB) transportiert wird unddort solange verbleibt (Wärmereservoir), bis der Temperatur-gradient sein Vorzeichen ändert. Asphaltoberflächen heizensich im Vergleich zu natürlichen Materialien bei starker som-merlicher Einstrahlung dann am stärksten auf, wenn sie tro-cken sind, da kein Energietransport über die Verdunstung(QE) stattfindet. Dadurch steht der Betrag der Strahlungs-bilanz ausschließlich für die turbulente Lufterwärmung unddie Bodenerwärmung zur Verfügung. Das unterscheidet einederartige Oberfläche von natürlichem Boden, der meistensFeuchtigkeit enthält und diese unter Aufwand von Energie indie Atmosphäre transportiert. Dieser Anteil steht dann derLuft- und Bodenerwärmung nicht zur Verfügung, so dassnatürliche Bodenoberflächen in der Regel kühler sind.

Das Temperaturverhalten einer trockenen sommerwarmenAsphaltoberfläche wird exemplarisch in Abb. 3 dargestellt.In Bezug auf die Lufttemperatur ist festzustellen, dass dieseden ganzen Tag über – insbesondere zur Mittagszeit – deut-lich niedriger ist als die Oberflächentemperatur. Daraus re-

Material a) Anmerkungen Dichte (kg m–3 ⋅⋅⋅⋅ 103)

Spezifische Wärmekapazität (J kg–1 K–1 ⋅⋅⋅⋅ 103)

Wärmekapazi-tätsdichte

(J m–3 K–1 ⋅⋅⋅⋅ 106)

Wärmeleitfähig- keitskoeffizient

(W m–1 K–1)

Temperaturleit- fähigkeits- koeffizient

(m2 s–1 ⋅⋅⋅⋅ 10–6)

Wärmeeindring- koeffizient

(J m–2 s–0,5 K–1)

Asphalt 2,11 0,92 1,94 0,75 0,38 1 205 Beton Gasbeton 0,32 0,88 0,28 0,08 0,29 150 Schwerbeton 2,40 0,88 2,11 1,51 0,72 1 785 Naturstein 2,68 0,84 2,25 2,19 4,93 2 220 Backstein durchschnittl. 1,83 0,75 1,37 0,83 0,61 1 065 Lehmziegel durchschnittl. 1,92 0,92 1,77 0,84 0,47 1 220 Holz weich 0,32 1,42 0,45 0,09 0,20 200 hart 0,81 1,88 1,52 0,19 0,13 535 Stahl 7,85 0,50 3,93 53,30 13,60 14 475 Glas 2,48 0,67 1,66 0,74 0,44 1 110 Gipsplatte durchschnittl. 1,42 1,05 1,49 0,27 0,18 635 Dämmmaterial Polystyrol 0,02 0,88 0,02 0,03 1,50 25 Kork 0,16 1,80 0,29 0,05 0,17 120 Lehmboden trocken 1,60 0,89 1,42 0,25 0,18 600 (40% Poren- volumen)

gesättigt 2,00 1,55 3,10 1,58 0,51 2 210

Wasser 4°C unbewegt

1,00 4,18 4,18 0,57 0,14 1 545

Luft 10°C unbewegt

0,0012 1,01 0,0012 0,025 20,50 5

Turbulent unbewegt

0,0012 1,01 0,0012 ≈ 125 10 ⋅ 106 390

a) Die Eigenschaften aller aufgeführten Größen sind temperaturabhängig

Abb. 3: Tagesgang der Luft-, Asphaltoberflächen- und Bodentemperaturenam 11.08.94 in Wien (Anandakumar 1999)

Tabelle 5: Thermische Eigenschaften künstlicher und natürlicher Materialien (nach Zusammenstellungen aus Oke 1990, Hupfer und Kuttler 1998,Zmarsly et al. 2002)



min zeigt sich jedoch, dass die in der Innenstadt verlaufen-den Straßen und gelegenen Gebäude eine wesentlich höhereTemperaturhaltefähigkeit besitzen. Die Innenstadtgebäudekühlen sich vergleichsweise nur halb so stark ab, wie die imUmland befindlichen. Die kältesten Flächen zum 3 Uhr Ter-min sind Äcker und Wälder, wo Kaltluft gebildet werdenkann. Größere Wasserkörper (Rheinwasser) weisen hinge-gen meist keine Temperaturänderungen zwischen den beidenTerminen auf und bleiben nachts von den hier dargestelltenOberflächen am wärmsten.

