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Poster: Risks of Solar Radiation Modification (SRM)

SRM is supposed to mask global warming by enhancing the earth’s albedo, for example by stratospheric aerosol injection. Thus altering the whole climate system, SRM would impact most areas of life. The risks for geopolitics, mitigation deterrence, ecosystems, justice, food security and water availability are illustrated in this graphic. Veröffentlicht in Poster.

Klimaanalyse 2022

Nachfolgend wird eine gemeinsame Beschreibung für alle Einzelauswertungen der Modellrechnungen präsentiert. Zur schnelleren Orientierung im Text werden Verknüpfungen zu den einzelnen Schwerpunktbereichen angeboten. Es werden meteorologische Parameter, Bewertungsindizes, Kennwerte sowie eine Klimaanalysekarte, als Zusammenfassung der Klimaanalyse angeboten. Dabei sind Wind und Temperatur sowie daraus abgeleitete Parameter wie die Physiologische Äquivalente Temperatur (PET) die dominierenden Einflussfaktoren zur Bewertung des Stadtklimas unter human-biometeorologischen und lufthygienischen Gesichtspunkten. Innerhalb der genannten Themen werden als weitere Differenzierungen in den Karten die unterschiedlichen räumlichen Strukturen (Raster, Block) sowie die verschiedenen Zeitpunkte und Höhenschnitte getrennt voneinander abgebildet. Diese unterschiedlichen Informationen sind je Thema über die Ebenenschaltung im Geoportal Berlin wählbar. Die Analysekarten 04.10.1 bis 04.10.5 sowie 04.10.8 und 04.10.9 liegen sowohl rasterbasiert als auch in blockbezogener Form vor. Dabei wird der statistische, nicht gewichtete Mittelwert aller Block(teil)flächen bzw. die Straßenflächen schneidenden Rasterzellen dargestellt. Die Klimaanalysekarte (Karte 04.10.7) liegt hingegen nur blockbezogen vor, da diese nicht direkt modelliert, sondern aus den rasterbasierten Ergebnissen der Klimamodellierung abgeleitet wurde. Eine entscheidende Funktion der modellgestützten Klimaanalyse ist die Erfassung des Prozessgeschehens der bodennahen Luftaustauschströmungen und der Versuch, eine Verbindung zwischen diesen Vorgängen und einer Gliederung des Untersuchungsraumes in klimatisch-(lufthygienische) Gunst- und Ungunsträume herzustellen. Diese beiden Begriffe beschreiben aus klimatischer Sicht die Gliederung des Raumes in Ausgleichsräume, Wirkungsräume und verbindende Strukturen (Leitbahnen) und sein Verständnis als Ausgleichsraum-Wirkungsraum-Gefüge. “Ein Ausgleichsraum ist dabei ein vegetationsgeprägter, unbebauter Raum, der durch Bildung kühlerer und frischerer Luft über funktionsfähige Austauschbeziehungen lufthygienische oder bioklimatische Belastungen in Wirkungsräumen vermindern oder abbauen kann. Ein Wirkungsraum ist ein belasteter, bebauter oder zur Bebauung vorgesehener Raum, der über Luftaustauschprozesse an einen angrenzenden oder über eine Luftleitbahn erschlossenen Ausgleichsraum angebunden ist.” (vgl. Mosimann et al. 1999). Diese Verfahrensweise löst sich damit grundlegend von der früher verbreiteten statischen Betrachtung auf der Basis von Stadtklimatopen, die den Untersuchungsraum in räumliche Einheiten untergliedert, in denen die mikroklimatisch wichtigsten Faktoren relativ homogen und die Auswirkungen wenig unterschiedlich sind (vgl. VDI 2015). Die hier gewählte Herangehensweise des Modelleinsatzes mit gekoppelter Auswertung statistischer Grunddaten langjährig betriebener Klimastationen ( SenStadt 2025b ) beinhaltet folgende wichtige Vorteile: Die Vergleichbarkeit der Ergebnisse im Gesamtraum wird gewährleistet. Neben den qualitativen Aussagen zur Ausprägung einzelner stadtklimatischer Phänomene werden auch quantitative Aussagen zu klimaökologischen Zuständen und zur Austauschprozessen möglich. Klimaökologische Ausgleichs- und Prozessräume werden im Stadtgebiet verortet und in ihrer (möglichst exakten) räumlichen Ausprägung dargestellt. Ein wichtiger Aspekt des klimaökologischen Ausgleichspotenziales von Freiflächen – der Kaltlufthaushalt – kann nur auf diese Weise flächendeckend untersucht werden. Auch mit dieser Anwendung des Klimamodells konnte der schon vielfach bestätigte Zusammenhang zwischen dem Klima verschiedener Stadtgebiete und ihrer Bau-, Freiflächen- und Vegetationsstruktur bestätigt werden. Das typische Lokalklima entsteht aber nicht nur durch die Struktur eines Stadtgebietes, sondern auch durch seine Lage innerhalb der Stadt. So können verschiedene Räume einer Stadt untereinander oder mit dem Umland in Wechselwirkung stehen. Von entscheidender Bedeutung für den klimatischen Austausch sind dabei die Temperaturunterschiede benachbarter Gebiete. Eine Reduzierung dieser Unterschiede, z.B. durch Erhöhung der Baudichte oder Angleichung der Strukturen verschlechtert das Stadtklima. Karte 04.10.1 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstromdichte (22:00 Uhr und 04:00 Uhr) Das bodennahe Windfeld und die Kaltluftvolumenstromdichte unterstützen die gute Durchlüftung von Siedlungsgebieten und kann zum Abbau von humanbiometeorologischen Belastungen führen (vgl. Moriske und Turowski 2002). Die humanbiometeorologischen Belastungen werden am Tag anhand des Bewertungsindex PET (Karte 04.10.5) sowie in der Nacht anhand der Lufttemperatur bewertet (vgl. Karte 04.11, Planungshinweise Stadtklima 2022 ). So kann in den Nachtstunden durch das Heranführen kühlerer Luft aus dem Umland das Temperaturniveau der Stadt gesenkt werden, was zu einem Abbau der Wärmebelastung des Menschen in den Sommermonaten führt. Ist diese herangeführte kühlere Luft mit Luftschadstoffen unbelastet (Frischluft), so führt die Durchlüftung gleichzeitig auch zu einer Verbesserung der lufthygienischen Situation. Die Raster-Kartenebenen stellen das sich zu den nächtlichen Analysezeitpunkten 22:00 Uhr und 04:00 Uhr in 10 m x 10 m Auflösung ausgeprägte Kaltluftströmungsfeld bodennah in 2 m dar. Das Windfeld in Form der Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit wird über die Pfeilrichtung und Pfeillänge in Form von Vektoren für alle Zellen des Modellrasters mit einer klimatisch relevanten Mindestgeschwindigkeit von ≥ 0,1 m/s abgebildet. Ergänzt werden diese rasterbezogenen Daten durch die Darstellung der Kaltluftvolumenstromdichte als Flächenwert in m³/s. Zur Beurteilung der Durchlüftungssituation ist folglich die geeignete Zuordnung von Belastungsräumen und Ausgleichsräumen , die die entsprechende unbelastete Luft zur Verfügung stellen, sowie ein Zirkulationssystem, welches den Luftmassentransport bewerkstelligen kann, notwendig. Bei den Belastungsräumen handelt es sich um Siedlungs- und Verkehrsflächen, welche am Tag und/oder in der Nacht eine Wärmebelastung aufweisen. Oft sind dies dicht bebaute Siedlungstypologien, welche gleichzeitig auch einen Mangel an Durchlüftung aufweisen. Für die Nachtsituation handelt es sich um die absolute Ausprägung der Lufttemperatur als relevante meteorologische Größe, während für die Tagsituation die Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) herangezogen wird. Klimaökologische Ausgleichswirkungen gehen potenziell von allen unbebauten und unversiegelten Arealen aus, inner- wie außerhalb des Stadtgebietes. Inwieweit dieses Potenzial auch zur Entfaltung kommen kann, hängt von jeweiligen Rahmenbedingungen ab, die von der Flächengröße, der Vegetationsstruktur, der Lage im Stadtgebiet sowie dem baulich geprägten Umfeld abhängen. Die im Verhältnis zu anderen Metropolen noch große Anzahl innerstädtischer Freiflächen ist für eine topografisch weitgehend ungegliederte Stadt wie Berlin von großem Wert, da hier die stadtklimatischen Ausgleichsleitungen für den Kernbereich der Stadt vorrangig durch die thermisch bedingten Zirkulationen erfolgt, die wiederum eine möglichst große Nähe von Grün- und bebauten Flächen zueinander erfordert (vgl. Karte 04.11, Planungshinweise Stadtklima 2022 ). Bei der Darstellung des bodennahen Temperaturfeldes handelt es sich um das Rastermittel der Temperatur in der bodennahen Schicht der Atmosphäre (0 – 5 m über Grund). Sind innerhalb einer Rasterzelle mehrere Landnutzungen mit unterschiedlichem Flächenanteil vorhanden, so berechnet sich die gezeigte Temperatur aus der anteilsmäßigen Wichtung. Insofern sind die simulierten Temperaturwerte nur für größere Gebiete mit einheitlicher bzw. entsprechender Landnutzung mit bodengebundenen Messwerten vergleichbar. Ausschlaggebend für die Temperaturverteilung sind die landnutzungsabhängigen Boden- und Oberflächeneigenschaften sowie deren Wechselwirkungen mit den atmosphärischen Prozessen in der bodennahen Grenzschicht. Innerhalb des Erdbodens sind dabei Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Bedeutung. Je größer beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ist, umso schneller und tiefer kann Wärme in das entsprechende Material eindringen, aber auch wieder von diesem abgegeben werden. Die Oberflächenbeschaffenheit natürlicher und künstlicher Flächen bestimmt über die Albedo (Reflexionsvermögen) und die Emissivität, die Menge an Energie, die im kurzwelligen und im langwelligen Bereich der Strahlung für eine Erwärmung / Abkühlung zur Verfügung steht. Schließlich spielt der Turbulenzzustand der bodennahen Atmosphäre eine große Rolle bei dem Transport von fühlbarer und latenter Energie vom Erdboden weg oder zu diesem hin. Alle genannten Prozesse sind über die Energiebilanz des Erdbodens miteinander verknüpft und bestimmen die Temperatur der Oberflächen und