Stadtklimatische Untersuchungen der sommerlichen Temperaturverhältnisse in Offenbach am Main als Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel
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Stadtklimatische Untersuchungen der
sommerlichen Temperaturverhältnisse in Offenbach am Main als
Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel
Ergebnisbericht der Kooperation zwischen der Stadt Offenbach und
dem Deutschen Wetterdienst
Autoren: Meinolf Koßmann
Heike Noppel
Barbara Früh
Deutscher Wetterdienst
Abteilung
Klima- und Umweltberatung
Offenbach, 16.06.2014
Deutscher Wetterdienst INHALT Seite Deutscher Wetterdienst 1 Abbildungsverzeichnis 4 Tabellenverzeichnis 8 Zusammenfassung 10 1 Einleitung 12 2 Methodik 13 2.1 Allgemeine Erläuterungen 13 2.2 Das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 14 2.3 Quadermethode 15 2.4 Klimazeitreihen für die Quadermethode 17 3 Modellkonfiguration 19 3.1 MUKLIMO_3 Modellgebiet und Auswertegebiet für Offenbach am Main 19 3.2 Der Quader 22 3.3 Verwendete Zeitreihen 23 4 Ergebnisse zum Klima im Zeitraum 1971 - 2000 24 4.1 Räumliche Klimavariabilität in Offenbach im Zeitraum 1971 - 2000 24 4.2 Auswirkungen unterschiedlicher Bebauungsstrukturen 26 5 Ergebnisse zur zukünftigen Klimaänderung 29 5.1 Auswirkung der Klimaänderung bis zum Zeitraum 2021 - 2050 29 5.2 Auswirkung der Klimaänderung zum Ende des Jahrhunderts 35 6 Stadtklimamessungen 37 6.1 Das Messprogramm 37 6.2 Ergebnisse der Messungen an den Stationen 46 6.3 Profilmessfahrten 54 Stadtklima Offenbach -2-
Deutscher Wetterdienst 7 Vergleich der Modellergebnisse mit den Messergebnissen 60 8 Schlussbemerkungen 66 9 Hinweise auf verwendete Topographiedaten 67 10 Literatur 68 Stadtklima Offenbach -3-
Deutscher Wetterdienst
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1: Schematische Darstellung der räumlichen Verfeinerung (Downscaling) der
Klimasimulationsrechnungen von der globalen Skala zur städtischen Skala. Die auf IPCC
Emissionsszenarien basierenden globalen Klimasimulationen dienen als Antrieb für ein
Ensemble höher auflösender regionaler Klimamodelle. Die Ergebnisse der regionalen
Klimamodelle dienen wiederum als Eingabedaten des Stadtklimamodells MUKLIMO_3 zur
Berechnung der Änderung des urbanen Klimas. ..................................................................... 13
Abbildung 2-2: Skizze des Quaders zur Illustration der Eckpunktsimulationen und der
multiplen linearen Interpolation. Die Quadereckpunkte werden durch Tagesmittelwerte der
Lufttemperatur T, der relativen Luftfeuchtigkeit rh und der Windgeschwindigkeit v bestimmt und
sind für die im Gebiet von Frankfurt und Offenbach durchgeführten MUKLIMO_3 Simulationen
in Tabelle 3-1 aufgelistet. ........................................................................................................ 16
Abbildung 2-3: Änderung der Jahresmitteltemperatur im Mittel über Deutschland aus den
Klimaprojektionsrechnungen für Vergangenheit und Zukunft (C20 und A1B) im Vergleich zur
Referenzperiode 1971 - 2000. ................................................................................................. 17
Abbildung 3-1: Karte der Geländehöhe für das MUKLIMO_3 Modellgebiet, das um 30° gegen
Nord gedreht ist. Die Position von langjährigen DWD-Messstationen sind mit einem ’+’ für den
Flughafen Frankfurt/Main und einem ’o’ für Offenbach gekennzeichnet. Die strich-punktierten
Linien zeigen die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offenbach. Die Koordinaten am Rand der
Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System. ................................................................. 19
Abbildung 3-2: Karte der Landnutzung: 2 – Siedlung (locker); 3 – Wald; 4 – Park; 5 –
Gewerbe (dicht); 6 – Gewerbe (locker); 7 – Freiflächen; 9 – Wasser; 10 – Bankenviertel; 11 –
Ein- u. Mehrfamilienhäuser (locker); 12 – Dorfkern u. Einfamilienhaussiedlung (dicht); 13 –
Reihenhaussiedlung; 14 – Zeilenbebauung (mittel); 15 – Zeilenbebauung (dicht) &
Hochhäuser; 16 – Blockbebauung; 17 – City ab Mitte 19. Jh.; 18 - Historischer Stadtkern; 51 –
Gleise; 52 – Kleingärten. Eingetragen sind zusätzlich die Stadtgrenzen von Frankfurt und
Offenbach. Die Koordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System.
20
Abbildung 3-3: Karte der Geländehöhe für den im Südosten des Modellgebiets liegenden
Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach,
durchgezogene Linien zeigen die Hauptverbindungsstraßen................................................... 21
Abbildung 3-4: Karte der Landnutzung für den im Südosten des Modellgebiets liegenden
Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach,
durchgezogene Linien zeigen die Hauptverbindungsstraßen................................................... 21
Abbildung 4-1: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende
(b) in Offenbach für den Evaluierungslauf 1971 - 2000............................................................ 25
Stadtklima Offenbach -4-
Deutscher Wetterdienst Abbildung 4-2: Box-Whisker-Plots für jede Landnutzungsklasse im Stadtgebiet von Offenbach für den Zeitraum 1971 - 2000 (EVAL), sowohl für die mittlere jährliche Anzahl an Sommertagen (a) als auch Sommerabenden (b). Die beiden linken Klassen beziehen sich jeweils auf die Anzahl Tage gemittelt über alle Landnutzungen (1. Klasse von links) bzw. gemittelt über alle Landnutzungen mit Ausnahme des Waldes (2. Klasse von links). Die Zahlen über den Box-Whiskers geben die Anzahl der Gitterzellen für die jeweilige Landnutzungsklasse an. 28 Abbildung 5-1: Karten der Änderungen der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage ∆NTmax≥25 in Offenbach als Differenz zwischen den Zeiträumen 2021 - 2050 (A1B) und 1971 - 2000 (C20) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). ........................................ 30 Abbildung 5-2: Karten der Änderungen der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende ∆NT22≥20 in Offenbach als Differenz zwischen den Zeiträumen 2021 - 2050 (A1B) und 1971 - 2000 (C20) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). ........................................ 32 Abbildung 5-3: Box-Whisker-Plots für die Änderung der mittleren jährliche Anzahl der Sommertage und Sommerabende 2021 - 2050 (A1B) im Vergleich zu 1971 - 2000 (C20) für REMO (blau), CLM (rot), STAR (magenta) und WETTREG (grün), ausgewertet für das Stadtgebiet von Offenbach. ..................................................................................................... 33 Abbildung 5-4: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (NTmax≥25) in Offenbach für den Zeitraum 2021 − 2050 (A1B) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Die Karten basieren auf der Addition der Anzahl Sommertage für den Zeitraum 1971 − 2000 (EVAL, Abbildung 4-1a) und des Änderungssignals der Anzahl Sommertage des jeweiligen Regionalmodells zwischen den Zeiträumen 2021 - 2050 und 1971 - 2000 (A1B - C20, Abbildung 5-1) ......................................................................................................................... 