In städtischen Gebieten wird die eingestrahlte solare Energiemenge stärker als in land- und forstwirtschaftlichen Flächen absorbiert und auch deutlich länger gespeichert. Durch eine erhöhte Aufwärmung tagsüber und die eingeschränkte Abkühlung nachts werden die Städte im Vergleich zum Umland deutlich wärmer. Es entstehen sogenannte „städtische Wärmeinseln“. Die Verbesserung der Rückstrahleigenschaften urbaner Oberflächen kann ein Beitrag zur Verminderung der Absorption der eingestrahlten solaren Energiemenge sein. Hierzu zählt auch die Erhöhung der Lichtreflexion auf Verkehrsflächen. Die Reflexionseigenschaften von Fahrbahnoberflächen aus Asphalt können beispielsweise durch die Helligkeit der enthaltenen Gesteinskörnungen optimiert werden und so einen Teilbeitrag im Sinne des Klimaanpassungskonzeptes „weiße Stadt“ leisten. In Abhängigkeit vom Klimaszenario für die betreffende Stadt sind weitere Klimaanpassungsmaßnahmen zu treffen, denn entscheidend wird die Kombination der Konzepte „weiße Stadt“, „grüne Stadt“ und „blaue Stadt“ sein.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

In städtischen Gebieten wird die eingestrahlte solare Energiemenge stärker als in land- und forstwirtschaftlichen Flächen absorbiert und auch deutlich länger gespeichert. Grund dafür sind einerseits die Art, Dominanz und Farbgebung urbaner Oberflächen wie Hausdächer, Straßen und Plätze und anderseits die im Vergleich zu Grün- und Wasserflächen deutlich höhere Wärmespeicherkapazität der verwendeten Baumaterialien (Absorptions- und Emissionspotential). Durch eine erhöhte Aufwärmung tagsüber und die eingeschränkte Abkühlung nachts werden die Städte im Vergleich zum Umland deutlich wärmer, bereits in den zurückliegenden Jahren und Jahrzehnten wurden in den sommerlichen Nachtstunden regelmäßig Unterschiede von 10 °C und darüber erreicht. Mit Kenntnis der Klimaprognosen für 2050 und den verschiedenen Szenarien bis 2100 ist mit einer deutlichen Zunahme von Hitzetagen und -nächten zurechnen (Funk, 2012). Die Problematik sogenannter „städtischer Wärmeinsel“ (englisch „Urban Heat Island – UHI“) muss daher verstärkt als Antrieb für den städtebaulichen Wandel gesehen werden. Der Ausbau von Park- und Rasenflächen, Dach- und Fassadenbegrünungen (grüne Stadt), aber auch die Schaffung neuer Brunnen, Wasserflächen und Wasserverdunstungsanlagen (blaue Stadt) sowie künstlicher Verschattungseinrichtungen mittels Sonnensegel muss vorangetrieben werden. Weiter müssen kumulierende Konzepte zur Verbesserung der Rückstrahleigenschaften urbaner Oberflächen (weiße Stadt) erprobt und in die Fläche gebracht werden (Hofinger, 2020).

2 Städtisches Mikroklima im Wandel

Die meisten deutschen Erwachsenen können sich an extrem heiß und als körperlich belastend empfundene Sommertage und Nächte erinnern. Ein Großteil verbindet diese Erinnerung mit dem Leben im urbanen Raum oder aber dem Besuch einer Stadt. Nur wenige Menschen kommen über subjektive Empfindungen hinaus und können die Frage – war es zur selben Zeit im nahen Umland tatsächlich kühler – quantitativ beantworten. Der Blick von Oben bietet ganz andere Perspektiven. Die Zusammensetzung der Erdoberfläche und die durch sie beeinflusste abgestrahlte Wärmeenergie lässt sich über Thermalscannerbefliegungen oder Satelliten messen. Die Daten der NASA-Missionen Landsat und ECOSTRESS bilden einen für Menschen unsichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung ab, das thermische Infrarot. Von dieser Wärmestrahlung lassen sich die Temperaturen der Erdoberfläche ableiten.