der darüber liegenden Luftschichten. Die Lufttemperatur ist somit die entscheidende Größe für die Ermittlung der nächtlichen Überwärmung sowie der Ausbildung von Luftaustauschprozessen. Die bodennahe Temperaturverteilung bedingt horizontale Luftdruckunterschiede, die wiederum Auslöser für lokale thermische Windsysteme sind. Ausgangspunkt dieses Prozesses sind die nächtlichen Temperaturunterschiede, die sich zwischen Siedlungsflächen und vegetationsgeprägten Freiflächen einstellen. An den geneigten Flächen setzt sich abgekühlte und damit schwerere Luft in Richtung zur tiefsten Stelle des Geländes in Bewegung. So entstehen an den Hängen die nächtlichen Kaltluftabflüsse (u.a. Mosimann et al. 1999). Die Windgeschwindigkeit dieses kleinräumigen Phänomens wird in erster Linie durch das Temperaturdefizit zur umgebenden Luft und durch die Neigung des Geländes bestimmt. Neben den orographisch bedingten Strömungen mit Kaltluftabflüssen bilden sich auch so genannte Flur-/ Strukturwinde, d.h. eine direkte Ausgleichsströmung vom hohen zum tiefen Luftdruck aus. Sie entstehen, wenn sich stark überbaute oder versiegelte Gebiete stärker erwärmen als umliegende Freiflächen, und dadurch ein thermisches Tief über den urbanen Gebieten entsteht. Der resultierende Druckgradient kann daraufhin durch einströmende kühlere Luftmassen aus dem Umland ausgeglichen werden (u.a. Kiese et al. 1992). Für die Ausprägung dieser Strömungen ist es wichtig, dass die Luft über eine gewisse Strecke beschleunigt werden kann und nicht durch vorhandene Hindernisse wie Bebauung abgebremst wird. Die Flur-/ Strukturwinde sind eng begrenzte, oftmals nur schwach ausgeprägte Strömungsphänomene, die bereits durch einen schwachen überlagernden Wind überdeckt werden können. Ihre Geschwindigkeit liegt meist unterhalb von 0,2 m/s (Mosimann et al. 1999). Die landnutzungstypischen Temperaturunterschiede beginnen sich schon kurz nach Sonnenuntergang herauszubilden und können die ganze Nacht über andauern. Dabei erweisen sich insbesondere Wiesen- und Ackerflächen als kaltluftproduktiv. Abhängig von den Oberflächeneigenschaften und Abkühlungsraten geht damit die rasche Entwicklung von Kaltluftströmungen einher, die zunächst vertikal nur von geringer Mächtigkeit (5-10 m Schichthöhe) sind und sich zwischen der Vielzahl der unterschiedlich temperierten Flächen ausbilden. Unter dem Begriff Kaltluftvolumenstromdichte (im Folgenden vereinfacht als Kaltluftvolumenstrom bezeichnet) versteht man das Produkt aus der Fließgeschwindigkeit der Kaltluft, ihrer vertikalen (Schichthöhe) und horizontalen Ausdehnung des durchflossenen Querschnitts (Durchflussbreite). Er beschreibt somit diejenige Menge an Kaltluft in der Einheit m³, die in jeder Sekunde über eine Breite von 1 m strömt (vgl. Abbildung 4). Der Kaltluftvolumenstrom ist damit ein Maß für den Zustrom von Kaltluft und bestimmt die Größenordnung des Durchlüftungspotenzials. Da er ein über die Höhe integrierter Parameter ist, erfolgt keine Darstellung für das Dachniveau. Abgebildet sind alle Zellen des 10m x 10m Rasters mit einem Wert von >7 m³/s, für die eine potenzielle klimaökologische Wirksamkeit bestimmt wird. Die qualitative Bewertung dieser meteorologischen Größe zeigt Tab. 2. Die Einstufung der rasterbasierten Kaltluftvolumenstromdichte orientiert sich an dem in der VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1 (VDI 2008) beschriebenen Verfahren zur Z-Transformation. Dieses Vorgehen legt das lokale/regionale Werteniveau in einem Untersuchungsraum zugrunde und bewertet die Abweichung eines Parameters von den mittleren Verhältnissen in diesem Gebiet. Als Resultat ergeben sich mittels dieser Methode vier Bewertungskategorien der Stufung gering / mittel / hoch / sehr hoch. Während in der vorangegangenen Analyse 2014 das gesamte Kaltluftvolumen bis zu einer Strömungsgeschwindigkeit von >0,05 m/s zugrunde gelegt wurde, wird nun das bis in eine Höhe von 50 m integrierte Volumen herangezogen. Der Vorteil dieses methodischen Vorgehens besteht darin, dass dies eine Fokussierung auf das tatsächlich für die Durchlüftung des Siedlungskörpers relevante Kaltluftvolumen darstellt. Die Eindringtiefe der Kaltluft in die Siedlungsräume und damit auch das Maß der bioklimatischen Gunstwirkung während sommerlicher Hochdruckwetterlagen hängt von der Bebauungsstruktur und der Intensität der Kaltluftdynamik ab. Entsprechend der zunehmenden Bebauungshöhe und -dichte wird etwa Einzel- und Reihenhausbebauung besser durchströmt als eine Block- und Blockrandbebauung. Zum Analysezeitpunkt 22:00 Uhr kurz nach Sonnenuntergang setzt die abendliche Abkühlungsphase ein, die in ihrer Intensität von den jeweiligen Strukturen abhängt und damit auch das sich ausbildende Kaltluftströmungsfeld beeinflusst. Im Umfeld innerstädtischer Grün- und Freiflächen handelt es sich dabei meist um eher kleinräumig ausgeprägte Luftaustauschprozesse, bei denen der Kaltluftvolumenstrom kaum über 3 m³/s („gering”) hinausgeht. Die Kaltluft wirkt, abhängig von der Größe einer Kaltluft produzierenden Fläche und der umgebenden Bebauung, zwischen 50 m und 300 m in die Bebauung ein. Dies macht deutlich, dass vor allem eine ausreichende Zahl und günstige Lage dieser Entlastungsflächen für die Reduzierung innerstädtischer Belastungen von Bedeutung ist . Hohe bzw. sehr hohe Volumenströme sind zu diesem Zeitschnitt zumeist in den Randbezirken zu beobachten und stehen teilweise im Zusammenhang mit lokalen Kaltluftabflüssen. Dieses Niveau kann lokal aber auch über den größeren innerstädtischen Grünflächen wie dem Tiergarten oder dem Tempelhofer Feld angetroffen werden. Zum Zeitpunkt 04:00 Uhr ist die Abkühlung der Grün- und Freiflächen und damit auch die Kaltluftproduktion deutlich fortgeschritten. Die Spanne der Eindringtiefe variiert spürbar und beträgt, abhängig von den baustrukturellen Bedingungen, zwischen 100 m und mehr als 1000 m. In Bereichen durchgrünter Siedlungstypen kommt zusätzlich noch deren ‚eigenbürtige‘ Erzeugung von Kaltluft hinzu, die sich dann günstigen bioklimatischen Bedingungen dort niederschlägt (SenStadt 2025a). Teile der innerstädtischen Block- und Blockrandbebauung sowie der bezirklichen Zentren werden hingegen auch in der zweiten Nachthälfte nicht nennenswert von Kaltluft durchströmt, da ihre hohe Bebauungsdichte und das damit höhere Temperaturniveau etwaige Kaltluftströmungen abschwächen, soweit sie sich überhaupt im potenziellen Einwirkbereich von Ausgleichsflächen befinden. Die Temperaturverhältnisse der bodennahen Atmosphäre werden ebenfalls auf Raster- und Block(teil)- und Straßenflächen sowie zu unterschiedlichen Tageszeiten als Ebenen der Hauptkarte abgebildet. Die Lufttemperatur ist insbesondere zur Bewertung der Nachtsituation von Relevanz. Ausschlaggebend für die Temperaturverteilung sind die landnutzungsabhängigen Boden- und Oberflächeneigenschaften sowie deren Wechselwirkungen mit den atmosphärischen Prozessen in der bodennahen Grenzschicht. Innerhalb des Erdbodens sind dabei Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Bedeutung. Je größer etwa die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ist, umso schneller und tiefer kann Wärme in das entsprechende Material eindringen, aber auch wieder von diesem abgegeben werden. Die Oberflächenbeschaffenheit natürlicher und künstlicher Flächen bestimmt über die Albedo (Reflexionsvermögen) und die Emissivität, die Menge an Energie, die im kurzwelligen und im langwelligen Bereich der Strahlung für eine Erwärmung / Abkühlung zur Verfügung steht. Schließlich spielt der Turbulenzzustand der bodennahen Atmosphäre eine große Rolle für den Transport von fühlbarer und latenter Energie vom Erdboden weg oder zu diesem hin (vgl. Karte 04.10.2). Alle genannten Prozesse sind über die Energiebilanz des Erdbodens miteinander verknüpft und bestimmen die Temperatur der Oberflächen und der darüber liegenden Luftschichten. Generell sind zwar die nächtlichen Temperaturverteilungen aussagekräftiger zur Bewertung der klimatischen Potenziale an Ent- und Belastung von Flächen, jedoch zeigen sich auch in den Mittagsstunden ( 14:00 Uhr ) entsprechend der Flächenverteilung charakteristische Unterschiede. Sowohl versiegelte Areale als auch rasengeprägte Freiflächen werden tagsüber stark aufgeheizt, was auf die intensive Sonneneinstrahlung, den Mangel an Verschattung sowie die starke Erwärmung der bodennahen Luftschicht zurückzuführen ist. Die auftretenden Temperaturen können hier zwischen 30°C und 35°C betragen, welche im Rahmen der modellierten sommerlichen Situation die höchsten Werte darstellen. Sowohl Waldflächen als auch größere innerstädtische Grünanlagen wie der Große Tiergarten weisen um diese Zeit in ihren baumbestandenen Teilen etwa 5 bis 10 K niedrigere Temperaturen auf. Baulich geprägte Gebiete liegen in ihrem Temperaturniveau zwar insgesamt höher, jedoch ist hier in der Rasterdarstellung eine die jeweilige kleinräumige Situation widerspiegelnde Differenzierung des Temperaturverhaltens festzustellen. Die blockbezogene Aggregation glättet die Unterschiede durch die nicht gewichtete Mittelwertbildung. Über Wasserflächen sind aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität die niedrigsten Werte anzutreffen, sie verhalten sich sehr homogen und wirken tagsüber klimatisch ausgleichend. In Abhängigkeit von den individuellen Oberflächeneigenschaften der verschiedenen Landnutzungen kühlt sich die Erdoberfläche