3.1.1.2 Hydrologische Eigenschaften städtischer Oberflächen

Unter hydrologischen Eigenschaften urbaner Oberflächensollen Abfluss, Infiltration (Eindringen von Wasser in denUntergrund), kapillarer Aufstieg von Wasser, Verdunstungsowie Versickerung (Durchgang von Sickerwasser durchungesättigte Bodenhorizonte) von Niederschlagswasser ver-standen werden. Diese Eigenschaften werden u.a. von derVersiegelung, dem Porenvolumen (Hohlraumanteil am Boden-volumen) sowie der Porosität (Bruchteil des Porenvolumensam Boden) bestimmt. Der Oberflächenabfluss hängt außer vomGefälle und Versiegelungsgrad auch von der material-spezifischen Benetzungskapazität ab. Eine starke Benetzungder Oberfläche führt zu einem verzögerten Abflussbeginninsbesondere dann, wenn nach starker Einstrahlung und Er-wärmung der Versiegelungsmaterialien anschließend fallendeNiederschläge z. T. sofort verdunsten. Hierbei können Wertevon bis zu 0,6 mm – im Vergleich zu kühlerer Witterung –erreicht werden (Wessolek und Facklam 1997).

Für die Infiltration von Wasser in den versiegelten Unter-grund sind Anzahl und Durchlässigkeit von Fugen und Ris-sen des abdichtenden Materials maßgeblich. Sind diese z.B.durch tonreichen Straßenstaub an der Oberfläche verstopft,so muss von geringeren Infiltrationsraten ausgegangen wer-den als bei durchlässigen, mit Sand gefüllten Öffnungen.

Für vier verschiedene typisch urbane Oberflächen enthältTabelle 7 die sich über ein Jahr ergebenden Wasserhaushalts-komponenten. Hieran zeigt sich auch die außerordentlichgroße Variabilität auf kleinem Raum. In Bezug auf den Ab-fluss weisen Asphaltflächen mit 72% des Niederschlags dengrößten Wert auf, während über Rasengittersteinflächen (ty-pisch für befestigte Stellplätze) nur 5% abfließen. Bei derVersickerung kehren sich die Verhältnisse jedoch um: Wäh-rend in den Asphalt nur 8% eindringen, sind es bei den an-deren Materialien, die durch mehr oder weniger große Öff-nungen mit dem Untergrund verbunden sind, bis zu 60%.

sultiert ein von der Oberfläche in die Atmosphäre gerichte-ter Energietransport, der tagsüber und nachts die Luft mitWärme versorgt, und zwar sowohl über die langwelligeAusstrahlung als auch über den turbulenten sensiblenWärmestrom. Es stellt sich aber auch zwischen Oberflächeund Boden (–8 cm) ein Temperaturgradient ein, der allerdingsim Tagesgang das Vorzeichen und damit die Richtung än-dert. Zwischen 10 Uhr und 18 Uhr ist dieser Gradient vonder Oberfläche in den Boden gerichtet, wodurch ein Wär-metransport in die Tiefe erfolgt. In den Abend-, Nacht- undMorgenstunden (zwischen 18 Uhr und 10 Uhr) hingegen sinddie Untergrundtemperaturen höher als die der Oberfläche,so dass die Richtung des Temperaturgradienten wechselt,wodurch Wärme nach oben geleitet wird. Dieser Wärme-transport sorgt dafür, dass auch nachts relativ hohe Ober-flächentemperaturen – in diesem Fall zwischen 24°C und26°C – erhalten bleiben. Die nächtliche Abkühlung über as-phaltierten Flächen ist somit stark eingeschränkt. Das kanngerade in dicht bebauten und damit schlecht durchlüftetenGebieten zu hohen nächtlichen Temperaturen führen.