34 Abbildung 5-5: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende (NT22≥20) in Offenbach für den Zeitraum 2021 − 2050 (A1B) für REMO (a), CLM (b), WETTREG (c) und STAR (d). Die Karten basieren auf der Addition der Anzahl Sommertage für den Zeitraum 1971 − 2000 (EVAL, Abbildung 4-1b) und des Änderungssignals der Anzahl Sommerabende des jeweiligen Regionalmodells zwischen den Zeiträumen 2021 - 2050 und 1971 - 2000 (A1B - C20, Abbildung 5-2) ......................................................................................................................... 35 Abbildung 5-6: Box-Whisker-Plots für die Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) bis 2071 - 2100 (A1B) im Vergleich zu 1971 - 2000 (C20) für REMO (blau), CLM (rot) und WETTREG (grün) im Mittel über das Stadtgebiet von Offenbach. 36 Abbildung 6-1: Lage der Stationen (Stadtplan: Stadt Offenbach am Main). .......................... 39 Abbildung 6-2: Die Station an der Geleitsstraße („Innenstadt“). Links: Blick von S (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). ............................................................................................ 40 Stadtklima Offenbach -5-
Deutscher Wetterdienst Abbildung 6-3: Die Station an der Elisabethenstraße („Wohngebiet“). Links: Blick von O (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). ................................................................................... 40 Abbildung 6-4: Die Station an der Mainwiese („Umland“). Links: Blick von NW (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). .................................................................................................. 40 Abbildung 6-5: Die Station im Wetterpark („Stadtrand“). Links: Blick von SW (Foto: DWD). Rechts: Luftbild mit Lage der Station (Luftbild: Amtlicher Stadtplan Offenbach am Main auf DVD-Rom, 2. Auflage, 2005). .................................................................................................. 40 Abbildung 6-6: Für die Messungen In Offenbach eingesetzte Profilmesswagen des Deutschen Wetterdienstes. ..................................................................................................... 41 Abbildung 6-7: Verlauf der Lufttemperatur (oben) und der Windgeschwindigkeit (unten) an den Messstationen in Offenbach während der Tage der Profilmessfahrten 2012. FF: Betrag der Windgeschwindigkeit, DD: Windrichtung. ................................................................................ 44 Abbildung 6-8: Wie Abbildung 6-7 aber für die Tage der Profilmessfahrten 2013. ................ 45 Abbildung 6-9: Mittlere Differenzen zum Umland (Mainwiese) für das Sommerhalbjahr (April – September) 2012 und 2013. Oben: Tageswerte der Lufttemperatur. Unten: Anzahl klimatologischer Kenntage....................................................................................................... 47 Abbildung 6-10: Mittlerer Tagesgang der Lufttemperatur für die Monate Juni, Juli, August der Jahre 2012 und 2013 and den vier Stationen in Offenbach. Für die Stationen Innenstadt und Umland sind zusätzlich die Zahlenwerte der Stundenmittel angegeben................................... 48 Abbildung 6-11: Tagesgang der Lufttemperatur (oben) und der Temperaturdifferenz zum Umland (unten) in Offenbach für eine Schönwetterperiode (21.07.2013 bis 23.07.2013) aus Stundenwerten. 50 Abbildung 6-12: Verlauf der Windgeschwindigkeit (FF) und Windrichtung (DD) an den drei temporären Stationen in Offenbach für den selben Zeitraum wie Abbildung 6-11. .................. 51 Abbildung 6-13: Stärkewindrosen an den vier Stationen in Offenbach auf Grundlage der 10- Minuten-Werte des Zeitraums 01.04.2012 − 30.09.2013. ........................................................ 53 Abbildung 6-14: Differenz der zeitkorrigierten, bei der Profilmessfahrt am Abend des 24.07.2012 gemessenen Lufttemperatur zur Lufttemperatur an der Messstation auf der Mainwiese (jeweils in 2 m ü. Grund). Messfahrten von 21:10 MESZ bis 23:40 MESZ korrigiert auf 22:20 MESZ 57 Abbildung 6-15: Wie Abbildung 6-14, aber für die Nacht des 25.07.2012. Messfahrten von 03:33 MESZ bis 06:04 MESZ korrigiert auf 04:30 MESZ. ........................................................ 58 Stadtklima Offenbach -6-
Deutscher Wetterdienst Abbildung 6-16: Wie Abbildung 6-14 aber für den Nachmittag des 25.07.2012. Messfahrten von 15:00 MESZ bis 17:39 MESZ korrigiert auf 16:10 MESZ. ................................................. 59 Abbildung 7-1: Temperaturdifferenzen aus der Profilmessfahrt vom Mittag des 09.07.2013 und mittlere Anzahl der Sommertage aus den Modellsimulationen. ......................................... 64 Abbildung 7-2: Temperaturdifferenzen aus der Profilmessfahrt vom Abend des 09.07.2013 und mittlere Anzahl der Sommerabende aus den Modellsimulationen. .................................... 65 Stadtklima Offenbach -7-
Deutscher Wetterdienst Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Parameter zur Beschreibung der städtischen Bebauung für die MUKLIMO_3 Landnutzungsklassen: mittlerer Gebäudegrundflächenanteil γb, mittlere Gebäudehöhe hb in m, mittlerer Wandflächenindex wb und mittlerer Versiegelungsanteil der nicht bebauten Fläche zwischen den Gebäuden ν . .................................................................................................... 15 Tabelle 3-1: Tagesmittelwerte bodennaher Klimaparameter für die in Abbildung 2-2 illustrierten acht Eckpunktsimulationen der Quadermethode ................................................... 23 Tabelle 4-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der mittleren jährlichen Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für das gesamte Stadtgebiet von Offenbach im Zeitraum 1971 − 2000 (EVAL). .......................................................................... 26 Tabelle 5-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (∆NTmax≥25) zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für REMO, CLM, WETTREG und STAR. Die Werte zeigen die Differenz zwischen den Zeiträumen 2021 - 2050 (A1B) und 1971 - 2000 (C20), ausgewertet über das Stadtgebiet von Offenbach. ....................................................... 30 Tabelle 5-2: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der Änderung der mittleren jährlichen Anzahl Sommerabende (∆NT22≥20) zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für REMO, CLM, WETTREG und STAR. Die Werte zeigen die Differenz zwischen den Zeiträumen 2021 - 2050 (A1B) und 1971 - 2000 (C20), ausgewertet über das Stadtgebiet von Offenbach. ....................................................... 