im Laufe der Nacht unterschiedlich stark ab, die Temperaturverteilung um 04:00 Uhr morgens spiegelt in etwa den Zeitpunkt der stärksten Abkühlung wider. Während bei Wasserflächen diese Abkühlung aufgrund des guten Wärmespeichervermögens nur sehr gering ausfällt, zeigen Freiflächen wie Äcker und Wiesen einen starken Temperaturrückgang. Dies liegt in der ungehinderten, langwelligen Ausstrahlung dieser Flächen begründet, wobei der Bodenwärmestrom durch Trockenheit zusätzlich reduziert werden kann. Bei Waldflächen schützt das Kronendach die darunter liegende bodennahe Atmosphäre vor einer starken Abkühlung; daher heben sich Wälder in der Temperaturverteilung als relativ warme Gebiete hervor. In den mehr oder weniger bebauten Bereichen wird die Abkühlung durch die vorhandenen wärmespeichernden Materialien wie Beton und Stein deutlich reduziert. Zum einen trägt die tagsüber gespeicherte Wärmemenge dazu bei, dass die Temperatur nicht so stark zurückgeht. Zum anderen werden durch die niedrigen Windgeschwindigkeiten turbulenter und latenter Wärmestrom reduziert, die den Abtransport wärmerer Luft bewerkstelligen könnten. Die städtisch geprägten Gebiete bleiben somit insgesamt wärmer. Die Temperaturunterschiede zum unbebauten Stadtrand bzw. dem Umland können in den frühen Morgenstunden mehr als 8 K betragen. Diese großen horizontalen Unterschiede werden in der Nachbarschaft von innerstädtischen Freiflächen nicht ganz erreicht, z.T. findet auch ein negativer Einfluss aus den bebauten Bereichen in die Grünflächen statt. Die Oberflächentemperatur spielt eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit den Energieflüssen. Das Modell FITNAH-3D berechnet für jede Landnutzungsklasse in Abhängigkeit von ihren physikalischen Eigenschaften (z.B. Rückstrahlvermögen des Sonnenlichts, Wärmeleitfähigkeit) und den lokalen meteorologischen Gegebenheit (z.B. Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Sonnenstand) die einzelnen Wärmeströme. Im bodennahen Aufenthaltsbereich des Menschen beeinflusst die Oberflächentemperatur die Temperatur der darüber lagernden Luftmasse. Dies ist vor allem in den Nachtstunden relevant, da die Kaltluftentstehung im Wesentlichen über die Abkühlung der Bodenoberfläche erfolgt. Abbildung 5 zeigt die unterschiedlichen Tagesgänge von Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und Strahlungstemperatur. Die berechneten Größen in °C dürfen jedoch aufgrund dieser komplexen Werte-Zusammensetzung nicht direkt mit den Lufttemperaturwerten des betrachteten Rasters bzw. Blockes gleichgesetzt werden. Die Oberflächentemperatur um 14:00 Uhr zeigt, dass die Ausprägung dieses Parameters vor allem über die solare Einstrahlung gesteuert wird. Dabei weisen sowohl Äcker und Wiesen als auch versiegelte Flächen mit mehr als 35 °C die höchsten Werte auf. In Waldflächen liegt aufgrund der Verdunstungswirkung des Kronendaches eine niedrigere Oberflächentemperatur um 26 °C vor. In den Siedlungsflächen wird, bedingt durch das Nebeneinander von Gebäuden, versiegelter Fläche und Bäumen, ein kleinräumiges Mosaik von hohen und niedrigen Temperaturen berechnet. Die Oberflächentemperatur der Gewässerflächen liegt lediglich zwischen 22 °C und 23 °C und somit in der Größenordnung in der in das Modell eingegangenen gemessenen Wassertemperaturen. Dies ist auf die hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers und die im Wasserkörper stattfindenden turbulenten Durchmischungsvorgänge zurückzuführen. Zum Zeitpunkt 04:00 Uhr wird die Oberflächentemperatur vor allem über die (langwellige) Wärmeausstrahlung der verschiedenen Oberflächenstrukturen gesteuert. Dabei sind die höchsten Werte von etwa 20 °C bis 24 °C innerhalb der dicht bebauten Siedlungsgebiete festzustellen, was auf das hohe Bauvolumen und deren Wärmeabgabe in den Nachtstunden zurückzuführen ist. Die Oberflächentemperatur der Wasserflächen liegt in einer ähnlichen Größenordnung, da sie die tagsüber gespeicherte Wärme nun z.T. wieder abgeben. Über den größeren Wiesen und Ackerflächen liegen mit ca. 14 °C bis 15 °C die niedrigsten Werte vor, da deren Oberflächen die höchste nächtliche Abkühlung aufweisen. Die Oberflächentemperatur der Waldbestände ist in den Nachtstunden mit ca. 20 °C zwar höher als über Freiland, aber tendenziell immer noch niedriger als in den Siedlungsflächen. Die mögliche Gesamtdifferenz zwischen den höchsten (dichte Blockbebauung) und niedrigsten Werten (offenes Freiland) liegt bei der Oberflächentemperatur in den Nachtstunden bei rund 12 K. Karte 04.10.4 zeigt die nächtliche Abkühlung von Oberflächen der einzelnen Strukturen zwischen den Zeitpunkten 22:00 und 04:00 Uhr pro Rasterzelle bzw. als Mittelwert der Block(teil)- bzw. Straßenflächen in Kelvin (K) pro Stunde. Mit dieser Auswertung zeichnen sich die Stadtstrukturen mit tendenzieller Überwärmung einerseits sowie die thermisch entlastenden Bereiche mit intensiver Abkühlung andererseits ab. Aus der dargestellten Flächenkulisse ergibt sich ein umfassendes Bild über die grundsätzlichen thermischen Bedingungen im Stadtgebiet. Die nächtliche Abkühlung fließt indirekt über die Ermittlung des Temperaturniveaus in den Siedlungsflächen in deren bioklimatische Bewertung ein. Das Ausmaß der Abkühlung kann dabei – je nach den landnutzungsabhängigen physikalischen Boden- und Oberflächeneigenschaften – große Unterschiede aufweisen. Die Stadtstrukturen zeichnen sich dahingehend in charakteristischer Weise ab. Die niedrigste Abkühlung liegt aufgrund deren hohen Wärmeleitfähigkeit und -kapazität über Gewässerflächen sowie den Siedlungsflächen mit hoher baulicher Dichte vor (Wärmeinseleffekt). Eine mäßige nächtliche Abkühlung ist in einem Großteil der übrigen Bebauung anzutreffen. Waldflächen und stark durchgrünte Siedlungstypen weisen dagegen deutlich höhere Abkühlungsraten auf. Diese ist über Äcker und Wiesen am stärksten ausgeprägt. Meteorologische Parameter wirken nicht unabhängig voneinander auf den Menschen ein. Um die vernetzte Wirkung meteorologischer Parameter auf den Menschen zu bewerten, werden Bewertungsindizes genutzt. Sie haben eine besondere Bedeutung für die Bewertung des thermischen Wirkungskomplexes des Menschen, den Wärmeaustausch mit seiner Umgebung in den Mittelpunkt. Hier spielen alle Klimaparameter, die den Wärmehaushalt des Menschen direkt beeinflussen eine Rolle: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und thermophysiologisch wirksame Strahlung. Zur Beurteilung des thermischen Wirkungskomplexes werden die zwei folgenden Bewertungsindexe angeboten: Universal Thermal Climate Index (UTCI) und Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET). Beide weisen Unterschiede in ihren Bewertungen auf. Für die Bewertung des Bioklimas am Tag um 14:00 Uhr wird im Land Berlin der PET genutzt. Denn der PET hat sich in der Fachwelt zum Standard“ zur Bewertung der Tagsituation entwickelt (Höppe und Mayer 1987). Der PET wurde aus dem Münchener Energiebilanzmodell MEMI abgeleitet (Höppe 1984). In Tabelle 4 werden – bezogen auf die Tagesstunden – das thermische Empfinden (abgeleitet aus dem Verhalten einer „Standardperson“, die eine mittlere thermische Empfindlichkeit repräsentiert) und die physiologische Belastungsstufe dem Index PET gegenübergestellt. Bei 20°C stellt sich eine optimale Behaglichkeit ein. Bei höheren Werten liegt eine Wärmebelastung vor, während sich bei tieferen Werten Kältestress ergibt. Die PET-Werte um 14:00 Uhr zeigen eine starke Abhängigkeit der auftretenden Wärmebelastung am Tag von der örtlichen Verschattungssituation. Eine mäßige Wärmebelastung an wolkenlosen Sommertagen mit starker Sonneneinstrahlung weisen dementsprechend Waldbestände sowie durch von Bäumen und Gehölzen geprägte Flächen auf. Hier tragen die verminderte direkte Sonneneinstrahlung durch Schattenwurf der Vegetation und die Verdunstung von Wasser zum vergleichsweise geringen Belastungspotential bei. Aufgrund ihrer Aufenthaltsqualität insbesondere in der Nachbarschaft stärker überbauter Quartiere kommt daher den innerstädtischen Grünflächen eine hervorgehoben wichtige Rolle zu. Dem stehen die stark besonnten Areale gegenüber, wo die Wärmebelastung am Tage die höchsten Werte aufweist. Dabei werden über Rasenflächen ähnlich hohe Temperaturen erreicht wie über versiegelten Arealen . Neben dem PET findet auch der UTCI Anwendung in der Praxis. Dieser Bewertungsindex wird zusätzlich angeboten. Der UTCI beruht wie auch die Physiologische Äquivalenttemperatur (PET) auf einem Wärmehaushaltsmodell des Menschen und bezieht dieselben Einflussgrößen wie solare Einstrahlung, Lufttemperatur und Luftfeuchte mit ein. Ähnlich wie bei der PET werden den Absolutwerten physiologischen Belastungsstufen zugeordnet (vgl. Tabelle 5). Während der UTCI vor allem dahingehend entwickelt wurde, um Aussagen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen zu ermöglichen (deshalb „Universell“), fokussiert sich die PET stärker auf die direkten Auswirkungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf das menschliche Wohlbefinden. Analog zur PET wird auch der UTCI stark durch die solare Einstrahlung beeinflusst. Das heißt, dass zum Zeitpunkt 14:00 Uhr der UTCI vor allem über stark besonnten Oberflächen hohe Werte ausweist. Ebenso sind über unverschatteten Rasenflächen ähnlich hohe Werte wie über Versiegelung vorzufinden. In den durchgrünten Siedlungstypologien ist die Ausprägung des UTCI somit auch von der Anwesenheit