Mit Hilfe von Infrarot-Thermalbildern lässt sich dieser Ab-kühlungsprozess für verschiedene Nutzungen flächenhaftdarstellen, wenn Aufnahmen zu verschiedenen Zeiten durch-geführt wurden und diese miteinander verglichen werden.Beispiele hierfür sind Tabelle 6 zu entnehmen. Hiernach er-geben sich für den Abendtermin (20 Uhr, MEZ) die höchs-ten Werte für die Nutzungstypen Hauptstraßen und Häuserin der Innenstadt sowie für Gleisanlagen. Am stärksten küh-len sich bis zum Vergleichstermin (3 Uhr, MEZ) Gleisan-lagen ab (9 K) sowie Straßen und Gebäude im Umland (7 Kresp. 8 K). Im Vergleich dieser Nutzungen zum 20 Uhr Ter-

Tabelle 6: Oberflächenstrahlungstemperaturen verschiedener Flächen-nutzungen in Köln um 20 Uhr und um 3 Uhr während der Strahlungsnachtvom 30.06./01.07.1993 (Grundlage: IR-Thermalbefliegung, ε = 1,0)

Tabelle 7: Wasserhaushaltskomponenten versiegelter Flächen in Berlin (Messperiode: April 1985 bis März 1986) (Wessolek 2001)

Niederschlag Abfluss Versickerung Verdunstung

mm %Nd mm ∆∆∆∆, %Nd mm ∆∆∆∆, %Nd mm ∆∆∆∆, %Nd

Kunststeinplatten mit Mosaikpflaster (Gehweg)

631 100 104 16 319 51 208 33

Betonverbundsteine 631 100 103 16 379 60 149 24

Rasengittersteine 631 100 32 5 318 50 282 45

Straße (Asphalt) 631 100 455 72 51 8 126 20

Die potentielle Verdunstung (nach Haude) belief sich in dem angegebenen Zeitraum auf 650 mm

Oberfläche TO (20 MEZ) /K TO (3 MEZ) /K ∆∆∆∆ TO (20-3) /K

Hauptstraße, Innenstadt Hauptstraße, Umland Gebäude, Innenstadt Gebäude, Umland Gleisanlage Friedhof Rhein Wald Acker

22

20

21

21

21 19 18 17 14

17

13

17

13

12 12 18 11 9

5

7

4

8

9 7 0 6 5



Eine stadtklimatisch außerordentlich wichtige Größe stellt dieVerdunstung dar. Wie den Werten für die genannten Ober-flächen entnommen werden kann, werden zwischen 20% (As-phalt) und maximal 45% (Rasengittersteine) des Jahres-niederschlags verdunstet. Damit ist ein erheblicher Energieauf-wand verbunden (qv,W 20° C = 2,45 MJ kg–1), der für die Erwär-mung der Atmosphäre (L↑ ; QH ) dann nicht mehr zur Verfü-gung steht. Ein Beispiel soll das verdeutlichen: Veranschlagtman für Berlin eine durchschnittliche Jahressumme derStrahlungsbilanz von 440 kWh m–2 a–1, dann belaufen sich diefür die Verdunstung (E) aufzuwendenden latenten Wär-meströme QE der Asphaltfläche (E = 126 mm) auf rund 85kWh m–2 a–1 und für die Rasengittersteinfläche (E = 282 mm)auf rund 191 kWh m–2 a–1. Entsprechend werden für dieAsphaltfläche nur 19%, für die Oberfläche aus Rasengitterst-einen hingegen 43% der Jahressumme der Strahlungsbilanzfür die Verdunstung aufgewendet. Das bedeutet, dass überStraßen 81% der Strahlungsbilanz für die Lufterwärmung (QH)und den Bodenwärmestrom (QB), über Rasengittersteinen je-doch nur 57% der Jahresenergie hierfür zur Verfügung ste-hen. Die niedrigen Luft- und Strahlungstemperaturen über denverdunstungsaktiveren Flächen sind ein Beleg dafür.