Bild 1: Stadtklima Kassel (Ciesielski, 2021)

Im Bild 1 werden am Beispiel der Stadt Kassel die Unterschiede zwischen den Umland- und Stadttemperaturen visualisiert. Die Karte zeigt die durchschnittliche Oberflächentemperatur aufgezeichnet an Sommertagen zur Mittagszeit (ca. 12 Uhr) bei geringer Wolkenbedeckung. (Quelle: Landsat 8). Sehr deutlich zu sehen ist, ein dicht bebauter aufgeheizter Industriekomplex (UHI) nordöstlich des Hauptbahnhofs sowie der südöstlich angrenzende deutlich kältere Hauptfriedhof. An diesem Beispiel wird sehr deutlich, wo und wie Städte umgebaut werden müssten, um die Menschen in einer heißer werdenden Welt besser schützen zu können. Tags- über heizen sich Gewerbegebiete, Innenstädte, aber auch Flughäfen und kahle Äcker besonders auf, hingegen bleiben Baumstandorte, Park- und Rasenflächen, aber auch die Bereiche in Wassernähe (im Bild 1 der Fluss Fulda unten rechts) deutlich kühler (Ciesielski, 2021).

Das Phänomen der UHI und die innerstädtische Gebäudestruktur verstärken einerseits den Energieverbrauch und andererseits auch den Klimawandel. Der Energieverbrauch für die Kühlung von Bürogebäuden, Gewerbe- und Industriekomplexen, Häusern und Wohnungen steigt infolge zunehmender Außentemperaturen. Hierdurch wird ein Spiraleffekt angestoßen, denn die anthropogene Abwärme künstlich gekühlter Innenräume erzeugt in den UHI einen immensen zusätzlichen Aufheizungseffekt. Bedingt durch den deutschen Energieträgermix wird ein Großteil dieses Energiebedarfs auch noch auf Jahre durch fossil erzeugten Strom gedeckt, zusätzliche Treibhausgas-Emissionen sind zwangsläufig die Folge.

Ein weiteres Problem stellt die verwendeten Baumaterialien dar. Deren hohe Wärmespeicherkapazität (Absorptionspotenzial) und meist geringen Rückstrahleigenschaften (Emissionspotenzial) die künstlich erzeugte und solar eingestrahlte Energiemenge förmlich „einfangen“ und häufig bis zum folgenden Tag speichern. Nächtliche Abkühlungsphasen können mit zunehmender Dauer der Hitzeperioden komplett verloren gehen.

Die aufgezeigte Konstellation befeuert den UHI-Effekt, aber auch den voranschreitenden Klimawandel. Dies ist kein Problem zukünftiger Generationen, die Zunahme von Hitzewellen ist bereits seit den 1960er Jahren zu verzeichnen. Die Diagramme im Bild 2 zeigen für neun deutsche Städte den gleichen Trend – die Persistenz und Anzahl der Hitzetage nimmt stetig zu – die Großwetterlagen halten länger an.

Bild 2: Entwicklung der Hitzewellen (Ciesielski, 2021)

Definitionsgemäß wird eine Hitzewelle festgestellt, sobald eine Temperatur von 30 °C an mindestens drei Tagen in Folge überschritten wird und hält so lange an, wie die mittlere Maximaltemperatur über die gesamte Periode über 30 °C bleibt und an keinem Tag eine Maximaltemperatur von 25 °C unterschritten wird.

Bild 3: Durchschnittstemperaturen – Warming Strips (www.climate-lab-book.ac.uk)

Die farbigen Streifen im Bild 3 visualisieren die Durchschnittstemperaturen für Hamburg zwischen 1881 und 2020, jeder Streifen steht für ein Jahr. Mit der Erwärmungslage ändern sich auch die Strömungsverhältnisse. In den 1970er-Jahren hat ein Hochdruckgebiet im Sommer 3 bis 4 Tage gedauert, in den neunziger Jahren 6 bis 7 Tage, in der Gegenwart sind die Wetterlagen noch beständiger. Die Hitzewellen in den Sommern 2018 bis 2022 vermitteln einen Vorgeschmack dessen, was die Zukunft möglicherweise bringt. Diese aktuellen Extremsommer bilden im Worst-Case-Szenario für 2100 den mittleren Zustand ab, Ausreißer hätten dann bis zu 80 Hitzetage pro Sommer. Aber auch gemäßigtere Szenarien zwingen uns jetzt zu handeln.