von Bäumen abhängig. Ein niedriger UTCI und damit auch eine hohe Aufenthaltsqualität liegt im Umfeld Schatten spendender Vegetation vor. Die Klimaanalysekarte bildet den Ist-Zustand der Klimasituation ab. Dazu werden das Ausmaß der städtischen Überwärmung, die Ausgleichsleistungen kaltluftproduzierender Flächen sowie räumliche Beziehungen zwischen Ausgleichs- und Wirkungsräumen dargestellt. Einbezogen werden auch die Auswirkungen von Freiflächen des Umlandes auf das Stadtgebiet. Ziel der Karte ist es, die Bereiche der Stadt nach ihrer klimatischen Funktion zu differenzieren sowie ihre Wirkung auf andere Bereiche der Stadt abzugrenzen. Ausgangspunkt ist die Gliederung des Untersuchungsraumes in bioklimatisch und/oder lufthygienisch belastete Siedlungsflächen ( Wirkungsraum ) einerseits und kaltluftproduzierende, unbebaute und vegetationsgeprägte Flächen andererseits ( Ausgleichsräume ). Sofern diese Räume nicht unmittelbar aneinandergrenzen und die Luftaustauschprozesse stark genug ausgeprägt sind, können linear ausgerichtete, maximal gering überbaute Freiflächen ( Luftleitbahnen ) beide miteinander verbinden. Aus der gegenseitigen Abgrenzung von Gunst- und Ungunsträumen sowie den verbindenden Strukturen ergibt sich somit ein komplexes Bild vom Prozesssystem der Luftaustauschströmungen des Ausgleichsraum-Wirkungsraum-Gefüges . Die Darstellung des Wärmeinseleffekts in den Siedlungs- und Verkehrsflächen veranschaulicht die thermische Situation im Stadtgebiet während der Nachtstunden. Grundlage dafür ist die Abweichung der jeweiligen mittleren nächtlichen Lufttemperatur pro Fläche vom Mittelwert über alle Flächen, welcher um 04:00 Uhr 17,5°C beträgt. Im Jahrgang 2014 wird der Wärmeinseleffekt über das statistische Verfahren der z-Transformation in vier Bewertungskategorien repräsentiert („nicht vorhanden“, „schwach“…), welche direkt in die Planungshinweiskarte übernommen wurden. Da die Klimaanalysekarte die stadtklimatischen Prozesse in der Nacht zusammenfasst und sich somit auf der Sachebene befindet, soll hier noch keine Bewertung erfolgen. Daher wird in der Aktualisierung 2022 die Überwärmung als absolute Abweichung vom Mittelwert der Siedlungs- und Verkehrsflächen (17,5 °C) abgeleitet. Eine Bewertung erfolgt in einem weiteren Schritt erst auf Ebene der Planungshinweiskarte Stadtklima . Als kaltluftproduzierende Bereiche gelten vegetationsgeprägte Freiflächen wie Wälder, Parkanlagen und Kleingartenflächen, welche entsprechend ihrer Nutzung als ‚Grünflächen’ dargestellt sind. Für die Charakterisierung ihrer klimatischen Ausgleichsleistung wird in der Klimaanalysekarte die Kaltluftvolumenstromdichte (im Folgenden vereinfacht als Kaltluftvolumenstrom bezeichnet) herangezogen. Die Kaltluftvolumenstromdichte beschreibt diejenige Menge an Kaltluft in der Einheit m³, die in jeder Sekunde über einen Querschnitt von 1 m Breite strömt. Diesen Wert kann man sich veranschaulichen, indem man sich ein 1 m breites, quer zur Luftströmung hängendes Netz vorstellt, das ausgehend von einer Höhe von 50 m bis hinab auf die Erdoberfläche reicht. Bestimmt man nun die Menge der pro Sekunde durch das Netz strömenden Luft, erhält man die rasterbasierte Volumenstromdichte (Karte 04.10.1). Es wird die Kaltluft bis zu einer Höhe von 50 m über Grund betrachtet, da dies als der für die Durchlüftung der Siedlungsfläche relevante Höhenbereich angesehen werden kann. Die Grünflächenanteile, welche einen klimaökologisch wirksamen Kaltluftvolumenstrom von mehr als 7 m³/s aufweisen, sind mit einer Schraffur hervorgehoben. Damit wird deutlich, welche Flächenanteile einer Grünfläche als klimatisch besonders relevant anzusehen sind. Die Reichweiten der Entlastungswirkung werden in der Klimaanalysekarte als Einwirkbereiche der Kaltluftentstehungsgebiete bezeichnet. Diese sind als Fortsetzung des von den Grün- und Freiflächen ausgehenden Kaltluftvolumenstroms in die Siedlungs- und Verkehrsflächen anzusehen, die eine gute Durchlüftung begünstigen sowie den Wärmeinseleffekt minimieren. Die Kaltluft kann ihren Ursprung sowohl in benachbarten Grünflächen als auch in Strukturwinden haben, d.h. Luftwechsel innerhalb der Siedlungsfläche auch ohne Kaltluftquelle in der Nähe. Zudem wird auch die positive Wohnbebauung mit klimarelevanter Funktion dargestellt. Sie weist einen Gesamtversiegelungsgrad von durchschnittlich weniger als 30 % auf. Aufgrund ihrer klimatisch günstigen Eigenschaften weisen diese Gebiete eine mehr oder weniger starke eigene Kaltluftentstehung auf und begünstigen das Einwirken nächtlicher Kaltluft in Richtung auf weiter entfernte Siedlungsareale. Der bodennahe Luftaustausch wird durch linien- und flächenhafte Verbindungen unterschiedlicher Ausprägung unterstützt und werden in diesem Zusammenhang als Kaltluftleitbahnen bezeichnet. Leitbahnen verbinden Kaltluftentstehungsgebiete (Ausgleichsräume) und Belastungsbereiche (Wirkungsräume) miteinander und sind somit elementarer Bestandteil des Luftaustausches. Unter Berücksichtigung des Prozessgeschehens, wurden in der Karte vier unterschiedliche Luftaustauschtypen herausgearbeitet: Kaltluftleitbahn , vorwiegend thermisch induziert, Kaltluftleitbahn, vorwiegend orographisch induziert (z.B. kleinere Flussniederungen), flächenhafter Kaltluftabfluss auf Hangbereichen (bei Hangneigungen >1°) und großräumige Luftleit- und Ventilationsbahnen (Niederungen größerer Fließgewässer). Die Ausweisung der Kaltluftleitbahnen orientiert sich am eigenbürtigen („autochthonen“) Strömungsfeld der FITNAH-3D-Simulation. Bei den ausgewiesenen Leitbahnen handelt es sich, mit Ausnahme der Flussniederungen, um vegetationsgeprägte Flächen mit einer linearen Ausrichtung auf Wirkungsräume. Um die Areale mit Hangneigungen >1° zu kennzeichnen, auf denen ein flächenhafter Kaltluftabfluss stattfindet, wurde mit dem in FITNAH 3D eingesetzten Geländehöhenmodell eine Reliefanalyse durchgeführt. Zur Darstellung der verkehrsbedingten Luftbelastung wurden die Daten der Umweltatlaskarte 03.11.2 „Verkehrsbedingte Luftbelastung im Straßenraum 2020 und 2025“ nachrichtlich übernommen (SenStadt 2018). In der Karte sind mit dem Feinstaub (PM10) und dem Stickstoffdioxid (NO2) die beiden zentralen verkehrsbedingten Luftschadstoffe zu einem Immissionsindex verknüpft worden. Die Signatur Windfeldveränderungen kennzeichnet Siedlungsflächen mit Potenzial zu erhöhter Böigkeit und plötzlicher Windrichtungsänderung. Dabei handelt es sich um die Flächentypen Kerngebiete und Großsiedlungen, von deren Bebauung entsprechende Effekte auf das Windfeld ausgehen können. Darüber hinaus werden in der Klimaanalysekarte auch Lärmschutzeinrichtungen dargestellt, welche nachrichtlich aus der Lärmkartierung übernommen wurden (SenStadt 2022). Deren Relevanz für die klimatischen Funktionen ergibt sich aus der Tatsache, dass es sich um Strukturen handelt, welche z.T. mehrere Meter Höhe aufweisen können. Daraus ergibt sich ein potenzieller Einfluss auf nächtliche Kaltluftströmungen. Die Kenntnis über deren Lage stellt eine wichtige Zusatzinformation bei der Beurteilung der Luftaustauschprozesse dar, da Lärmschutzwände nicht explizit im Modell berücksichtigt werden konnten. Ansatz, Datengrundlagen und Methode des zur Aktualisierung der Klimadaten eingesetzten Verfahrens stellen auf eine größtmögliche, gleichzeitig flächendeckende Detailliertheit der resultierenden Aussagen ab. Aufgrund der dynamischen Entwicklung in der Stadt ändern sich jedoch die Ausgangsvoraussetzungen für die Bewertung auf einzelnen Flächen schneller als der mögliche Fortschreibungszyklus der Karten im Umweltatlas. Es wird daher empfohlen, die Überlagerungsfunktion mit den jeweils aktuellen Luftbildern im Geoportal für eine Flächenkontrolle sowie zum Vergleich mit den Sachdaten der Analysekarten zu nutzen. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Verwendbarkeit der Ergebnisse ziehen. Die Differenzierung der Raumeinheiten „Siedlungsfläche“ und „Grün- und Freiflächenbestand “ folgt einer Systematik, die sich aus den Flächentypen des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) (SenStadt 2020) ableitet. Vertiefende Informationen zur Ableitung dieser Raumeinheiten finden sich im Begleittext zur Planungshinweiskarte Stadtklima ( SenStadt 2025a ). Abbildung 6 stellt die räumliche Verteilung über das Stadtgebiet dar. Vegetationsbestandene Freiflächen mit nennenswerter Kaltluftproduktion stellen klima- und immissionsökologische Ausgleichsräume dar. Eine hohe langwellige nächtliche Ausstrahlung während austauscharmer Hochdruckwetterlagen führt zu einer starken Abkühlung der bodennahen Luftschicht. Die Menge der produzierten Kaltluft hängt ab vom vorherrschenden Vegetationstyp, den Bodeneigenschaften und der damit verbundenen nächtlichen Abkühlungsrate. Die Gesamtfläche der potenziell kaltluftproduzierenden Grünflächen innerhalb des Stadtgebietes beziffert sich auf ca. 347 km², was einem Flächenanteil von rund 39 % des gesamten Stadtgebietes entspricht und als hoch angesehen werden kann. Die Ausprägung der Kaltluftlieferung innerhalb von Grünarealen ist dabei zumeist räumlich differenziert. Oft weisen bei innerstädtischen Grünflächen die zentralen Bereiche einen eher niedrigen Kaltluftvolumenstrom auf im Vergleich zu den an die Bebauung angrenzenden Teilflächen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, angetrieben durch den Temperaturunterschied zwischen Freifläche und Bebauung, die Kaltluft