Neben den klimatischen Auswirkungen spielen versiegelteoder teilversiegelte Oberflächen eine herausragende Rollefür die Grundwasserneubildung in Stadtökosystemen. Mes-sungen innerhalb urbaner Flächennutzungen belegen, dassin Stadtgebieten mit erheblichen Unterschieden gerechnetwerden muss. So können Versiegelungsmaterialien mit ho-hen Fugenanteilen (Betonverbund- und Grasbetonsteine)sowie auf Böden aufgebrachte Verdunstungssperrschichten(z.B. Kies) höhere Grundwasserneubildungsraten aufweisenals freie Ackerflächen. Das liegt daran, dass einsickerndesWasser durch die teilweise erfolgte Oberflächenversiegelungstärker gegen Verdunstung geschützt ist als unbedeckte na-türliche Oberflächen (Wessolek 2001). Diese Ergebnisse zei-gen, dass ein Stadtgebiet hinsichtlich der Grundwasserneu-bildungsrate sehr differenziert betrachtet werden muss.

3.1.2 Anthropogene Wärmestromdichten

Unter dem Begriff anthropogene Wärmeproduktion (Qanthr)wird die aus dem Betrieb von Kraftfahrzeugen, Kraftwer-ken, Industrieanlagen und der Gebäudeklimatisierung (Hei-zen und Kühlen) resultierende thermische Emission verstan-den. Gelegentlich wird hierunter auch die durch den Metabo-lismus der Organismen – in diesem Fall der Stadtbewohner– freigesetzte Wärme (QMet) subsumiert. Diese macht aller-dings nur einen vernachlässigbaren Anteil an der Gesamt-summe von Qanthr aus, wie folgende Abschätzung zeigt: Be-rücksichtigt man z.B. einen 'mittleren Aktivitätszustand' vonetwa 200 Watt pro Person unter Berücksichtigung einerGroßstadt mit 600.000 Einwohnern bei einer Stadtflächevon 200 km2, dann wird durch QMet eine mittlere flächen-bezogene Wärmestromdichte von nur 0,6 W m–2 erreicht.Das bedeutet, dass selbst hohe Einwohnerdichten in urba-nen Gebieten nicht in der Lage sind, ausschließlich durchden Metabolismus verursachte, hohe, das thermische Stadt-klima beeinflussende Werte zu erzielen. Für die Innenraum-klimatologie, die hier nicht behandelt wird, stellt hingegen

die durch den menschlichen Stoffwechsel produzierte Wär-me einen wichtigen Faktor dar, der bei der Gebäudeklima-tisierung berücksichtigt wird.

Die auf technischen Prozessen beruhenden anthropogenenWärmestromdichten können jedoch in Abhängigkeit vomTypus sowie von der geografischen Breite und topografischenLage eines städtischen Siedlungskörpers sehr unterschiedli-che Werte annehmen. So werden z.B. große Werte sowohldurch hohe Einwohnerdichten als auch durch hohen Pro-Kopf-Energieverbrauch verursacht (Tabelle 8). Auch stellensich Tages-, Wochen- und Jahresgänge je nach Aktivität desWirtschafts- und Privatlebens der Bevölkerung ein. Unter-suchungen zum Tagesgang des Energieverbrauchs in verschie-denen nordamerikanischen Städten haben z.B. gezeigt, dassje nach geografischer Lage der Städte die anthropogenenWärmestromdichten morgens und abends zwischen 25% und50% höher sein können als das Tagesmittel (Sailor et al.2003). Besonders hohe Qanthr – Werte lassen sich im Allge-meinen in winterkalten Ballungsräumen beobachten, in de-nen ein großer Teil des Energieeinsatzes zur Gebäudeerwär-mung benötigt wird. Effektive Wanddämmungen reduzierenallerdings den Energieverbrauch in erheblichem Maße. Aberauch für sommerheiße Siedlungsgebiete kann ein hoherEnergieverbrauch nachgewiesen werden, der nicht nur zurGebäudekühlung aufgewendet wird. So berichten Ichinose etal. (1999) über extrem hohe anthropogene Wärmestrom-dichten, die sie für den Innenstadtbereich von Tokio ermit-telten. Hier lagen die Qanthr – Werte tagsüber bei über 400 W m–2

