Zusammenfassung: Bei der Diskussion um den Klimawandel gewinnt in urbanen Gebieten – neben dem Klimaschutz – das Thema der Anpassung an den Klimawandel immer mehr an Bedeutung.

Vor allem in Städten nimmt die Anzahl heißer Tage, und damit auch die Wärmebelastung, immer weiter zu. Dort macht sich der sogenannte städtische Wärmeinseleffekt bemerkbar: Durch sehr dichte Bebauung, versiegelte Flächen (z. B. asphaltierte Straßen und Plätze), weniger Begrünung und zusätzlichen anthropogenen Wärmestrom (verursacht durch z. B. Klimaanlagen und Heizungen) kann die Lufttemperatur in größeren Städten um 10 Kelvin und mehr höher liegen als im kühleren Umland.

Mit INKAS (Informationsportal Klimaanpassung in Städten) hat der Deutsche Wetterdienst bereits einen elektronischen Experimentierkasten entwickelt, um auf einfache Weise verschiedene Anpassungsmaßnahmen an die Klimaerwärmung in Städten miteinander vergleichen zu können. Mit dem Projekt „Klimaangepasste Stadtplanung in Bonn und Nordrhein-Westfalen“ wurde INKAS nun um wesentliche Aspekte erweitert.

Im vorliegenden Bericht wird der Frage nachgegangen, wie sich verschiedene Klimaanpassungsmaßnahmen (Albedo der Dachfläche, Dachbegrünung und Entsiegelung zwischen Gebäuden) auf unterschiedliche städtische Areale thermisch auswirken.

Es zeigt sich, dass potentiell negative Auswirkungen von Planungsvorhaben auf das lokale Klima (z.B. Temperaturerhöhungen durch Nachverdichtung und Aufstockung) durch Kombinationen aus Anpassungsmaßnahmen zum Teil kompensiert werden können.

Um der Frage nachzugehen, ob die gewählten Anpassungsmaßnahmen auch in anderen Stadtquartieren in Nordrhein-Westfalen gleiche oder ähnliche Effekte auf die Lufttemperatur zeigen, wurden idealisierte Stadtklimasimulationen durchgeführt. Der Ergebnisvergleich belegt, dass die Wirksamkeit der getesteten Anpassungsmaßnahmen von idealisierten Stadtquartieren auf reale Stadtquartiere übertragen werden kann.

Zusammenfassung: Klimaprojektionsdaten liegen originär auf einem Gitter vor, das für die Ableitung von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel vor Ort zu grob ist. Zudem sind Klimaprojektionsdaten eventuell mit systematischen Ungenauigkeiten (Bias) behaftet, die insbesondere bei der Analyse schwellenwertbezogener Indizes die Ergebnisse verfälschen können.

In diesem Bericht wird ein Verfahren zur multivariaten Bias-Adjustierung vorgestellt und bewertet. Multivariat bedeutet in diesem Zusammenhang, dass korrelierte Variablen gemeinsam adjustiert werden, was die Korrelation zwischen solchen Variablen erhält und insbesondere in der Klimafolgenforschung von enormer Wichtigkeit ist.

Es schließt sich die Vorstellung eines statistischen Verfahrens zur Generierung von höheren räumlichen Auflösungen der Modelldaten (Downscaling) an. Hierbei wird die originäre Modellauflösung von ~ 11 km x 11 km unter Zuhilfenahme einer Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis), der Ermittlung statistischer Beziehungen zwischen den originären Modelldaten und der ermittelten Hauptkomponenten und der Anwendung dieser Beziehungen auf hochauflösende Daten, zur Generierung eines Datensatz mit einer Zielauflösung von 5 km x 5 km genutzt.

Die Methode wurde im Rahmen des BMVI-Expertennetzwerkes „Wissen – Können – Handeln“ entwickelt und auf ein Ensemble von Klimaprojektionsdaten angewendet. Die Ergebnisse liefern wesentliche Beiträge in diesem Ressortforschungsprogramm, im Rahmen der Klimawirkungs- und Risikoanalyse 2021 und im Kontext der Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel sowie für Beratungsleistungen des Deutschen Wetterdienstes..