Für Hamburg wurde im Jahr 2012 die Studie „Stadtklimatische Bestandsaufnahme und Bewertung für das Landschaftsprogramm Hamburg und Klimaszenario 2050“ für die Weiterentwicklung der Klimaanpassungsstrategie erarbeitet (Funk, 2012). Mit der eingesetzten Methode wurden neben den Oberflächentemperaturen auch das Luftaustauschgeschehen und die Verhältnisse der bodennahen Atmosphäre umfassend abgebildet und zusätzlich verschiedene modellgestützte Analysen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die sommerliche Wärmebelastung durchgeführt.

Im Vordergrund stand die numerische Simulation (Modellierung) flächendeckender meteorologischer Parameter für die Zeithorizonte 2001 bis 2010 sowie 2046 bis 2055 zur Analyse der städtischen Strukturen unter dem Aspekt des globalen Klimawandels. Im Ergebnis wurden komplexe und hochauflösende Klimafunktionskarten aus den entwickelten Klima- und immissionsökologischen Funktionen aggregiert.

Neben dem Ausgangszustand im Jahr 2012 wurde eine zukünftige Flächenkulisse für den Zeitschnitt 2050 entwickelt. Sie umfasst die derzeitig absehbaren kurz- und mittelfristigen baulichen Entwicklungen in Hamburg und ermöglicht es somit, auch deren klimatische Summeneffekte abzubilden. Mit verschiedenen „Themenkarten“ können räumliche Handlungsschwerpunkte für eine klimaverträgliche zukünftige Stadtentwicklung abgeleitet werden, wie beispielhaft im Bild 4 für die Thematik der Hitzetage (vergleiche Bild 2) visualisiert.

Bild 4: Anzahl der Hitzetage/Jahr (Funk, 2012)

Für unsere Gesundheit wird es künftig von großer Bedeutung sein, wo wir wohnen. Die Anzahl der heißen Tage und Nächte werden deutlich zunehmen und vor allem für gesundheitlich empfindliche Bevölkerungsgruppen, wie alte Menschen und kleine Kinder, zu Belastungen führen. Die Belastung in Hamburg ist bisher, wegen des vorherrschenden Seeklimas und relativ seltenen windstillen Tagen, noch niedrig. Aber auch hier werden sich bis 2050 Veränderungen vollziehen, die einerseits durch den globalen Temperaturanstieg bedingt sind, andererseits durch die städtebauliche Entwicklung beeinflusst werden.

3 Einflussfaktoren zur Verbesserung des Mikroklimas

Mit Kenntnis des städtischen Mikroklimas können Schutz- und Entwicklungsmaßnahmen zur Verbesserung von Klima und Luft abgeleitet werden. Diesem Leitgedanken entsprechen die Ziele zur

• Sicherung,
• Entwicklung und
• Wiederherstellung

klima- und immissionsökologisch wichtiger Oberflächenstrukturen innerhalb von Siedlungsräumen. Diese erleichtern ein Eindringen von Kaltluft in die Bebauung, dienen sowohl gering bebaute vegetationsgeprägte Freiflächen, Kleingärten und Friedhöfe als auch Gleisareale und breite Straßenräume.

Zur Sicherung der Bestandsflächen mit Gehölzen und Bäumen müssen Konzepte für das zunehmend semiaride Klima entwickelt werden. Wandel durch Ersatzpflanzungen mit hitze-, trocken-, salz- und schädlingsresistenten Bäumen (z. B. Silberlinde) und Sträuchern mit hoher, potenzieller blattflächenspezifischer Verdunstungsleistung (z. B. Winterlinde, Stieleiche). (Die klimatische Bedeutung dieser Maßnahmen soll noch einmal die Darstellung der Temperaturunterschiede im Bild 5 untermauern.)

Bild 5: Temperaturfeld um 22 Uhr und um 4 Uhr morgens im Bereich des Stadtparks (Funk, 2012)

Aber auch die Entwicklung oder Wiederherstellung grüner Lungen muss verstärkt vorangetrieben werden. Die Dimensionierung und innere Neuordnung von Straßenquerschnitten spielt dabei eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung des Humankomforts, z. B. die radikale Reduktion des Platzangebots für den motorisierten Individualverkehr (MIV) zugunsten von Bepflanzung und Raum für öffentlichen Verkehr und aktive Mobilitätsformen in der Straßenmitte. Ein gelungenes Beispiel liefert die Rue René Coty in Paris, bei der die Geh- und Radwege in die Straßenmitte verlegt und beidseitig von dichter Bepflanzung gesäumt werden, die sowohl Straße als auch Gebäudefassaden natürlich verschattet (Hofinger, 2020).