erst beschleunigt werden muss und dann die Werte in Richtung auf die Bebauung zunehmen. Im Übergangsbereich von Grünfläche und Bebauung sind der Temperaturgradient und damit auch die Intensität des Luftaustausches am höchsten. Areale mit einem Volumenstrom >7m³/s werden in der Karte daher als Bereiche hohen und sehr hohen Luftaustausches hervorgehoben (vgl. Tabelle 3). Zum Teil setzen sich diese Bereiche auch als Flächen mit der Inwertsetzung „Kaltlufteinwirkbereich innerhalb von Siedlungs- und Verkehrsflächen“ in die bebauten Gebiete fort. Als Leitbahnen für den Kaltlufttransport fungieren große, linear ausgeprägte Freiflächen mit einer verhältnismäßig geringen Oberflächenrauigkeit. Hinsichtlich dieser Funktion sind auch Teilbereiche des Havel- bzw. Spreetals als bedeutsam zu nennen, wie beispielsweise der Havelabschnitt zwischen Pichelssee und Ruhlebener Straße. Dieser führt auf einer Länge von ca. 3 km Kaltluft nach Norden in den Stadtteil Spandau. Darüber hinaus ist noch ein Abschnitt der Dahme entlang von Grünauer- und Regattastraße zu nennen. Diese Ergebnisse decken sich mit den Befunden eines Gutachtens des Deutschen Wetterdienstes (DWD 1996). Zudem zeichnet sich das Wuhletal als Kaltluftleitbahn ab. Aufgrund der wenig ausgeprägten Orographie sind solch relieforientierte Luftleitbahnen aber eher selten. Ein wesentlicher Beitrag der Niederungsbereiche von Fließgewässern zum Transport von Kaltluft aus dem Berliner Umland in das Stadtgebiet ist nicht zu erkennen, vielmehr treten nur Teile der Flusstäler innerhalb des Stadtgebietes als Leitbahnen in Erscheinung. Wie bereits im Kapitel Methode beschrieben, ist der nächtliche Wärmeinseleffekt über die Abweichung der mittleren nächtlichen Lufttemperatur der Block(teil)- und Straßenflächen in 2 m über Grund vom Durchschnittwert in den Siedlungs- und Verkehrsflächen ermittelt worden. Mit diesem Vorgehen kann eine räumliche Untergliederung der Siedlungs- und Verkehrsflächen dahingehend erfolgen, ob ein über- oder unterdurchschnittlicher Wärmeinseleffekt vorliegt. Im Rahmen der Bestimmung der Bereiche mit bioklimatischer Belastung während der Nacht in der Planungshinweiskarte wurde ebenfalls die Verteilung der Lufttemperatur herangezogen (SenStadt 2022). Vor allem Gebiete mit mittleren Temperaturen von weniger als 17,5 °C und somit einem geringem oder nicht vorhandenem Wärmeinseleffekt stehen mehr oder weniger unter dem positiven Einfluss eines Kaltlufteinwirkbereiches und sind in diesen Fällen zumeist auch durch eine ausreichende Durchlüftung gekennzeichnet, deren Reichweite in die Bebauung zum einen abhängt von der Kaltluftproduktivität (auch in der Bebauung selbst), zum anderen aber auch von der Hinderniswirkung des jeweiligen Bebauungstyps. Vor allem in den dichten bebauten Quartieren können auch im Einflussbereich von kaltluftproduzierenden Flächen stehende Blöcke als Flächen mit mäßigem bis starkem Wärmeinseleffekt in den Nachtstunden bewertet werden. Diese lokalen Phänomene deuten darauf hin, dass in diesen Fällen die Wirkung der herangeführten Kaltluft nicht ausreicht, eine deutliche Minderung der Lufttemperatur herbeizuführen. Dem stehen die Siedlungsflächen mit hohem Durchgrünungsgrad gegenüber, welche nur eine schwache bzw. keine nächtliche Überwärmung aufweisen. Bebaute Gebiete mit klimarelevanter Funktion weisen eine offene Siedlungsstruktur mit einem Gesamtversiegelungsgrad von weniger als 30 % sowie keine oder höchstens geringe Überwärmung auf; sie tragen damit potenziell zur lokalen Kaltluftentstehung bei. Der konkrete lokale Effekt ist jedoch von der jeweiligen örtlichen Situation, d.h. z.B. wesentlich von der Vegetationsausstattung abhängig. Typische Flächentypen mit klimarelevanter Funktion sind diejenigen der Einzel-, Reihen- und Doppelhäuser bzw. generell der Bebauung mit Gärten und Umgrünung. Oft grenzen sie an Kaltluft produzierende Grünareale an und tragen so zur Durchlüftung von weiter entfernten Siedlungsflächen mit nächtlicher Überwärmung bei. Strukturen, die den Luftaustausch ermöglichen und Kaltluft heranführen, sind das zentrale Bindeglied zwischen Ausgleichsräumen und bioklimatisch belasteten Wirkungsräumen. Leitbahnen sollten generell eine geringe Oberflächenrauigkeit aufweisen, wobei gehölzarme Tal- und Auenbereiche, größere Grünflächen (vor allem mit ihren offenen, niedrig bewachsenen Bereichen) und Bahnareale als geeignete Strukturen in Frage kommen. Breite Straßen können aufgrund ihrer Immissionsbelastung nur dem Klimaausgleich, nicht jedoch dem Heranführen unbelasteter Luft dienen. Die Leitbahnen werden in der Klimaanalysekarte hinsichtlich des Prozessgeschehens untergliedert. Im ‚Idealfall‘ stellt eine kaltluftproduzierende Fläche auch einen Teilbereich einer Leitbahn dar. Es überwiegen die vorwiegend thermisch induzierten Leitbahntypen mit einer rein auf die nutzungsbedingten Temperaturunterschiede zurückzuführenden Ausgleichsströmung. Beispielhaft für solche Strömungsbereiche im innerstädtischen Bereich können die Kleingartenanlagen am Priesterweg angeführt werden, die neben einer lokalen eigenen Kaltluftproduktion auch Kaltluft vom Friedhof an der Bergstraße in Steglitz sowie vom Insulaner in Richtung Norden transportieren. Insgesamt konzentrieren sich die erkannten thermisch induzierten Leitbahnen in folgenden Bereichen: nördlich der Linie Tegel – Lichtenberg westlich des Schlossparkes Charlottenburg bis zur Stadtgrenze in Staaken; z.T. wird Kaltluft aus dem nördlichen Gatower Feld sowie dem Umland herangeführt im Süden östlich der Stadtgrenze zu Groß-Ziethen in den Ortsteilen Rudow und Bohnsdorf. Flächen in der direkten Nachbarschaft von Grünflächen und Bebauung wurden nicht als Teil einer Leitbahn ausgewiesen. Vorwiegend orographisch induzierte Leitbahnen sind auf das östliche Stadtgebiet konzentriert. Dabei handelt es sich um Talbereiche etwa der Wuhle und des Mühlenfließes, die aufgrund ihrer Ausrichtung, Breite und Oberflächenbeschaffenheit Leitbahnfunktionen übernehmen. Im westlichen Stadtgebiet kann dahingehend die vom Grunewald ausgehende Tiefenlinie Hundekehlsee – Dianasee – Koenigssee – Halensee eingeordnet werden. Die Niederungen der größeren Fließgewässer wie Spree und Havel gehen über diese Funktion hinaus und besitzen zudem eine Eigenschaft als übergeordnete Luftleit- und Ventilationsbahnen . Sie begünstigen den Luftaustausch in der angrenzenden Bebauung auch bei stärkeren, übergeordneten Wetterlagen. Ein flächenhafter Kaltluftabfluss ist auf Areale mit Hangneigungen >1° begrenzt und tritt im Stadtgebiet Berlin aufgrund der vergleichsweise geringen Höhenunterschiede eher selten auf. Daher ist dieser Prozess an die wenigen Bereiche mit einer nennenswerten Hangneigung wie die des Grunewalds und der Köpenicker Bürgerheide gekoppelt. Darüber hinaus kann nördlich des Tegeler Sees, in Kaulsdorf sowie im Forst Düppel vereinzelt von einem Kaltluftabfluss ausgegangen werden. Die Kaltluftlieferung ist auf diesen geneigten Waldflächen überdurchschnittlich hoch, da die Ausstrahlung und damit die primäre Abkühlung hauptsächlich aus dem oberen Kronenbereich und nicht aus unmittelbarer Bodennähe erfolgt. Aufgrund der großen, ausstrahlenden Oberfläche des Bestandes fließt die Kaltluft auch im und über den Kronenbereich ab, statt erst in den Stammraum einzusinken (Groß 1989). Die lufthygienische Situation im Hauptstraßennetz wird über den Index der Luftbelastung auf Grundlage der Schadstoffe Stickstoffdioxid (NO2) und Feinstaub (PM10) abgebildet (SenStadt 2018). Die räumliche Verteilung der Belastungssituation hängt eng mit den Verkehrsmengen sowie der entlang der Straßenabschnitte vorhandenen Bebauung zusammen. Letztere beeinflusst die Verdünnung und den Abtransport lufthygienisch belasteter Luftmassen, so dass eine erhöhte Belastung vor allem in den dichter bebauten Stadträumen mit hohen Verkehrsmengen anzutreffen ist. Windfeldveränderungen, d.h. die Neigung zu starken Turbulenzen sowie Auf- und Abwinden können im Umfeld größerer Gebäude auftreten, wie sie in den Bebauungstypologien heterogener, innerstädtischer Mischbebauung, Großsiedlungen und Punkthochhäusern sowie Kerngebietsnutzungen vorliegen. Mit diesen Veränderungen sind einerseits positive Wirkungen wie stärkere Verwirbelung lufthygienischer Belastungen verbunden, andererseits treten jedoch auch vermehrt Einschränkungen im Windkomfort auf. Von den Gewässerflächen im Stadtgebiet Berlin geht an Tagen mit Wärmebelastung eine Kühlfunktion für das nähere Umfeld aus. Darüber hinaus dienen sie als Luftleit- und Ventilationsbahnen auch bei austauschstärkeren Wetterlagen. Lärmschutzeinrichtungen sind an Abschnitten entlang lärmemittierender Verkehrswege und entsprechend sensiblen Nutzungen vorhanden. Sie sind vor allem entlang von Bahnstrecken im südlichen und westlichen Stadtgebiet ausgewiesen. Sie stellen in dieser Karte eine Zusatzinformation dar, da sie in der Modellierung im Hinblick auf ihren möglichen Einfluss auf die Ausbreitung von Luftmassen nicht explizit berücksichtigt werden konnten. Entsprechend der VDI-Richtlinien 3787, Blatt1 stellt die Klimaanalysekarte „die räumlichen Klimaeigenschaften einer Bezugsfläche dar, die sich aufgrund Flächennutzung und Topografie einstellen. Dargestellt werden die thermischen, dynamischen sowie lufthygienischen Verhältnisse. Anmerkung: Die Klimaanalysekarte beinhaltet und ersetzt die ehemalige synthetische Klimafunktionskarte.“ (VDI 2015)