32 Tabelle 6-1: Temporäre und stationäre Messstationen in Offenbach. ................................. 38 Tabelle 6-2: Übersicht über die 6 Profilmessfahrten im Juli 2012. Aufgelistet sind die über die Route gemittelte Lufttemperatur in 2 m ü. Grund sowie die jeweilige maximale und minimale Abweichung von diesem Mittelwert (auf Grundlage von 10-m-Daten ohne Zeitkorrektur) Sonnenaufgang war am 24.07.2012 in Offenbach um 3:43 UTC (5:43 MESZ); Sonnenuntergang um 19:19 UTC (21:19 MESZ). Start- und Endpunkt der West- und Ostroute war die temporäre Station an der Geleitsstraße....................................................................... 42 Tabelle 6-3: Wie Tabelle 6-2 aber für die Fahrten im Jahr 2013. Sonnenaufgang war am 08.07.2013 in Offenbach um 3:25 UTC (5:25 MESZ); Sonnenuntergang um 19:34 UTC (21:34 MESZ). Start- und Endpunkt der West- und Ostroute war die temporäre Station an der Elisabethenstraße. ................................................................................................................... 43 Tabelle 6-4: Tageswerte der Wassertemperaturen des Main in °C an den Tagen der Profilmessfahrten in Frankfurt-Nied (Quelle: HLUG) ................................................................ 43 Stadtklima Offenbach -8-
Deutscher Wetterdienst Tabelle 6-5: Mittelwerte verschiedener Klimaparameter an den Messstationen berechnet auf Grundlage der Monate April – September der Jahre 2012 und 2013 ....................................... 46 Tabelle 7-1: Mittlere Anzahl der Sommerabende und Sommertage pro Jahr aus den Messungen an der Station Frankfurt a. M. (Flughafen) für den Referenzzeitraum 1971 − 2000 und den Zeitraum der Messungen in Offenbach (April 2012 bis September 2013). ................. 60 Tabelle 7-2: Mittlere Anzahl der Sommerabende und Sommertage pro Jahr aus den Klimasimulationen (Evaluationslauf) und den Messungen sowie anhand der Messungen in Frankfurt auf den Zeitraum 1971 − 2000 „korrigierten“ Messung. Bei den Klimasimulationen ist die Variationsbreite der vier den Stationen nächstgelegenen Gitterzellen wiedergegeben. ..... 61 Tabelle 7-3: Tagesmittel einiger Parameter an der Station Frankfurt am Main (Flughafen) für die Tage der Profilmessfahrten. Für die Windrichtung ist der Schwankungsbereich der Stundenwerte angegeben........................................................................................................ 63 Stadtklima Offenbach -9-
Deutscher Wetterdienst Zusammenfassung Das Klima in der Stadt Offenbach am Main und seine bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts zu er- wartenden Veränderungen wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen der Stadt Offen- bach und dem Deutschen Wetterdienst (DWD) untersucht. Der Schwerpunkt lag hierbei auf den zu Wärmebelastung führenden sommerlichen Temperaturverhältnissen. Ziel der Koopera- tion war einerseits die Schaffung einer, auf hoch auflösenden Computersimulationen basieren- den, Datengrundlage für eine dem Klimawandel Rechnung tragende Stadtplanung in Offenbach und andererseits die Klimasimulationen durch detaillierte Klimamessungen bezüg- lich ihrer Qualität zu untersuchen. Die Computersimulationen mit dem Stadtklimamodell MUKLIMO_3 wurden mit einer räumli- chen Auflösung von 100 m durchgeführt. Die Simulationsergebnisse und regionale Klimazeit- reihen wurden dazu genutzt um – mittels der im DWD entwickelten Quadermethode – die mittlere jährliche Anzahl klimatischer Kenntage (Sommertage, Sommerabende) in Offenbach für vergangene und zukünftige 30-jährige Zeiträume zu bestimmen. Zur Berechnung der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (Tage mit einer Höchsttempera- tur von mindestens 25 °C) und Sommerabende (Tage an denen um 22:00 MESZ die Lufttem- peratur noch mindestens 20 °C beträgt) im Zeitraum 1971 − 2000 wurden Klimabeobachtungen des DWD als regionale Klimazeitreihe für die Quadermethode genutzt. Die durch den Klimawandel zu erwartenden Veränderungen der Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden im Zeitraum 2021 - 2050 wurden bestimmt, indem ein Ensemble regionaler Klimaprojektionen als regionale Klimazeitreihe verwendet wurde. Die mit 100 m Auflösung berechnete Anzahl an Kenntagen zeigt, dass im Zeitraum 1971 − 2000 im Stadtzentrum von Offenbach bis etwa 56 Sommertage (77 Sommerabende) pro Jahr auftreten, während über ländlichen Freiflächen außerhalb der Stadt im Mittel nur etwa 41 Sommertage (67 Sommerabende) pro Jahr erreicht werden. Die niedrigsten Werte von et- wa 30 Sommertagen (60 Sommerabenden) pro Jahr finden sich in den Waldgebieten im Sü- den von Offenbach. Die Änderungen der Kenntage bis zum Zeitraum 2021 − 2050 wurde auf der Basis von regio- nalen Klimaprojektionen der Klimamodelle REMO, CLM, WETTREG und STAR berechnet, die wiederum jeweils mit Simulationen des globalen Klimamodells ECHAM5 für das moderate IPCC SRES Szenario A1B angetrieben wurden. Wie schon bei Studien für andere Städte zeig- te sich, dass die Zunahme der Sommertage und Sommerabende nicht signifikant von der Flä- chennutzung bzw. Bebauungsstruktur abhängt. Projektionsübergreifend ergibt die statistische Auswertung der Änderungssignale auf dem 90% Signifikanzniveau bis Mitte des Jahrhunderts im Stadtgebiet von Offenbach eine Zunahme um 5 bis 31 zusätzliche Sommertage und 6 bis 32 zusätzliche Sommerabende. Absolut ergeben sich durch diese Zunahme im Stadtzentrum von Offenbach etwa 70 bis 83 Sommertage und 91 bis 100 Sommerabende pro Jahr für den Zeitraum 2021 − 2050. Stadtklima Offenbach - 10 -
Deutscher Wetterdienst
Temporäre Messungen erfolgten in Offenbach an 3 Stationen, die im Umland („Mainwiese“), in
einem Wohngebiet („Elisabethenstraße“) und in der Innenstadt („Geleitsstraße“) im Zeitraum
01.04.2012 bis 30.09.2013 durchgehend betrieben wurden und die Daten einer am Stadtrand
(„Wetterpark“) gelegenen operationellen DWD Station ergänzen. Zusätzlich wurden an mehre-
ren Tagen im Juli 2012 und Juli 2013 mittags, abends und vor Sonnenaufgang Profilmessfahr-
ten mit ein oder zwei instrumentierten Kraftfahrzeugen durchgeführt um die thermischen
Strukturen in der Stadt und dem nahen Umland zu erfassen. Die Stationsmessungen und die
Profilmessfahrten zeigen, dass die nächtliche Abkühlung in der Stadt durch die Bebauung
stark reduziert ist, wobei die städtische Wärmeinselintensität gegen 23:00 MESZ am stärksten
1
ausgebildet ist und bis zu 7 K betragen kann.
Der Vergleich der Messungen mit den Modellsimulationen belegt bei Tag eine sehr gute Über-
einstimmung der thermischen Situation in Offenbach. Nach Sonnenuntergang zeigen die Ver-
gleiche aber deutliche Abweichungen zwischen Modell und Beobachtungen und geben somit
wertvolle Hinweise zur Modellverbesserung.