An Klimareferenzstationen finden Parallelmessungen durch historische und operationelle Messgeräte statt. Mithilfe dieser Messungen sollen die Vergleichbarkeit der Messungen untersucht, die Messunsicherheit abgeschätzt und gegebenenfalls Methoden zur Homogenisierung der Messreihen entwickelt werden. Für diese Untersuchungen wurden folgende, besonders wichtige Klimaelemente ausgewählt: Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Niederschlagssumme, Sonnenscheindauer, Luftdruck und Erdbodentemperatur. In Hinblick auf die Homogenität langer Messreihen lässt sich zusammenfassend sagen, dass für die Messungen der Lufttemperatur (Ausnahme Tagesextrema), des Luftdruckes und der relativen Feuchte keine Inhomogenitäten aufgrund der Automatisierung zu erwarten sind. Bei den täglichen Temperaturminima und –maxima wurden leichte Änderungen vor allem in den Sommermonaten, hauptsächlich infolge des Wechsels der Strahlungsschutzhütte, festgestellt. Aufgrund der höheren Trägheit der Englischen Hütte (im Vergleich zur LAM-630), die durch den Aufbau ihrer Lamellen und ihres großen Luftvolumens stark von der Umgebungsluft abgeschottet ist, gleichen sich die Temperaturen in ihrem Inneren relativ langsam an die Umgebung an, sodass negative oder positive Temperaturspitzen nicht vollständig erfasst werden. Bei der Sonnenscheindauer wurden Unterschiede festgestellt, die auf das veränderte Messprinzip zurückzuführen sind. Mithilfe eines linearen Regressionsmodells können die Reihen jedoch homogenisiert werden. Bei den Messungen der Niederschlagshöhe konnte eine geringe, jedoch systematische Unterschätzung starker Niederschlagsevents des automatischen Messgeräts PLUVIO im Vergleich zum manuellen Messgerät nach Hellmann festgestellt werden. Für das aktuell operationelle automatische Messgerät Rain[e] zeigte sich für flüssigen Niederschlag eine gute Übereinstimmung zu den manuellen Hellmann-Messungen (innerhalb der definierten Toleranzbereiche), jedoch bei festem Niederschlag eine starke Unterschätzung der Niederschlagsmenge gegenüber der manuellen Referenz. Durch Verwendung eines Windschutzes am Rain[e] kann dieser Fehler verringert werden. In Zukunft sollen an den Klimareferenzstationen die Parallelmessungen von automatischen Messgeräten verschiedener Bauart fortgeführt werden. Zu den zu untersuchenden Messgrößen gehört demnächst auch die Windgeschwindigkeit.

Der vorliegende Bericht präsentiert die wesentlichen Arbeiten und Ergebnisse des Arbeitspaketes 3 (AP 3) im Projekt „KLIMPRAX Wiesbaden/Mainz – Stadtklima in der kommunalen Praxis. Handlungsleitfaden Anpassung“, im Folgenden kurz "KLIMPRAX-Stadtklima". Das Gesamtprojekt wird vom Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt-, und Geologie (HLNUG) geleitet und koordiniert. Die Federführung für das AP 3 „Klimaanalyse und -projektion für das erweiterte Stadtgebiet Wiesbaden und Mainz“ lag beim Deutschen Wetterdienst (DWD). Es wurden drei Schwerpunktthemen behandelt: • Das Klima der Gegenwart, • das Klima der Zukunft und • Kaltluftanalysen. Unter „Klima“ wird hier in der Regel das durch die Stadt (das heißt in erster Linie durch die Bebauung) modifizierte Klima, das sogenannte Stadtklima, verstanden. Die Untersuchung dient dazu, flächendeckende Daten als Grundlage für die Stadtentwicklung und die Anpassung an den zu erwartenden Klimawandel zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse sollen in einem weiteren Arbeitspaket (AP 4) in planungsrelevante Parameter und Kategorien übersetzt werden. KLIMPRAX-Stadtklima konzentriert sich auf die Folgen des zu erwartenden Temperaturanstieges und damit auf die Problematik der zunehmenden Hitzebelastung im Sommer vor allem in den Städten. Mit möglichen Anpassungsmaßnahmen an veränderte Niederschläge befasst sich das Projekt „KLIMPRAX-Starkregen“, ebenfalls unter Federführung des HLNUG.