Bild 6: Beispiel eines adaptiven Straßenquerschnitts mit lokaler Klimawirkung (Hofinger, 2020)

Der MIV wurde im Bild 6 mit einer Fahrspur und einem Parkstreifen an eine Straßenseite verschoben.

Damit in enger Verbindung stehen landschaftsplanerische Zielsetzungen mit direktem Effekt auf die mikroklimatischen Bedingungen, die Verletzlichkeit und den Humankomfort, insbesondere die Vermeidung von Flächenversiegelung in Kombination mit umfassendem Regenwassermanagement, die Einplanung von frühem Grün und durchgehenden, blau/grünen Infrastrukturnetzen (inklusive Dach- und Fassadenbegrünung) sowie bewegtem Wasser. Diese Aspekte zu Qualitätsansprüchen im Bau- und Planungsprozess zu erklären, muss strategische Zielsetzung für alle künftigen Stadtentwicklungsvorhaben sein.

Für diesen zukunftsfähigen Umgang mit der Klimaanpassung wurden in Hamburg bereits verschiedene praxisorientierte Konzepte und Lösungen entwickelt. Mit dem Projekt RISA (RegenInfraStrukturAnpassung) wurden Handlungsoptionen und das Leitbild für eine nachhaltige und wassersensible Stadtentwicklung geschaffen. Das darauf aufbauende Projekt BlueGreenStreets (BGS) strebt an, die Wirksamkeit von (bestehenden) Planungsinstrumenten und Regelwerken zu grünen städtischen Infrastrukturen, urbaner Wasserwirtschaft, dem Sanierungsmanagement von Straßen und Kanälen, und der Verkehrs- und Freiraumplanung zu untersuchen, zu evaluieren und weiterzuentwickeln.

Bild 7: Konzeptskizze Grün-Netz (Quelle: Freie und Hansestadt Hamburg)

Zur Auswahl geeigneter Straßen für Klimaanpassungsmaßnahmen eignen sich auch konzeptionelle Überlegungen, wie im Bild 7 dargestellt. So kann ein Grün-Netz auch über längere Zeiträume sukzessive geschlossen werden. In dem bei allen Planungen an den betroffenen Straßen ein besonderes Augenmerk auf die Straßenraumgestaltung gelegt wird.

Für die Stadt Wien wurden mit dem „Urban Heat Islands – Strategieplan Wien“ und der Studie „Klimasensible Stadtentwicklung – Eine Analyse internationaler Projekte und Maßnahmen hitzeangepasster Stadtentwicklung, mit Anregungen für Wien“ folgende strategische Ansätze der Hitzeanpassung ermittelt:

• Integrative Konzepte für Hitzeanpassung und Klimaschutz einfordern.
• Kaltluftzufuhr durch Definition großer Freihalteflächen und lokaler Frischluftkorridore sichern.
• Blau-grüne Infrastruktur gemeinsam mit städtebaulichen Konzepten entwickeln.

Und zweckmäßige lokale und gebäudespezifische Gestaltungsprinzipien identifiziert:

• Gebäudeanordnung nach dem Prinzip größtmöglicher gegenseitiger Verschattung.
• Anordnung übergeordneter Straßen an Hauptwindrichtung zur Nutzung von Kaltluftströmungen.
• Bündelung von Einbauten in Straßenquerschnitten.
• Ausstattung mit großvolumigen Vegetationselementen zur Kühlung durch Feuchteverdunstung.
• Einsatz durchlässiger Böden, Raingardens und des Schwammstadt--Prinzips.
• Gebäudebegrünung.
• Verwendung von Cool Materials und/oder Cool Roofs, wo Gebäudebegrünung nicht möglich ist.
• Kombination aus technischen und naturbasierten Maßnahmen.

Im Projekt ADAPT-UHI des ACRP (Austrian Climate Research Programm) wurden verschiedene Klimawandelanpassungsszenarien für die Stadt Salzburg mit den vier anerkannten Referenzszenarien modelliert. Dafür wurden neben allen klimatischen und topografischen Eingangsgrößen die Anpassungsmaßnahmen in der Tabelle 1 variiert und deren Nutzen quantitativ über die reduzierten Hitzetage bewertet.