1
Kelvin (K) ist die wissenschaftliche Einheit für Temperaturdifferenzen. Eine Temperaturdifferenz von 1 K entspricht
umgangssprachlich einer Temperaturdifferenz von 1°Celsius
Stadtklima Offenbach - 11 -Deutscher Wetterdienst 1 Einleitung Nach heutigem Kenntnisstand wird sich die seit Ende des 19ten Jahrhunderts beobachtete Klimaerwärmung in Mitteleuropa bis zum Ende dieses Jahrhunderts fortsetzen. Wegen des hohen Bevölkerungsanteils der in Städten lebt und aufgrund des städtischen Wärmeinselef- fekts (Kuttler, 2009), sind Städte ─ und somit auch die Stadt Offenbach am Main ─ von den zukünftig zu erwartenden Gesundheitsrisiken durch Wärmebelastung besonders betroffen. Um sich frühzeitig auf den erwarteten Klimawandel einzustellen, hat die Stadt Offenbach mit dem Deutschen Wetterdienst im Dezember 2011 eine Kooperationsvereinbarung getroffen. Der Stadt Offenbach sollen dabei Informationen zum aktuellen und zukünftigen Stadtklima zur Verfügung gestellt werden, gleichzeitig soll ein vom Deutschen Wetterdienst entwickeltes Ver- fahren anhand von Messungen evaluiert werden. Dabei wird auch auf Daten zurückgegriffen, die im Rahmen einer von 2007 bis 2011 durchgeführten Kooperation des DWD mit der Stadt Frankfurt am Main gewonnen wurden. Diese Kooperation mit der Stadt Frankfurt ermöglichte es dem Deutschen Wetterdienst ein neues Verfahren zur Untersuchung des vergangenen und zukünftigen Stadtklimas zu entwickeln und anzuwenden. Das Verfahren, die sogenannte Qua- dermethode, stellt die von Städten zur Klimaanpassung benötigten Klimainformationen mit ho- her räumlicher Auflösung bereit. Als Eingangsdaten werden vieljährige regionale Klimazeitreihen und hoch aufgelöste Simulationen mit dem Stadtklimamodell MUKLIMO_3 verwendet. Die Evaluierung der Ergebnisse für Frankfurt am Main (Früh et al. 2011a, 2011b) zeigte, dass die mit der Quadermethode durchgeführten Berechnungen zur Änderung von kli- matologischen Kenntagen (z.B. mittlere jährliche Anzahl Sommertage oder Sommerabende) durch den regionalen Klimawandel eine hohe Güte aufweisen. Da zur Evaluierung jedoch nur Daten von sehr wenigen Klimastationen zur Verfügung stehen, war eine Bewertung der räumli- chen Variabilität der Klimakenntage nur sehr eingeschränkt möglich. Der Aufwand für die Erhebung von hoch aufgelösten Messdaten zur Evaluierung der berechne- ten räumlichen Klimavariabilität ist für große Städte wie Frankfurt besonders hoch. Da die räumlich hoch aufgelösten Simulationen mit MUKLIMO_3 auch das Gebiet der Stadt Offen- bach am Main abdecken, ergab sich durch das vom Offenbacher Magistrat an den DWD her- angetragene Interesse an einer Datengrundlage zur Entwicklung einer Anpassungsstrategie an den Klimawandel in Offenbach die Möglichkeit die erforderlichen Messdaten zur Modellevaluie- rung in einer kleinen Großstadt mit überschaubarem Aufwand zu erheben und auszuwerten. Dieser Bericht fasst die wesentlichen Ergebnisse der Kooperation zusammen. Der erste Teil des Berichts (Kapitel 2 bis 5) umfasst die Auswertung der ursprünglich für die Stadt Frankfurt berechneten Klimaprojektionen für das Stadtgebiet von Offenbach. Um den Umfang des Be- richts zu begrenzen wird bezüglich der Methodenbeschreibung überwiegend auf die frei ver- fügbare Publikation von Früh et al. (2011a) verwiesen. Der zweite Teil des Berichts (Kapitel 6 und 7) beschreibt die Durchführung und Auswertung von Messungen in Offenbach sowie die auf den Messdaten basierende Evaluation der Klimasimulationen. Abschließende Bemerkun- gen sind in Kapitel 8 zusammengefasst. Stadtklima Offenbach - 12 -
Deutscher Wetterdienst 2 Methodik 2.1 Allgemeine Erläuterungen Um die globalen Projektionen des zukünftig zu erwartenden Klimas (IPCC, 2007) mit einer ty- pischen räumlichen Auflösung von 200 km auf eine für die Stadtplanung nutzbaren Auflösung zu verfeinern, werden diese in zwei Arbeitsschritten herunter skaliert (Abbildung 2-1). Im ersten Skalierungsschritt werden die globalen Klimaprojektionsrechnungen mittels dynamischer und statistischer Methoden auf eine regionale Skala mit einer typischen Auflösung von 10 bis 20 km herunter gerechnet. Auf diese Weise erhaltene regionale Klimaprojektionen stehen für Deutschland in verschiedenen Datenbanken allen Interessierten zur Nutzung bereit. Sie erlau- ben die in Deutschland regional unterschiedlich ausfallende Klimaänderung abzuschätzen. Die für die vorliegende Studie genutzten regionalen Klimaprojektionen werden in Kapitel 2.4 be- schrieben. Abbildung 2-1: Schematische Darstellung der räumlichen Verfeinerung (Downscaling) der Klimasimulations- rechnungen von der globalen Skala zur städtischen Skala. Die auf IPCC Emissionsszenarien basierenden globalen Klimasimulationen dienen als Antrieb für ein Ensemble höher auflösender regionaler Klimamodelle. Die Ergebnisse der regionalen Klimamodelle dienen wiederum als Eingabedaten des Stadtklimamodells MUKLIMO_3 zur Berech- nung der Änderung des urbanen Klimas. Für den zweiten Skalierungsschritt von der regionalen auf die (lokale) städtische Skala wird in dieser Untersuchung das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 des Deutschen Wetterdienstes ein- gesetzt. Für die Kopplung zwischen regionaler und städtischer Skala wurde eine als „Quader- methode“ bezeichnete spezielle Technik entwickelt und eingesetzt (Früh et al., 2011a und 2011b). Stadtklima Offenbach - 13 -
Deutscher Wetterdienst 2.2 Das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 Das Stadtklimamodell MUKLIMO_3 (3-dimensionales mikroskaliges urbanes Klimamodell) des Deutschen Wetterdienstes wurde speziell zur Untersuchung stadtklimatologischer und gelän- deklimatologischer Fragestellungen entwickelt (Sievers und Zdunkowski, 1986; Sievers, 1990 und 1995). Basierend auf den Prinzipien der Massenerhaltung, Energieerhaltung und Impul- serhaltung berechnet MUKLIMO_3 auf einem 3-dimensionalen Rechengitter den Tagesgang des Windes, der Lufttemperatur und -feuchtigkeit, der solaren und thermischen Strahlung, der Temperatur und des Feuchtegehalts im Erdboden sowie vieler weiterer relevanter Parameter. Die räumliche Auflösung des Modells liegt typischerweise zwischen wenigen Metern und meh- reren hundert Metern. Die Rechengitterweiten können im Modellgebiet horizontal und vertikal variiert werden, wobei typischerweise in Bodennähe und in dem im Untersuchungsmittelpunkt stehenden Teil des Modellgebiets die höchste Auflösung gewählt wird. Die für Modellsimulatio- nen benötigten Anfangs- und Randwerte für das Modellgebiet (und somit das Regionalklima) werden durch eine automatisch zusätzlich ablaufende ein- bzw. zweidimensionale MUKLIMO_3 Simulation mit ländlicher Landnutzung bestimmt. Simulationen mit MUKLIMO_3 werden meist für Zeiträume zwischen mehreren Stunden und einigen Tagen durchgeführt. Da die Modellphy- sik von MUKLIMO_3 keine Niederschlagsbildung enthält, kann das Modell nur für nieder- schlagsfreie Situationen eingesetzt werden. Neben den meteorologischen Eingangsgrößen benötigt das Modell für jede Gitterzelle die Höhe über NN und Informationen zur Art der Land- nutzung. In Analogie zum Ansatz von Gross (1989) erfolgt die Beschreibung der Struktur der städti- schen Bebauung anhand folgender Parameter: mittlerer Gebäudegrundflächenanteil γb, mittle- re Gebäudehöhe hb, mittlerer Wandflächenindex wb und mittlerer Versiegelungsanteil der nicht bebauten Fläche zwischen den Gebäuden ν (siehe Tabelle 2-1). Die Definition der MUKLIMO_3 Landnutzungsklassen für Bebauung orientiert sich an der technischen Beschrei- bung von neun verschiedenen Bebauungsstrukturen des Bundesministeriums für Raumord- nung, Bauwesen und Städtebau (BMBau, 1980). Da bei der verwendeten horizontalen Modellauflösung die Bebauungsstrukturen in einer Modellgitterzelle stark variieren können, er- laubt MUKLIMO_3 neben der primären (häufigsten) Bebauungsstruktur auch eine sekundäre (zweitwichtigste) Bebauungsstruktur zu simulieren (z.B. für die Klasse 15). Die Berechnung der Lufttemperatur in bebauten Gebieten berücksichtigt die Reflexion und Ab- sorption von Strahlung (Sievers und Früh, 2012) sowie die Speicherung von Wärme in den Gebäuden. Die Beschreibung des Wärme- und Feuchtehaushalts des Bodens erfolgt nach der Methode von Sievers et al. (1983). Das Vegetationsmodell basiert auf einem erweiterten An- satz nach Siebert et al. (1992). Weitere Details zum Modell MUKLIMO_3 finden sich in Früh et al. (2011a). Stadtklima Offenbach - 14 -
Deutscher Wetterdienst
Tabelle 2-1: Parameter zur Beschreibung der städtischen Bebauung für die MUKLIMO_3 Landnutzungsklassen:
mittlerer Gebäudegrundflächenanteil γb, mittlere Gebäudehöhe hb in m, mittlerer Wandflächenindex wb und mittlerer
Versiegelungsanteil der nicht bebauten Fläche zwischen den Gebäuden ν .