Es ist Konsens in der Klimaforschungsgemeinschaft, dass der globale Klimawandel mit großer Wahrscheinlichkeit mit einer erhöhten Häufigkeit von witterungsbedingten Naturkatastrophen einhergeht [IPCC, 2011]. Grundlage für diese Schlussfolgerung sind im Wesentlichen die Ergebnisse globaler und regionaler Klimasimulationen. Neben Windstürmen sind insbesondere Auftreten und Häufigkeit von hydrometeorologischen Extremereignissen wie z. B. Starkregen oder Dürre ursächlich für korrespondierende Naturkatastrophen, die für den Katastrophenschutz relevant sind. So sind die Anzahl von Umwelteinsätzen der Feuerwehr im Nachgang von Extremereignissen wie Starkregen oder Hagel [Geier, 2009] sowie die Zahl der wetterbedingten Einsätze des Technischen Hilfswerks in den vergangenen Jahren gestiegen [Strotmann, 2011]. Dieser Trend wird von einer Befragung der im Katastrophenschutz eingebundenen Organisationen bestätigt, nach deren Ergebnissen neben Sturmereignissen vor allem Hochwasser vermehrt Einsätze nach sich ziehen.

Der Fichtelberg im Erzgebirge ist mit 1215 Metern die höchste Erhebung Sachsens und liegt an der Grenze zu Tschechien. Gemeinsam mit dem nahe gelegenen Keilberg (heute tschechisch Klínovec; 1244 m) auf böhmischer Seite bildet er den höchsten Punkt des Erzgebirgskamms. Die von Südwest nach Nordost ansteigende Pultscholle des Gebirges fällt nach Süden hin steil ins Egertal (heute tschechisch Údolí Ohře) ab. In diesem, nach Süden vom Duppauer Gebirge (heute tschechisch Doupovské hory) und dem Kaiserwald (heute tschechisch Slavkovský les) eingerahmten Tal sammelt sich bei herbstlichen und winterlichen Hochdruckwetterlagen die Kaltluft (Böhmischer Nebel). Durch diese Konstellation liegt der Fichtelberg entweder in einer trockenen warmen Luftmasse darüber (Inversion) oder er wird direkt vom Böhmischen Nebel beeinflusst, wenn dieser über den Kamm fließt. Das führt zu zahlreichen optischen Erscheinungen, die es sonst in dieser Fülle nur selten gibt. So besticht der Gipfel bei Inversionswetterlagen nicht nur mit einer außergewöhnlichen Fernsicht,Der Fichtelberg im Erzgebirge ist mit 1215 Metern die höchste Erhebung Sachsens und liegt an der Grenze zu Tschechien. Gemeinsam mit dem nahe gelegenen Keilberg (heute tschechisch Klínovec; 1244 m) auf böhmischer Seite bildet er den höchsten Punkt des Erzgebirgskamms. Die von Südwest nach Nordost ansteigende Pultscholle des Gebirges fällt nach Süden hin steil ins Egertal (heute tschechisch Údolí Ohře) ab. In diesem, nach Süden vom Duppauer Gebirge (heute tschechisch Doupovské hory) und dem Kaiserwald (heute tschechisch Slavkovský les) eingerahmten Tal sammelt sich bei herbstlichen und winterlichen Hochdruckwetterlagen die Kaltluft (Böhmischer Nebel). Durch diese Konstellation liegt der Fichtelberg entweder in einer trockenen warmen Luftmasse darüber (Inversion) oder er wird direkt vom Böhmischen Nebel beeinflusst, wenn dieser über den Kamm fließt. Das führt zu zahlreichen optischen Erscheinungen, die es sonst in dieser Fülle nur selten gibt. So besticht der Gipfel bei Inversionswetterlagen nicht nur mit einer außergewöhnlichen Fernsicht, sondern auch mit ungewöhnlich starken Refraktionseffekten wie Luftspiegelungen, stark deformierter oder geteilter Sonnenscheibe sowie mehrfachen Grünen, Blauen und Roten Strahlen an der horizontnahen Sonne. Die Dämmerungsfarben sind bei derartigen Wetterlagen sehr intensiv und neben Purpur- und Gegenpurpurlicht und stark ausgeprägtem Erdschattenbogen zeichnen sich manchmal auch die Schatten weit entfernter Berge oder Wolken am Himmel ab (Crepuscularstrahlen). Fließt der Böhmische Nebel über den Erzgebirgskamm, entstehen bei gleichzeitigem Sonnenschein im Sommer Glorie und Nebelbogen und im Winter atemberaubende Eisnebelhalos. sondern auch mit ungewöhnlich starken Refraktionseffekten wie Luftspiegelungen, stark deformierter oder geteilter Sonnenscheibe sowie mehrfachen Grünen, Blauen und Roten Strahlen an der horizontnahen Sonne. Die Dämmerungsfarben sind bei derartigen Wetterlagen sehr intensiv und neben Purpur- und Gegenpurpurlicht und stark ausgeprägtem Erdschattenbogen zeichnen sich manchmal auch die Schatten weit entfernter Berge oder Wolken am Himmel ab (Crepuscularstrahlen). Fließt der Böhmische Nebel über den Erzgebirgskamm, entstehen bei gleichzeitigem Sonnenschein im Sommer Glorie und Nebelbogen und im Winter atemberaubende Eisnebelhalos.

