Großstädte

Städte und Klimawandel

Städte zählen zu jenen kritischen Bereichen, in denen deutliche Auswirkungen durch den Klimawandel erwartet werden. Die regionale Erwärmung kann im Kontext einer kontinuierlich fortschreitenden Urbanisierung die unerwünschten Auswirkungen durch das städtische Klima - insbesondere während Hitzewellen - weiter verstärken (sehr hohes Vertrauen). Das Thema der Anpassung wird vermehrt als notwendige Maßnahme wahrgenommen und liegt nicht nur im Fokus von Großstädten, sondern auch von vielen wachsenden Stadtgemeinden. Das Verständnis und die Abschätzung möglicher Veränderungen des lokalen Klimas sind entscheidend hinsichtlich einer nachhaltigen Stadtentwicklung und für eine klimasensitive Stadtplanung.

Das Stadtklima

Eines der bekanntesten klimatischen Merkmale der Städte ist die erhöhte Temperatur aufgrund des städtischen Wärmeinseleffektes, der durch eine veränderte Energiebilanz innerhalb bebauter Gebiete verursacht wird. Der tagsüber generierte Wärmeüberschuss, kombiniert mit reduzierter nächtlicher Kühlung, verringerter Luftzirkulation und verstärkter Luftverschmutzung erhöht die Gesundheitsrisiken für die städtische Bevölkerung und macht Städte besonders verletzlich für die Auswirkungen des Klimawandels (Abbildung 1).

Während der Tagesstunden sind die Unterschiede zwischen der Lufttemperatur in der Stadt und im Umland geringer als in den Nachtstunden. Wesentlich verstärkt wird die städtische Überhitzung durch fehlende Kühlung durch Verdunstung – während Erdreich, Wasseroberflächen und Vegetation kontinuierlich Wasser für die natürliche Verdunstungskühlung bereitstellen, wird Regenwasser von versiegelten Flächen sofort abgeleitet. In Städten wird die Windgeschwindigkeit zumeist durch die bebauten Strukturen reduziert, abhängig vom lokalen Verlauf der Straßen und Gestaltung der Gebäude können allerdings durch Kanalisierungs- und Düseneffekte auch höhere Geschwindigkeiten als im Umland auftreten. Neben seinem Einfluss auf das menschliche Wohlbefinden sind der Wind, wie auch die Stabilität der Luft, wesentliche Größen, wenn es um die Schadstoffbelastung geht, da geringe Durchmischung der Luft zu einer höheren Schadstoffkonzentration führt.

Abb. 1: Einflussfaktoren auf den städtischen Wärmeinseleffekt. Die schraffierten Bereiche auf den Balken zeigen, wie sich die Stärke der Erwärmungs- oder Abkühlungseffekte der jeweiligen Faktoren in Abhängigkeit vom lokalen Klima variiert. (IPCC, 2021 AR6, FAQ 10.2, Figure 1)

Modellierung des Stadtklimas

Um möglichst genaue räumliche Aussagen über aktuelle und zukünftige Entwicklungen des Stadtklimas zu treffen, kommen Stadtklimamodelle zum Einsatz. Die numerische Modellierung ist ein grundlegendes Werkzeug zur Untersuchung physikalischer Prozesse innerhalb der urbanen Grenzschicht. Mit diesen können aus regionalen Klimamodellen stammende Daten dazu verwendet werden, die Auswirkung von Klimaänderungen auf der Skala einzelner Städte darzustellen. Die für stadtklimatologische Fragestellungen angewendeten Modelle weisen zusätzliche Funktionalitäten zur Unterstützung der Planungs- und Prüfungsprozesse in der Stadtentwicklung und Stadtplanung, Konzeption der Grün- und Freiraumentwicklung im Hinblick auf Luftströmungen und Hitzeanfälligkeit, zur energetischen und gesundheitlichen Optimierung von Gebäuden und zur Berechnung der Luftqualität und Schadstoffbelastung auf.

Stadtklima im Wandel der Zeit

Seit Beginn der Industrialisierung nimmt der Mensch entscheidend Einfluss auf die Entwicklung des Klimas. Basierend auf Beobachtungsdaten der ZAMG sind die Temperaturen in Österreich in den letzten Jahrzehnten gestiegen, was in Bezug auf Städte einerseits auf die regionale Klimaerwärmung, aber auch auf Veränderungen in der Stadtmorphologie zurückgeführt werden kann. Besonders auffällig ist dies bei den temperaturbezogenen Indikatoren. Während die durchschnittlichen Werte für Sommertage (jährliche Anzahl der Tage mit einer maximalen Lufttemperatur von mindestens 25° C) für den Klimazeitraum 1961–1990 in Wien bei 52.1 Tagen lag, stieg er in der Periode 1991–2020 auf 72.0 Tage. Der durchschnittliche Wert für die Hitzetage (jährliche Anzahl der Tage mit einer maximalen Lufttemperatur von mindestens 30° C) hat sich im gleichen Zeitraum von ursprünglich 9.6 Tagen mehr als verdoppelt. Ein ähnlicher Trend ist in Bezug auf die nächtliche Abkühlung zu beobachten. Die Klimawandelszenarien für die nahe Zukunft (2021–2050) für Wien zeigen einen leichten Anstieg der Wärmebelastung (Abbildung 2). Für den Zeitraum 2071–2100 variieren die Mittelwerte des Anstiegs der Sommertage zwischen 25 Tagen für RCP4.5 (der etablierte Weg) und 48 Tagen für RCP8.5 (der fossile Weg).

Abb. 2: Die Entwicklung der städtischen Wärmebelastung in Wien unter Berücksichtigung des RCP4.5 IPCC Szenarios. Zur Abschätzung der Wärmebelastung ist die mittlere jährliche Anzahl von Sommertagen (Tmax ≥ 25° C) für den Bezugszeitraum (1971–2000), die nahe Zukunft (2021–2050) und für Ende des Jahrhunderts (2071–2100) dargestellt. (Bokwa et al., 2019)

Im Rahmen des EU-Horizon 2020 Projektes e-shape berechnete die ZAMG Klimaszenarien mit dem Schwerpunkt auf Hitzebelastung für mehrere österreichische Großstädte. Die Modellsimulationen für Wien, Graz, Linz, Salzburg, Innsbruck und Klagenfurt sind über die Projektwebseite einsehbar.

Literatur:

Bokwa A., Geletič J., Lehnert M., Žuvela-Aloise M., Hollósi B., Gál T., Skarbit N., Dobrovolný P., Hajto M. J., Kielar R., Walawender J. P., Šťastný P., Holec J., Ostapowicz K., Burianová J. & Garaj M. (2019): Heat load assessment in Central European cities using an urban climate model and observational monitoring data, Energy and buildings, 201, 53–69, doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.07.023 

Doblas-Reyes, F.J., A.A. Sörensson, M. Almazroui, A. Dosio, W.J. Gutowski, R. Haarsma, R. Hamdi, B. Hewitson, W.-T. Kwon, B.L. Lamptey, D. Maraun, T.S. Stephenson, I. Takayabu, L. Terray, A. Turner, and Z. Zuo (2021): Linking Global to Regional Climate Change. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 1363–1512, doi: 10.1017/9781009157896.012.

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Oke T. R. (1982): The energetic basis of the urban heat island. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 108(455), 1–24, doi.org/10.1002/qj.49710845502

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ZAMG (2022): e-shape. https://e-shape.egitlab.zamg.ac.at/e-shape/, abgerufen am 08.09.2022