Klasse Beschreibung γb hb wb ν
1 Siedlung (dicht) 0,30 15 2,70 0,80
2 Siedlung (locker) 0,12 8 2,80 0,25
5 Gewerbegebiet (dicht) 0,55 20 0,90 0,55
6 Gewerbegebiet (locker) 0,30 12 1,50 0,80
Bankenviertel (primär) 0,45 23 4,49
10 0,95
mit Hochhäusern (sekundär) 0,05 150 29,25
11 Ein- und Mehrfamilienhäuser (locker) 0,20 9 2,88 0,30
12 Dorfkern und Einfamilienhäuser (dicht) 0,50 9 2,23 0,80
13 Reihenhaussiedlung 0,35 9 1,73 0,30
14 Zeilenbebauung (mittel) 0,16 16 3,68 0,80
Zeilenbebauung (dicht) (primär) 0,12 23 4,49
15 0,90
und Hochhäuser (sekundär) 0,02 54 10,53
16 Blockbebauung 0,32 16 3,08 0,80
17 City (ab Mitte 19. Jh.) 0,55 19 2,14 0,90
18 Historischer Stadtkern 0,68 16 1,62 0,95
2.3 Quadermethode
Sehr hoch auflösende Simulationen mit dynamischen Klimamodellen wie MUKLIMO_3 sind für
klimatologische Zeiträume von 30 Jahren extrem aufwendig und mit heutigen Computern noch
nicht leistbar. Zur Reduzierung des Rechenaufwands wurde daher die Quadermethode als dy-
namisch-statistisches Downscaling-Verfahren entwickelt (Früh et al., 2011a und 2011b).
Die Quadermethode basiert auf der Annahme, dass das lokale Auftreten wärmebelastender
Wetterlagen im Wesentlichen von den regional repräsentativen Werten der drei Klimaparame-
ter Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit abhängt. Die Minima und
Maxima dieser drei Klimaparameter beschreiben einen dreidimensionalen Ereignisraum, der
als Quader visualisiert werden kann (Abbildung 2-2).
Stadtklima Offenbach - 15 -Deutscher Wetterdienst Abbildung 2-2: Skizze des Quaders zur Illustration der Eckpunktsimulationen und der multiplen linearen Interpo- lation. Die Quadereckpunkte werden durch Tagesmittelwerte der Lufttemperatur T, der relativen Luftfeuchtigkeit rh und der Windgeschwindigkeit v bestimmt und sind für die im Gebiet von Frankfurt und Offenbach durchgeführten MUKLIMO_3 Simulationen in Tabelle 3-1 aufgelistet. Da Klimabeobachtungen über sehr lange Zeiträume zwar die Tagesmaximum- und -minimumtemperatur umfassen, nicht aber die Tagesextrema für die relative Feuchte und für die Windgeschwindigkeit, wird im Folgenden für die regionalen Klimaparameter der Wertebe- reich ihrer Tagesmittelwerte betrachtet. Die für diese Studie gewählten Tagesmittelwerte an den Quadereckpunkten werden in Kap. 3.2 vorgestellt. Es werden für jede Hauptwindrichtung acht als Eckpunktsimulationen bezeichnete Berechnun- gen von räumlich hoch aufgelösten Tagesgängen des Lokalklimas mit dem Modell MUKLIMO_3 durchgeführt, die den in Abbildung 2-2 skizzierten Quader aufspannen. Den Ta- gesgang der Klimaparameter an allen Gitterpunkten von MUKLIMO_3 für einen beliebigen Tag X erhält man dann aus den Ergebnissen der acht Eckpunktsimulationen für die entsprechende Windrichtung mittels dreifacher linearer (tri-linearer) Interpolation auf die regionalen Mittelwerte des Tages X (Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit). Zur Bestimmung von klimatologischen Kenntagen werden die bodennahen Felder (Gitterpunktswerte) der Lufttem- peratur bezüglich des Tagesmaximums, des Tagesminimums oder für eine bestimmte Uhrzeit des Tages ausgewertet. Stadtklima Offenbach - 16 -
Deutscher Wetterdienst 2.4 Klimazeitreihen für die Quadermethode Als Eingangsdaten für die Quadermethode werden, neben den MUKLIMO_3 Simulationen für die Klimabedingungen der Quadereckpunkte, langjährige Reihen von Tageswerten aus Klimabeobachtungen (z.B. 1971 - 2000) und aus regionalen Klimaprojektionen (z.B. 1971 − 2000 und 2021 − 2050) benötigt. Diese für die tri-lineare Interpolation (s. Kap. 2.3) ge- nutzten Klimazeitreihen müssen möglichst repräsentativ für die Region um die Stadt (ähnliche topographische Lage) und möglichst frei von städtischen Einflüssen sein (Deutschländer et al., 2008). Zur Ermittlung des zukünftigen regionalen Klimas wird im vorliegenden Fall ein Ensemble von vier regionalen Klimaprojektionen verwendet, um die Unsicherheiten, welche in diesen Modell- simulationen stecken, zu berücksichtigen. Zwei dieser vier Projektionen wurden mit den nume- rischen Klimamodellen REMO (Jacob et al., 2008; Modellbetreiber: Max-Planck-Institut für Meteorologie) und CLM (Hollweg et al., 2008; Modellbetreiber: CLM-Community) erzeugt, die beiden anderen mit statistischen Verfahren WETTREG (Enke et al., 2005; Modellbetreiber: Climate & Environment Consultancy Potsdam GmbH) und STAR (Orlowsky et al., 2008; Mo- dellbetreiber: Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung). Alle 4 regionalen Klimaprojektionen sind mit Daten des globalen Klimamodells ECHAM5 (Roeckner et al., 2006a; Hagemann et al., 2006; Roeckner et al., 2006b) angetrieben (siehe Abbildung 2-1), wobei von dem moderaten SRES Emissionsszenario A1B (Abbildung 2-1) ausgegangen wird. Simulationen für Zeiträume im 20. Jahrhundert werden mit C20 (Kontrolllauf) bezeichnet. Hier präsentierte Auswertungen nutzen die Zeiträume 1971 - 2000 (Kontrollzeitraum C20) und 2021 - 2050 (SRES Szenario A1B, Nakicenovic und Swart, 2000). Ein detaillierter Überblick über die Modelle und Simulatio- nen ist Früh et al. (2011a und 2011b) zu entnehmen. Abbildung 2-3: Änderung der Jahresmitteltemperatur im Mittel über Deutschland aus den Klimaprojektionsrech- nungen für Vergangenheit und Zukunft (C20 und A1B) im Vergleich zur Referenzperiode 1971 - 2000. Stadtklima Offenbach - 17 -