Geophysikalische Untersuchungen von Beckenstrukturen und Sedimentinventar in der Inneren Mongolei, NW China

Dieses Projekt ist ein Teil des DFG-Bündelprojektes 'Rekonstruktiondes spätpleistozänen und holozänen Environments in der westlichen Inneren Mongolei, NW-China'. Zur Klärung der tektonischen, sedimentologischen und hydrogeologischen Entwicklung eines Sedimentbeckens in der Badain Jaran Shamao werden in einem multimethodischen Ansatz elektrisch-elektromagnetische Messungen durchgeführt (Spektrale Induzierte Polarisation, Magnetotellurik, Transiente Elektromagnetik, Bodenradar, Geoelektrik). Aufbauend auf langjährigen Erfahrungen in Wüstengebieten sind optimierte multimethodische Messstrategien und Methoden zur gemeinsamen Inversion der verschiedenen Meßdaten weiter zu entwickeln. Das Vorhaben ist Teil eines interdisziplinären Bündelantrages (Paläoklimatologie, Hydrogeologie, Strukturgeologie, Fernerkundung, Bodenkunde). Hauptforschungsziel des Gesamtantrages ist die Klärung der Frage, ob in Nordafrika nachgewiesene spätquartäre abrupte Klimawechsel in den zentralasiatischen Wüsten einen kontemporären Verlauf zeigen. Ziel: Das Ziel des Projektes ergibt sich aus der Frage, ob in Nordafrika nachgewiesene, spätquartäre, abrupte Klimawechsel in den zentralasiatischen Wüsten einen kontemporären Verlauf zeigen. Seitdem die afrikanische Platte etwa die heutige geographische Position erreicht hat und das tibetische Plateau eine bedeutende Höhenlage entwickelte, besteht ein von letzterem ausgehender, hochtroposphärische Strahlstrom, welcher zu einem Delta über Nordafrika führt mit der Folge der weitgehenden Unterdrückung der für die übrigen Wüstengebiete charakteristischen Sommerniederschläge. Es ist daher von besonderem Interesse zu wissen, ob die am Nordrand des tibetischen Plateaus gelegenen Wüstengebiete eine korrelate Änderung des Environments erfuhren, da die Albedo über dem tibetischen Plateau und seinen Randgebieten Rückwirkungen auf die Zirkulation über den altweltlichen Wüstengürteln zur Folge haben müsste. Deren Steuerung durch Vergletscherung, Vegetationsbedeckung und topographische Position müsste sich in den fluvialen Akkumulationsräumen in den ariden Gebieten nördlich Tibets abzeichnen. Sie bieten besonders günstige Voraussetzungen, da sie wahrscheinlich seit dem Beginn des Quartärs geschlossene und langfristig endorheische Becken darstellen, in denen zeitweise ausgedehnte Endseen entstanden. Die Sedimentmächtigkeit überschreitet nach Vorstudien 230m. Es handelt sich um feinklastische Sedimente, die zum Teil rhythmisch geschichtete sind und einen Zeitraum von 800.000 Jahren überspannen. Es ist eine Feinauflösung sowohl der potamologischen, äolischen wie limnologischen Sedimentführung auf die klimatisch gesteuerten Einträge zu erwarten. Insofern erweisen sich die Sedimentationsräume als Archive für die klimatisch und gegebenenfalls tektonisch gesteuerte Variabilität und Entwicklung innerhalb des tibetischen Orogens und seines nördlichen Vorlandes. (...)

Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

Untersuchung von Langzeitvariationen leuchtender Nachtwolken mittels europäischer Nadir-Satelliteninstrumente

Leuchtende Nachtwolken (NLCs, von engl. Noctilucent clouds) sind optisch dünne Wassereiswolken, die nahe der polaren Sommermesopause bei geographischen Breiten polwärts von etwa 50 Grad auftreten. NLCs wurden in den vergangenen Jahrzehnten intensiv untersucht, insbesondere aufgrund ihrer Rolle als Indikatoren der globalen Veränderung. Langzeitsatellitenmessungen der NLCs mit Hilfe der SBUV/2 Instrumente auf Nimbus-7 und der NOAA-Satellitenreihe zeigen eine signifikante Zunahme der NLC Albedo (DeLand et al., 2007) sowie der NLC Häufigkeit (Shettle et al., 2009). Dieser langfristige Trend wurde durch eine Studie von Stevens et al. (2007) in Frage gestellt, in der die Langzeittrends in SBUV/2 NLC Albedo und der NLC Eismasse bei einer konstanten Lokalzeit untersucht wurden. Erstaunlicherweise führte die ausschließliche Berücksichtigung von Messungen bei konstanter Lokalzeit dazu, dass der Langzeittrend in der NLC Albedo praktisch vollständig verschwand. Diese Ergebnisse suggerieren, dass die veränderlichen Lokalzeiten, die mit der langsamen Veränderung der Orbitparameter der NOAA Satelliten verbunden sind, den scheinbaren Langzeittrend in NLC Albedo und NLC Häufigkeiten in früheren Studien verursachen. Dieser Sachverhalt ist noch immer nicht verstanden, obwohl die Frage nach den tatsächlichen Langzeitvariationen in NLCs von entscheidender Bedeutung für das wissenschaftliche Verständnis des Klimawandels in der mittleren Atmosphäre ist. Das wissenschaftliche Hauptziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es die Ursachen für die oben skizzierten Diskrepanzen zwischen den verschiedenen Analysen der SBUV/2 Daten zu untersuchen, und festzustellen, ob NLC-Parameter einer Langzeitvariation unterliegen oder nicht. Zu diesem Zweck sollen Messungen der europäischen Nadir-Beobachtungsinstrumente GOME und SCIAMACHY zur Bestimmung von NLCs verwendet werden. Nadir-Messungen dieser Satelliteninstrumente sind hervorragend geeignet, um diese wissenschaftliche Fragestellung zu untersuchen, weil die Satelliten sich in Sonnen-synchronen Erdumlaufbahnen befinden, und somit Messungen bei einer bestimmten geographischen Breite stets zur selben Lokalzeit durchführt werden. Da die GOME und SCIAMACHY Nadir-Messungen bisher nicht zur Untersuchung von NLCs verwendet wurden, soll im Rahmen dieses Projekts ein NLC Auswertealgorithmus implementiert und auf den gesamten GOME und SCIAMACHY Datensatz angewandt werden. Die zu bestimmenden NLC Parameter umfassen NLC Albedo, NLC Häufigkeit sowie NLC Eismasse. Die abgeleiteten NLC Datenprodukte werden verwendet, und Sonnenzyklusvariationen und Langzeittrends in NLCs zu quantifizieren, sowie zur Untersuchung der Frage, ob die Langzeittrends in SBUV/2 NLC Messungen durch die veränderlichen Lokalzeiten dieser Satellitenmessungen beeinflusst oder gar maßgeblich verursacht werden.