Vorgestellt wird die PC-Basisversion des kleinskaligen atmosphärischen Strömungsmodells MUKLIMO_3. Der Name MUKLIMO_3 ist die Abkürzung für mikroskaliges urbanes Klimamodell, 3-dimensionale Version. Der originäre Einsatzbereich des Modells ist die Berechnung stationärer Wind- und Schadstofffelder in kleinskaligen Modellgebieten mit blockförmigen Hindernissen. Diese repräsentieren insbesondere Gebäude, können aber auch terrassenförmig modellierten orographischen Strukturen entsprechen. Als Ergänzung kommen Ansätze für die Behandlung unaufgelöster Bebauung sowie von Baumbestand hinzu. Thermodynamische Vorgänge bleiben außer Betracht. Eine theoretische Besonderheit von MUKLIMO_3 ist die zeitliche Integration der Strömungsgleichung vermittels eines auf drei Dimensionen verallgemeinerten Stomfuntions/Vorticity-Ansatzes. In Erweiterung des in Fortran programmierten reinen Rechenmodells ist die PC-Basisversion von MUKLIMO_3 mit grafischen Elementen angereichert, die eine Animation der Simulationsabläufe ermöglichen. Sie gestatten zudem die interaktive Bedienung des Modells mit grafischer Kontrolle der Konfiguration des jeweiligen Projekts und Veranschaulichung der resultierenden Wind- und Schadstofffelder. Der Bericht umfasst, neben der Beschreibung der theoretischen Ansätze von MUKLIMO_3 und ihrer numerischen Umsetzung, auch einen mit beispielen illustrierten Teil zur Handhabung der PC- Basisversion. Im Anhang des Berichts sind Studien zur Validierung des Modells wiedergegeben. Zudem ist eine Demontrastionsversion des Modells über das Internet verfügbar, mit er die Beispielrechnungen des Berichts nachvollzogen und auch eigene Projekte simuliert werden können.