Deutscher Wetterdienst Abbildung 2-3 zeigt die Änderung der 30-jährigen Mitteltemperatur in Deutschland im Vergleich zur Referenzperiode 1971 − 2000, wie sie von den vier regionalen Modellen sowie dem globa- len Modell (ECHAM) prognostiziert wird. Die rötlichen Linien beziehen sich auf drei ECHAM5 Realisierungen (r1 bis r3), welche sich durch leicht unterschiedliche Klimabedingungen zu Be- ginn der Industrialisierung unterscheiden. Als Antrieb für die Regionalisierungsverfahren wurde ECHAM5-r1 verwendet. Die magenta-farbene und die blaue Linie zeigen die projizierte Tempe- raturzunahme der beiden regionalen Klimamodelle REMO und CLM, die nur wenige zehntel Grad voneinander abweichen. Die grüne Linie zeigt die mit WETTREG berechnete Tempera- turzunahme als Mittel aller 20 verfügbaren Realisierungen auf der Basis von ECHAM5-r1. Im Vergleich zu allen anderen Verfahren ist die 30-jährige Mitteltemperatur in Deutschland aus WETTREG deutlich geringer. Die violette Linie zeigt eine vom PIK (Potsdam Institut für Klima- folgenforschung) ausgewählte Realisierung der STAR Ergebnisse, welche im Vergleich zu den anderen eine deutlich höhere Temperaturzunahme projiziert. Sie ist im Jahr 2040 nahezu iden- tisch mit der wärmsten ECHAM5 Realisierung r2. Für die Auswertung sind alle 4 regionale Klimaprojektionen als gleich wahrscheinlich zu betrachten. Die sich regional und letztendlich auch für das Stadtgebiet ergebenden Unterschiede in den Klimaparametern spannen somit einen Wertebereich auf, innerhalb dessen im Rahmen der 4 Projektionen für das Emissions- szenario A1B die zukünftige Klimaänderung zu erwarten ist. Die regionalen Klimaprojektionsdaten von REMO, CLM und WETTREG (Jacob, 2005; Keuler und Lautenschlager, 2006; Kreienkamp und Enke, 2006) stammen aus der CERA-Datenbank des World Data Center for Climate in Hamburg (http://cera-www.dkrz.de/). Die Daten von STAR basieren auf der Version 2 des Verfahrens und wurden dem Deutschen Wetterdienst direkt vom PIK zur Verfügung gestellt. Stadtklima Offenbach - 18 -
Deutscher Wetterdienst 3 Modellkonfiguration 3.1 MUKLIMO_3 Modellgebiet und Auswertegebiet für Offenbach am Main Die horizontale Auflösung des Modellgebietes beträgt im 26,8 km x 20,4 km großen Kerngebiet 100 m. Dieses ist von sechs äußeren (hier nicht abgebildeten) Gitterzellen umgeben, deren Auflösung gröber ist und auf bis zu 500 m anwächst. Dies erfolgt, um eventuelle numerische Randeffekte der Modellsimulationen zu eliminieren. Insgesamt werden 280 Gitterzellen in x- Richtung und 216 Gitterzellen in y-Richtung verwendet. In Abbildung 3-1 und Abbildung 3-2 ist die Topographie des Modellgebiets jeweils nur für den Bereich mit der 100 m Auflösung darge- stellt. Die Ergebnisse der Modellsimulationen für die Stadtgebiet Offenbach werden für den im Südosten liegenden 11,1 km x 10,1 km großen Ausschnitt dargestellt (Abbildung 3-3, Abbil- dung 3-4). Die vertikale Auflösung des Modells MUKLIMO_3 reicht von 10 m in den untersten 100 m bis zu 50 m zwischen 200 m und 750 m Höhe bei 25 Schichten. Das Modellgebiet ist um 30 Grad gegen Nord gedreht. Die Quellen der Topographiedaten sind in Kapitel 9 beschrieben. Abbildung 3-1: Karte der Geländehöhe für das MUKLIMO_3 Modellgebiet, das um 30° gegen Nord gedreht ist. Die Position von langjährigen DWD-Messstationen sind mit einem ’+’ für den Flughafen Frankfurt/Main und einem ’o’ für Offenbach gekennzeichnet. Die strich-punktierten Linien zeigen die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offen- bach. Die Koordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System. Stadtklima Offenbach - 19 -
Deutscher Wetterdienst Abbildung 3-2: Karte der Landnutzung: 2 – Siedlung (locker); 3 – Wald; 4 – Park; 5 – Gewerbe (dicht); 6 – Gewerbe (locker); 7 – Freiflächen; 9 – Wasser; 10 – Bankenviertel; 11 – Ein- u. Mehrfamilienhäuser (locker); 12 – Dorfkern u. Einfamilienhaussiedlung (dicht); 13 – Reihenhaussiedlung; 14 – Zeilenbebauung (mittel); 15 – Zeilenbebauung (dicht) & Hochhäuser; 16 – Blockbebauung; 17 – City ab Mitte 19. Jh.; 18 - Historischer Stadtkern; 51 – Gleise; 52 – Kleingärten. Eingetragen sind zusätzlich die Stadtgrenzen von Frankfurt und Offenbach. Die Ko- ordinaten am Rand der Karte beziehen sich auf das Gauß-Krüger-System. Abbildung 3-1 und Abbildung 3-3 zeigen die Geländehöhe über NN im MUKLIMO_3 Modellge- biet und im Modellauschnitt um Offenbach. Der Main fließt mäandrierend von Ost nach West und bildet im Norden und Nordwesten die Offenbacher Stadtgrenze. Hier treten mit Werten um 95 m über NN die niedrigsten Geländehöhen in Offenbach auf. Im Nordwesten des Modellge- biets liegen die Ausläufer des Taunus mit einer Modellhöhe von bis zu 281 m ü. NN. Der zu Frankfurt gehörende, etwa 6 bis 7 km nördlich des Offenbacher Stadtzentrums gelegene Ber- ger Rücken hat eine Höhe von bis zu 205 m. Der bis zu 150 m erreichende Frankfurter Stadt- wald liegt etwa 3 bis 4 km west-südwestlich des Offenbacher Stadtzentrums. Im generell relativ flachen, vom Main aus in südliche Richtungen langsam ansteigenden Gelände sind der Biebe- rer Berg (130 m) im Osten und die Rosenhöhe (125 m) im Süden der Stadt die bedeutsamsten natürlichen Geländeerhebungen in Offenbach (Abbildung 3-3). Diese werden noch überragt von den kleineren, etwa 170 m hohen künstlichen Aufschüttungen des Schneckenbergs (am Nordende des Bieberer Bergs) und des Monte Scherbelino (im Westen von Offenbach am Au- tobahnkreuz Offenbach). Stadtklima Offenbach - 20 -