Nachverfolgung des Lebenszyklus von Eiskeimen zur Verbesserung von Klimaprojektionen

Wolken und Aerosole beeinflussen den Energiehaushalt und den Wasserkreislauf der Erde. Die Wolkenphase – ob eine Wolke aus Wassertröpfchen oder Eispartikeln besteht – beeinflusst den Strahlungseffekt der Wolken, da Wolkentröpfchen zahlreicher und kleiner sind als Eispartikel und daher mehr Sonnenstrahlung reflektieren.Durch die Erwärmung der Erde und der Atmosphäre durch den Klimawandel werden in Mischphasewolken (die aus Wassertröpfchen und Eispartikel bestehen können) Eispartikel teilweise durch Wassertröpfchen ersetzt und die Wolkenalbedo nimmt zu. Das führt zu einer negativen Rückkopplung, der sogenannten Wolkenphasenrückkopplung. Die Stärke dieser Rückkopplung hängt in Klimamodellen von der Repräsentation der Eisnukleation ab. Es wird immer deutlicher, dass die Schwankungsbreite von Klimaprojektionen (+1,8 bis +6,5 K) in der neuen Generation von Klimamodellen stark von der simulierten Wolkenphasenrückkopplung abhängt. Der gesellschaftliche Nutzen einer Verbesserung der Genauigkeit von Klimaprojektionen wird auf über 10 Millionen Millionen US-Dollar geschätzt. Eine bessere Darstellung der Eisbildung im Mischphasenregime in Klimamodellen ist deshalb dringend erforderlich.Aerosole können als Eiskeime, die das Gefrieren von Tröpfchen bewirken, die Häufigkeit von Eiswolken erhöhen und die Wolkenbedeckung und den Wassergehalt verringern. Insbesondere Mineralstaub kontrolliert häufig die Eisbildung in Wolken.In früheren Studien habe ich wichtige Diskrepanzen bezüglich der staubgetriebenen Wolkenvereisung im ECHAM-HAM Klimamodell und Satellitenbeobachtungen identifiziert, die sehr wahrscheinlich auch in anderen Klimamodellen vorhanden sind. Um diese zu beheben, werde ich in ECHAM-HAM Eisprozesse implementieren, die für das staubgetriebene Gefrieren von Wolkentröpfchen relevant sind, aber derzeit noch fehlen: Erstens werde ich eine Nachverfolgung von Eiskeimen implementieren, insbesonders deren Entfernung durch Niederschlagsbildung nach dem Gefrieren von Wolkentröpfchen. Dies sollte die Überschätzung der staubgetriebenen Wolkenvereisung über dem Südpolarmeer im Modell verringern. Zweitens werde ich eine Kategorie für Staub-Eiskeime hinzufügen, die bei Temperaturen unter -35 °C voraktiviert werden. Dies soll zu einem verstärkten Gefrieren von Wolkentröpfchen in Mischphasenwolken führen, was die im Modell gefundene generelle Unterschätzung des staubgetriebenen Gefrierens von Tröpfchen erklären und reduzieren soll. Drittens werde ich das Recycling von Staub-Eiskeimen nach der Sublimation von Eiskristallen implementieren. Dies soll ebenfalls zu einer Verbesserung des Gefrierens von Tröpfchen führen und den im Modell beobachteten Bias zusammen mit den anderen neuen Prozessen beseitigen. Diese neuen Prozesse werden anhand weltraumgestützter Beobachtungen evaluiert und ihre Auswirkungen auf die Wolkenphasenrückkopplung und die Klimasensitivität werden untersucht werden.

Langzeitvariation der stratospherischen Aerosolextinktion und der Aerosolteilchengrößen bei mittleren und hohen nördlichen Breiten

Stratosphärisches Sulphataerosol ist von großer Bedeutung für das Klimasystem, weil es solare Strahlung streut und damit die planetare Albedo der Erde erhöht. Es ist außerdem wichtig für die Chemie der Stratosphäre, weil die Aerosolpartikel an der Chloraktivierung - sogar außerhalb der Polarwirbel - sowie bekanntermaßen an der Bildung polarer stratosphärischer Wolken beteiligt sind. Darüber hinaus ist stratosphärisches Aerosol laut dem 5. Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change mitverantwortlich für die gegenwärtige Erwärmungspause. Boden-gestützte Lidar-Beobachtungen stellen eine der genauesten Methoden zur Fernerkundung stratosphärischer Aerosole dar. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Forschungsprojekts sollen Lidar-Messungen an 3 unterschiedlichen Orten - die bisher noch nicht zur Untersuchung stratosphärischer Aerosole verwendet wurden - genutzt werden. Die Lidar Systeme werden vom Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) e.V. an der Universität Rostock in Kühlungsborn betrieben und befinden sich im ALOMAR Observatorium in Andenes (Norwegen), auf der Davis Forschungsstation (Antarktis), sowie in Kühlungsborn. Zwei der Lidar-Messreihen decken gegenwärtig einen Zeitraum von 20 Jahren ab und die Lidar-Messungen in Alomar werden bei mehreren Wellenlängen durchgeführt, was die Ableitung von Teilchengrößen der stratosphärischen Aerosolpartikel erlaubt. Ein Alleinstellungsmerkmal der Lidar-systeme ist ihre Tageslichtfähigkeit, d.h., die Messungen können nicht nur nachts durchgeführt werden, was erstmals die Messung stratosphärischer Aerosole im polaren Sommer erlaubt. Die Lidar-Rohdaten werden in der ersten Phase des Projekts in vertikale Profile des Rückstreukoeffizienten und/oder der Aerosolextinktion konvertiert. Darüber hinaus werden aus den Mehrfarbenmessungen in ALOMAR Aerosolteilchengrößen bestimmt. In der zweiten Projektphase werden die abgeleiteten Aerosolzeitreihen verwendet, um deren zeitliche Variabilität sowie Langzeittrends über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren zu untersuchen und zu quantifizieren. Hierbei spielen saisonale Variationen, Einflüsse der QBO (Quasi-Biennial-Oscillation) und von Vulkanausbrüchen eine entscheidende Rolle. Die abgeleiteten Aerosolteilchengrößen liefern außerdem dringend benötigte Randbedingungen für die Ableitung der stratosphärischen Aerosolextinktion aus Satellitenmessungen des Horizont-gestreuten Sonnenlichts. Diese Messmethode wurde in der Vergangenheit zur Auswertung verschiedener Satellitendatensätze (z.B. OSIRIS/Odin, SCIAMACHY/Envisat, OMPS-LP/Suomi) verwendet und basiert auf a priori Wissen der Größenverteilung stratosphärischer Aerosole. Die zu erwartenden Ergebnisse liefern wichtige neue Kenntnisse über die Variabilität und Langzeittrends stratosphärischer Aerosolparameter (Extinktion, optische Dichte und Teilchengröße) sowie des Strahlungsantriebs des stratosphärischen Aerosols in mittleren und hohen nördlichen Breiten und über dekadische Zeitskalen.

Dynamik und Bewirtschaftung der zukünftigen Klimaschutzfunktion von Waldökosystemen

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt D02: Modellierung von Aerosolen und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in der Arktis

Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Rolle von Aerosolpartikeln im arktischen Klima und deren Änderung in den vergangenen aber auch in zukünftigen Jahrzehnten. Unter Verwendung eines allgemeinen Zirkulationsmodells der neuen Generation wird der Aerosoltransport und der Einfluss auf Strahlung und Wolken untersucht. Basierend auf Modellsimulationen wird der direkte Strahlungsantrieb und damit verbundene dynamische Rückkopplungsmechanismen für die arktische Region quantifiziert. Dies beinhaltet den Einfluss von Alterungs- und Mischungsprozessen auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften als auch auf den Schnee/Eis-Albedoantrieb. Ein besonderer Fokus wird dabei auf Rußpartikel resultierend aus vermehrten Schiffs- und Waldbrandemissionen gelegt. Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und der Aerosol indirekte Strahlungsantrieb werden untersucht.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt C01: Einfluss von Bodenheterogenität auf den Strahlungsantrieb und Ableitung von Aerosol- und Wolkeneigenschaften in der Arktis

Für die Arktis ist ein diskontinuierlicher Albedo Unterschied zwischen hoch reflektierenden Schnee/Eisoberfächen und meist stark absorbierenden Meeresoberflächen typisch. In diesem Teilprojekt wird quantifiziert inwiefern diese Heterogenität der Reflektionseigenschaften der Erdoberfläche (i) den Strahlungsantrieb von Wolken (Erwärmung/Abkühlung), und (ii) die Fernerkundungsprodukte von Wolken und Aerosolpartikeln beeinflussen. Aus diesem Grund werden flugzeuggetragene Messungen und Strahlungstransfermodellierungen vorgeschlagen.

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