Tabelle 1: Potenziell umsetzbare Maßnahmen (Quelle: https://adapt-uhi.org/de/)

In der Tabelle 2 sind für jede Anpassungsmaßnahme die jeweiligen Reduktionsgrößen (für zwei Klimaszenarien) in Prozent und in reduzierten Hitzetagen angegeben.

Beim Einsatz der kombinierten Klimawandelanpassungsmaßnahmen kann die Hitzebelastung in Salzburg auf dem heutigen Niveau gehalten werden.

Tabelle 2: Klimawandelanpassungsszenarien (Quelle: https://adapt-uhi.org/de/)

4 Fazit

Ziel des Vortrages ist es, bei allen Zuhörerinnen und Zuhörern das Verständnis für das Erfordernis eines multidisziplinären Umdenkens zu wecken. Die Problematik sogenannter „städtischer Wärmeinsel“ (englisch „Urban Heat Island – UHI“) muss verstärkt als Antrieb für den städtebaulichen Wandel gesehen werden. Der Ausbau von Park- und Rasenflächen, Dach- und Fassadenbegrünungen (grüne Stadt) aber auch die Schaffung neuer Brunnen, Wasserflächen und Wasserverdunstungsanlagen (blaue Stadt) sowie künstlicher Verschattungseinrichtungen mittels Sonnensegel muss vorangetrieben werden. Wir alle müssen kumulierende Konzepte zur Verbesserung der Rückstrahleigenschaften urbaner Oberflächen (weiße, grüne und blaue Stadt) in die Fläche bringen.

Wirklich jeder einzelne Mensch kann in seinem persönlichen Aktionsradius mindestens kleine Schritte auf dem Gemeinschaftsweg der Klimaanpassung gehen und einige wenige Menschen sind in der Lage wirklich große Schritte für uns vorzudenken. So müssen im Hochbau städteplanerische Konzepte der flächenverbrauchenden Wohnraumnachverdichtung auf den Prüfstand, denn auch das beste Gründach ersetzt keinen einzigen Baum. Auch den Straßenbaulastträgern steht der Erkenntnisgewinn noch bevor, denn breite Straßenräume mit viel Platz für den MIV erfüllen keinen Selbstzweck, wenn Szenarien jahreszeitlich kaum bewohnbarer urbaner Räume drohen. Ja, natürlich leisten Albedooptimierte Straßenoberflächen im Sinne des Konzeptes „weiße Stadt“ einen Teilbeitrag, aber das reicht nicht. In Abhängigkeit vom Klimaszenario für die betreffende Stadt sind weitere Klimaanpassungsmaßnahmen zutreffen. Entscheidend wird die Kombination der Konzepte „weiße Stadt“, „grüne Stadt“ und „blaue Stadt“ sein.

Literaturverzeichnis

Ciesielski, R.; Kreil, M.; Lehner, M.; Schnuck, O. (2021): Klimawandel: In der Hitze der Stadt. In: BR24- Onlineauftritt des Bayerischen Rundfunks, © Bayerischer Rundfunk, https://interaktiv.br.de/urbane-hitzeinseln

Funk, D; Groß, G (2012): Stadtklimatische Bestandsaufnahme und Bewertung für das Landschaftsprogramm Hamburg Klimaanalyse und Klimawandelszenario 2050. In: Transparenzportal Hamburg der Freien und Hansestadt Hamburg, GEO-NET Umweltconsulting GmbH, Hannover,
https://www.hamburg.de/hamburg-ist-gruen/3519286/stadtklima

Gallaun, H.; Neil Bird, D.; Schwaiger, H.; Zuvela-Aloise, M.; Andre, K. (2018): Reduktion städtischer Wärmeinseln durch Verbesserung der Abstrahleigenschaften von Gebäuden und Quartieren. In: Berichte aus Energie- und Umweltforschung 29/2018, Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Wien (AT),
https://nachhaltigwirtschaften.at/resources/sdz_pdf/berichte/schriftenreihe_2018- 29-kelvin.pdf

Hofinger, J.; Sparlinek, F.; Suitner, J. (2020): Klimasensible Stadtentwicklung – Eine Analyse internationaler Projekte und Maßnahmen hitzeangepasster Stadtentwicklung mit Anregungen für Wien. In: Publikationsdatenbank der Technischen Universität Wien, UIV Urban Innovation Vienna, Wien (AT),
https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_302556.pdf