Deutscher Wetterdienst Abbildung 3-3: Karte der Geländehöhe für den im Südosten des Modellgebiets liegenden Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach, durchgezogene Linien zeigen die Hauptver- bindungsstraßen. Abbildung 3-4: Karte der Landnutzung für den im Südosten des Modellgebiets liegenden Modellausschnitt um Offenbach. Die gestrichelte Linie zeigt das Stadtgebiet von Offenbach, durchgezogene Linien zeigen die Hauptver- bindungsstraßen. Stadtklima Offenbach - 21 -
Deutscher Wetterdienst Abbildung 3-2 und Abbildung 3-4 zeigen die Landnutzung im MUKLIMO_3 Modellgebiet und im Modellauschnitt um Offenbach. Die wichtigsten physikalischen Parameter der städtischen Landnutzungsklassen (Bebauungsstrukturen) können Tabelle 2-1 entnommen werden. In der Offenbacher Innenstadt ist die City-Bebauung überwiegend von Bezirken mit Blockbebauung umgeben. In den äußeren Stadtbereichen ist die Bebauung hingegen durch Cluster mit Zeilen- bebauung, Reihenhausbebauung, Ein- und Mehrfamilienhäusern oder Gewerbe charakterisiert. Im Stadtgebiet gibt es einige größere Areale mit hohem Grünflächenanteil wie Kleingärten oder der Alte Friedhof. Städtische Waldflächen gibt es vor allem im Süden und auf dem Bieberer Berg im Osten. 3.2 Der Quader Wie in der Studie von Früh et al. (2011a, 2011b) wird in diesem Bericht das Überschreiten ei- nes bestimmten Schwellenwertes der Lufttemperatur als Proxy Parameter für die Wärmebelas- tung herangezogen. Diese ist nicht zu verwechseln mit der Wärmebelastung im human- biometeorologischen Sinn, die auf Basis von Wärmehaushaltsmodellen des Menschen (VDI, 2008) berechnet werden kann. Die zuvor beschriebene Quadermethode (Kap. 2.3) wird hier auf das Stadtgebiet von Offen- bach am Main zur temperaturbasierten Analyse sommerlicher Hitzeperioden angewendet. Die als Quadereckpunkte gewählten Tagesmittelwerte der Temperatur, der relativen Feuchte und der Windgeschwindigkeit sind in Tabelle 3-1 aufgelistet. Die aus der Quadermethode resultie- renden, interpolierten Temperaturfelder werden anschließend hinsichtlich der Überschreitung ausgewählter Schwellenwerte für 30-jährige Zeiträume ausgezählt (sog. klimatologische Kenn- tage). Die hier untersuchten Schwellenwerte sind wie folgt definiert: - Sommertage mit einer Tageshöchsttemperatur ≥ 25 °C (NTmax≥25), - Sommerabende mit einer 22 MESZ Lufttemperatur ≥ 20 °C (NT22≥20), Die Sommertage geben Auskunft über hohe Temperaturniveaus am Nachmittag, an denen in der Regel das Tagesmaximum der Lufttemperatur erreicht wird. Sommerabende charakterisie- ren Abende, an denen man sich noch bei sommerlichen Temperaturen im Freien (z.B. im Bier- garten) aufhalten kann. In Hitzeperioden wirken sich insbesondere hohe abendliche Temperaturen negativ auf das Wohlbefinden und die Gesundheit aus, da die hohe Wärmebe- lastung in der Nacht eine ausreichende Erholung des Organismus verhindert. Die von Früh et al. (2011a) durchgeführte Evaluation belegte für die mittlere jährliche Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit Beobachtun- gen. Andere Kenntage (heiße Tage, Tropennächte, etc.) wiesen aufgrund der geringen mittle- ren jährlichen Anzahl eine deutlich geringere Güte auf und werden daher im Folgenden nicht betrachtet. Stadtklima Offenbach - 22 -
Deutscher Wetterdienst
Tabelle 3-1: Tagesmittelwerte bodennaher Klimaparameter für die in Abbildung 2-2 illustrierten acht Eck-
punktsimulationen der Quadermethode
Simulation Lufttemperatur [°C] Rel. Luftfeuchtigkeit [%] Windgeschwindigkeit (m/s)
000 15,0 (Tc,min) 42 (rhc,min) 0,7 (vc,min)
100 25,0 (Tc,max) 42 (rhc,min) 0,7 (vc,min)
010 15,0 (Tc,min) 80 (rhc,max) 0,7 (vc,min)
001 15,0 (Tc,min) 42 (rhc,min) 3,0 (vc,max)
110 25,0 (Tc,max) 80 (rhc,max) 0,7 (vc,min)
101 25,0 (Tc,max) 42 (rhc,min) 3,0 (vc,max)
011 15,0 (Tc,min) 80 (rhc,max) 3,0 (vc,max)
111 25,0 (Tc,max) 80 (rhc,max) 3,0 (vc,max)
3.3 Verwendete Zeitreihen
Die 30-jährigen Zeitreihen, welche die für Frankfurt und Offenbach regional repräsentativen
Umgebungsbedingungen widerspiegeln und als Eingabedaten der Quadermethode dienen,
stammen sowohl aus Beobachtungen als auch aus Klimaprojektionen. Die Zeitreihe 1971 -
2000 der DWD-Messstation am Flughafen Frankfurt/Main wird zur Evaluierung der klimatologi-
schen Kenntage verwendet. Zur Abschätzung der Klimaänderung werden Zeitreihen regionaler
numerischer Klimamodelle und statistischer Regionalisierungsverfahren verwendet (Kap.2.4).
Hierbei ist zu beachten, dass wegen Unsicherheiten der Regionalisierungsverfahren die Klima-
zeitreihen bei den numerischen Klimamodellen auf mehreren Gitterzellen und bei den statisti-
schen Verfahren auf mindestens zwei Klimastationen der Region mit ähnlicher Lage basieren
sollten (vgl. Deutschländer et al., 2008).
Aus den Projektionen der numerischen, regionalen Klimamodelle REMO und CLM wurden Zeit-
reihen von vier Gitterzellen in der Nähe von Frankfurt extrahiert und zur Berechnung der Ta-
gesmittelwerte der Lufttemperatur (Ti) und der relativen Feuchte (rhi) in 2 m, sowie der
Windgeschwindigkeit (vi) in 10 m über Grund verwendet (Früh et al. 2011a).
Aus den beiden statistischen Regionalisierungsverfahren WETTREG und STAR wurden die
Zeitreihen an den Stationen Geisenheim (110 m ü. NN) und Kahl am Main (107 m ü. NN) aus-
gewählt. Beide Verfahren liefern jeweils die Tagesmittelwerte für Ti, rhi und vi. welche im Mittel
über die beiden Stationen verwendet werden (Früh et al. 2011a).