und erreichten im Maximum sogar 1590 W m–2, wobei mehrals die Hälfte dieser Wärmestromdichten allein auf denWarmwasserverbrauch von Hotels entfiel.

Energieeinsparungen beim Betrieb von Klimaanlagen erge-ben sich dann, wenn z.B. die Albedo der Gebäudeaußen-fassaden und -dächer erhöht wird. Für helle Gebäude nord-amerikanischer Städte konnte auf der Basis numerischer Mo-dellsimulationen ein um bis zu 15% geringerer Energie-verbrauch in den Sommermonaten gegenüber dunklen, dieSonnenstrahlung stark absorbierenden Gebäudehüllen nach-gewiesen werden (Akbari et al. 1999).

3.1.3 Emission von Luftverunreinigungen

Die Luftqualität in Städten wird durch zahlreiche Emissions-quellen sowie durch die vom bodennahen atmosphärischenAustausch abhängige Transmission bestimmt. WichtigsteVerursachergruppen anthropogener gas- und partikelförmi-ger Luftbeimengungen sind der Kraftfahrzeugverkehr, Indus-trie und Gewerbe, Kraftwerke sowie öffentliche und privateGebäude, wobei Abhängigkeiten zum Industrialisierungs-grad, zur Wirtschaftsstruktur sowie zur geografischen undtopografischen Lage der Ballungsräume bestehen. In eini-gen Ländern prägen darüber hinaus Emissionen, die der Bio-masseverbrennung entstammen, sowie herantransportierterStaub aus Wüstengebieten (Indien, China) oder anderenwinderosionsanfälligen Flächen die Luftqualität von Bal-lungsräumen. Zu den gegenwärtig wichtigsten Indikatorender luftverschmutzten Stadtatmosphäre zählen NO, NO2,NOy, CO, CO2, NMVOC, O3, SO2, Staub und Ruß. Tabelle 9enthält für ausgewählte Sektoren Angaben zur Emissions-



situation in Deutschland. Hiernach sind über 50% der NOx--,fast 50% der CO- sowie beinahe 20% der NMVOC-Freiset-zungen auf den Kfz-Verkehr zurückzuführen. Unter anderemdienen die letztgenannten Spurenstoffe als Vorläufergase des sichsekundär in der Atmosphäre bildenden O3 (vgl. Teil 2, Abschnitt1.6). Für die genannten Spurenstoffe (Ausnahme: Ozon) durch-

geführte Zeitreihenanalysen belegen – insbesondere für das ver-gangene Jahrzehnt – einen z.T. erheblichen Rückgang der Emis-sionen, was auf den Einbau wirksamer Filteranlagen in Abluft-kaminen, auf eine Änderung des Energieverbrauchsverhaltensder Bevölkerung und auf die Einführung des Katalysators fürKraftfahrzeuge zurückzuführen sein dürfte (UBA 2002).

Stadt (geogr. Breite)

Jahr Jahres-zeit

Fläche km2

Bevölkerung 106 Einw.

Einwoh-nerdichte Einw./km2

Pro-Kopf-Verbrauch GJ/Einw.