Zur Berücksichtigung der Windrichtungsabhängigkeit des Temperaturfeldes wurde pro statis-
tisch relevanter Windrichtung jeweils ein Quader aufgespannt. Die relevanten Windrichtungen
an der Messstation Flughafen Frankfurt/Main für den Zeitraum 1971 - 2000 sind Nordost (NE)
und Südwest (SW). Die acht MUKLIMO_3 Rechnungen für jeden Eckpunkt eines Quaders
Stadtklima Offenbach - 23 -Deutscher Wetterdienst wurden für beide Windrichtungen NE und SW durchgeführt. Dadurch erhält man einen NE- und einen SW-Quader. Für alle Tage mit einer mittleren Windrichtung zwischen 315° und 135° wird der NE-Quader, für alle anderen Tage der SW-Quader zur Interpolation verwendet. Da weder WETTREG noch STAR Informationen über die Windrichtung liefern, wird hierfür eine zufällige Zeitreihe generiert, welche im Mittel der beobachteten Windrichtungsverteilung am Flughafen Frankfurt/Main entspricht. Diese Abschätzung basiert auf der Annahme, dass die Häufigkeitsverteilung der Windrichtung für WETTREG und STAR der beobachteten Windrich- tungsverteilung entspricht und während des gesamten Projektionszeitraums konstant bleibt. Für nähere Informationen zu diesem Verfahren sei auf Früh et al. (2011b) verwiesen. 4 Ergebnisse zum Klima im Zeitraum 1971 - 2000 Für die Berechnung von Klimaindizes (Kenntagen) für den Zeitraum 1971 - 2000 wurde die be- obachtete Zeitreihe am Flughafen Frankfurt/Main als Eingabe für die Quadermethode gewählt. Diese im Folgenden auch EVAL (Evaluierungslauf) genannte Simulation wurde von Früh et al. (2011a) zur Überprüfung der Belastbarkeit der Ergebnisse und zur Evaluierung des Verfahrens genutzt. Im nachfolgenden Abschnitt 4.1 werden die Ergebnisse des Evaluierungslaufs für die Bestimmung der räumlichen Variabilität der Klimaindizes im Stadtgebiet von Offenbach ver- wendet. Die Auswirkungen verschiedener Bebauungsstrukturen auf die Klimavariabilität in Of- fenbach werden in Abschnitt 4.2 analysiert. 4.1 Räumliche Klimavariabilität in Offenbach im Zeitraum 1971 - 2000 Die Karte der für Offenbach berechneten mittleren Anzahl an Sommertagen (NTmax≥25) im Zeit- raum 1971-2000 zeigt für ländliche Freiflächen und entlang des Mains im Mittel etwa 41 Ta- ge/Jahr und im Zentrum der Stadt bis über 56 Tage/Jahr (Abbildung 4-1a). Das Stadtgebiet mit den höchsten Werten wird von der Berliner Straße, dem Spessart- und Odenwaldring sowie der Sprendlinger Landstraße umschlossen. In den Waldgebieten südlich der Stadt ergeben sich die niedrigsten Werte von etwa 30 Sommertagen pro Jahr aufgrund von Verdunstung und Schattenwirkung der Bäume. Die mittleren, minimalen und maximalen Werte der Anzahl Som- mertage im Stadtgebiet von Offenbach sind in Tabelle 4-1 zusammengestellt. Der Karte mit der mittleren Anzahl an Sommerabenden zeigt für ländliche Freiflächen etwa 67 Tage/Jahr und deutlich höhere Werte im Stadtgebiet (Abbildung 4-1b). In der Fußgänger- zone, im Nordend (nördlich der Berliner Straße) sowie in den Stadtteilen Bürgel und Rumpen- heim ergeben sich mit etwa 77 Sommerabenden pro Jahr die höchsten Werte. Auch entlang des Mains ergibt sich eine relativ hohe Anzahl an Sommerabenden, da hier ─ im Vergleich zum Freiland ─ die Abgabe der tagsüber im Wasser gespeicherten Wärme zu einer geringeren abendlichen Abkühlung führt. Die niedrigsten Werte von teilweise unter 60 Tage/Jahr finden sich auch bei den Sommerabenden in den Waldgebieten südlich der Stadt. Stadtklima Offenbach - 24 -
Deutscher Wetterdienst
(a) Anzahl Sommertage (NTmax≥25)
(b) Anzahl Sommerabende (NT22≥20)
Abbildung 4-1: Karten der mittleren jährlichen Anzahl Sommertage (a) und Sommerabende (b) in Offenbach für
den Evaluierungslauf 1971 - 2000.
Stadtklima Offenbach - 25 -Deutscher Wetterdienst Tabelle 4-1: Räumliches Mittel, Minimum und Maximum der mittleren jährlichen Anzahl an Sommertagen und Sommerabenden zusammen mit dem räumlichen Mittel des Konfidenzintervalls auf dem 90% Signifikanzniveau für das gesamte Stadtgebiet von Offenbach im Zeitraum 1971 − 2000 (EVAL). Klimaindex Mittel Minimum Maximum Max. - Min. 90% Konfidenzintervall Sommertage 41,8 29,8 57,5 27,7 8,4 Sommerabende 67,3 57,2 77,7 20,5 8,6 4.2 Auswirkungen unterschiedlicher Bebauungsstrukturen Um die klimatologischen Auswirkungen der verschiedenen Landnutzungsklassen inklusive der Bebauungsstrukturen systematisch zu untersuchen, wurden statistische Auswertungen mit ei- nem Bootstrap Verfahren durchgeführt (Früh et al., 2011a). Hierbei wurden für jede MUKLIMO_3 Gitterzelle Quantil-Werte der jährlichen Anzahl an Kenntagen bestimmt, die mit einem Box-Whisker-Plot2 visualisiert werden. Abbildung 4-2a zeigt die über das Stadtgebiet von Offenbach gemittelten Quantil-Werte der Anzahl Sommertage (NTmax≥25) für den Zeitraum 1971 - 2000 als Box-Whisker-Plots für jede einzelne Landnutzungsklasse. Aufgrund des Schattens der Bäume und der hohen Verduns- tung ergibt sich für Waldflächen die geringste Anzahl Sommertage. Sie ist signifikant geringer als die Anzahl Sommertage gemittelt über alle anderen Landnutzungsklassen. Der Offenba- cher Wald besteht überwiegend aus größeren zusammenhängenden Gebieten (z.B. im Süden der Stadt), wodurch die gute Ausprägung des Waldklimas begünstigt wird. Sind Landnutzun- gen hingegen nur in kleinflächigen Arealen vorhanden, führt der windbedingte horizontale Aus- tausch mit benachbarten Modellgitterzellen mit anderer Landnutzung zu einer geringeren Ausprägung des landnutzungsspezifischen Lokalklimas. Parks und Grünflächen im Stadtgebiet haben, gerade bei wärmebelasteten Wetterlagen im Sommer, für die Stadtbewohner eine nicht unwesentliche Erholungswirkung. Sie bieten schat- tenspendende Bäume und sind auch durch Verdunstungsprozesse kühler als ihre bebaute Umgebung. Dies gilt auch schon für kleinere Parkanlagen mit Flächen unter 10 ha (Bongardt, 2006). Wasserflächen und Freiflächen zeichnen sich ebenfalls durch eine geringere Anzahl an Sommertagen im Vergleich zu bebauten Landnutzungsklassen aus. Im Allgemeinen nimmt die Anzahl Sommertage mit zunehmender Gebäudedichte zu, sofern die Gebäude niedrig bleiben und somit der Schattenwurf nicht zu ausgeprägt ist (Früh et al., 2011a). Aus Abbildung 4-2a 2 Der Box-Whisker-Plot ist ein Kasten-Diagramm, bei dem das obere Ende des Kastens das 75% Quantil und das untere Ende des Kastens (Box) das 25% Quantil zeigt. Dabei beschreibt das 25% Quantil den Wert, der von 25% der Werte einer Stichprobe unterschritten wird. Der Median entspricht dem 50% Quantil und ist mit einem dicken Querstrich gekennzeichnet. Die aus dem Kasten herausragenden Linien (Whisker) umfassen bei der gewählten Darstellung den Bereich zwischen dem 5% und 95%Quantil und entspricht dem 90% Konfidenzintervall (Kendon et al., 2008). Stadtklima Offenbach - 26 -
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