Qanthr

W m–2 Q*

W m–2 %*Q

anthrQ100⋅⋅⋅⋅

Fairbanks (64° N) Reykjavík (64° N) Sheffield (53° N) Berlin (West) (52° N) Vancouver (49° N) Budapest (47° N) Montreal (40° N) Manhattan (40° N) Tokyo (35° N) Los Angeles (34° N) Hongkong (22° N) Singapur (1° N)

1965–70 1992 1952 1967 1970 1970 1961 1967 1989 1965–70 1971 1972

Jahr

Jahr

Jahr

Jahr

Jahr

Jahr Sommer Winter Jahr

Sommer Winter Jahr

Sommer Winter Jahr

Sommer Winter Jahr

Jahr

Jahr

37

38

48

234

112

113

78

59

612

3.500

1.046

568

0,03

0,1

0,5

2,3

0,6

1,3

1,1

1,7

8,1

7,0

3,9

2,1

810

2.680

10.420

9.830

5.360

11.500

14.102

28.810

13.235

2.000

3.730

3.700

740

1.100

58

67

112

118

221

128

70

331

34

25

19

35

19

21

19

43 32 51 99 57 153 117 40 198 31 25 40 21

4

3

18

90

56

57

57

46 100 –

52 92 13 93 – –

59 100 17 108

∼ 110

∼ 110

106

39

34

37

33

93 – –

190 62 1.177 126

– –

53 25 235 19

4

3

Spurenstoff NOx

1592 kt1) CO

4797 kt SO2

650 kt Staub 247 kt

NMVOC3)

1606 kt CO2

871 Mt1)

Quelle Kt %2) kt % Kt % Kt % Kt % Mt %

Kfz-Verkehr 835 52,4 2289 47,7 20 3,1 34 13,8 297 18,5 167 19,1

Industriefeue-rungen4)

189 11,9 658 13,7 150 23,1 6 2,4 75) 0,4 135 15,5

Kraft- und Fernheizwerke

272 17,1 104 2,2 326 50,1 26 10,5 6 0,4 343 39,4

Haushalte 88 5,5 852 17,7 70 10,8 13 5,3 60 3,7 131 15,0 1) Jahressumme jeweils in kt (Kilotonnen) bzw. Mt (Megatonnen) 2) relative Angaben beziehen sich auf entsprechende Jahressummen (ergeben nicht zwangsläufig 100 %, da nur ausgewählte Sektoren betrachtet wurden) 3) NMVOC = Non Methane Volatile Organic Compounds (Nichtmethankohlenwasserstoffe, ohne natürliche Quellen) 4) Ohne Industrieprozesse, die im Falle von Staub und NMVOC hohe Werte einnehmen 5) Ohne Lösemittelverwendung, die an der Emission dieses Spurenstoffs zu 62 % beteiligt ist

Tabelle 8: Pro-Kopf-Energieverbrauch, Flussdichten der anthropogenen Wärmeproduktion (Qanthr) und der natürlichen Strahlungsbilanz (Q*) ausgewähl-ter Städte (nach Zusammenstellungen aus Helbig 1987, Oke 1990, Steinecke 1999, Ichinose et al. 1999)

Tabelle 9: Emissionen ausgewählter Spurenstoffe nach verschiedenen Sektoren in Deutschland (vorläufige Angaben für 2001) (nach UBA 2002)



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Eingegangen: 19. Dezember 2003Akzeptiert: 01. März 2004

OnlineFirst: 09. März 2004

Univ.-Prof. Dr. Wilhelm Kuttler ist Leiter der Abteilung Angewandte Klimatologie des Instituts für Geographie der Universität Duisburg-Essen, Campus Essen, Vorsitzender des Fachausschusses Umweltmeteorologie der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft (Amtsperiode2002–2005) und Obmann einer VDI Arbeitsgruppe, die eine Richtlinie zur Planungsrelevanz in der Umweltmeteorologie erarbeitet. Seinaktuelles Forschungsgebiet umfasst neben der Grundlagenforschung insbesondere anwendungsorientierte Aspekte der Stadtklimatologie. ImVordergrund dieses Arbeitsbereiches stehen Untersuchungen über das Auftreten der städtischen Wärmeinseln, zum klimatischen und luft-hygienischen Einfluss urbaner Grünflächen auf die bebaute Umgebung sowie zum Kaltlufttransport zwischen Stadt und Umland.

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