Die Stadtklimaanalyse Hamburg 2023 basiert auf einer modellgestützten Analyse zu den klimaökologischen Funktionen für das Hamburger Stadtgebiet. Die Berechnung mit FITNAH 3D erfolgte in einer hohen räumlichen Auflösung (10 m x 10 m Raster) und liefert Daten und Aussagen zur Temperatur und Kaltluftentstehung in Hamburg. Die Untersuchung wurde auf der Annahme einer besonders belastenden Sommerwetterlage für Mensch und Umwelt mit geringer Luftbewegung und hoher Temperaturbelastung erstellt. Als Grundlage für die flächenbezogenen Bewertungen und deren räumliche Abgrenzungen diente der ALKIS-Datensatz „Bodennutzung“ der Freien und Hansestadt Hamburg, Landesbetrieb Geoinformation und Vermessung (LGV) mit Stand Dezember 2022. Weitere Informationen zur Stadtklimaanalyse Hamburg 2023 sind unter folgendem Link abrufbar: https://www.hamburg.de/politik-und-verwaltung/behoerden/bukea/themen/hamburgs-gruen/landschaftsprogramm/stadtklimaanalyse-hamburg-896054 Dort stehen der Erläuterungsbericht, die Analyse- und Bewertungskarten sowie eine Erläuterungstabelle für den Datensatz, der als Grundlage für die Ebenen 11 bis 14 dient, zum Download zur Verfügung. Die Ebenen des Geodatensatzes „Stadtklimaanalyse Hamburg 2023“ werden wie folgt präzisiert: 01 Windvektoren um 4 Uhr (aggregierte 100 m Auflösung) Die bodennahe Temperaturverteilung bedingt horizontale Luftdruckunterschiede, die wiederum Auslöser für lokale thermische Windsysteme sind. Ausgangspunkt dieses Prozesses sind die nächtlichen Temperaturunterschiede, die sich zwischen Siedlungsräumen und vegetationsgeprägten Freiflächen einstellen. An den geneigten Flächen setzt sich abgekühlte und damit schwerere Luft in Richtung zur tiefsten Stelle des Geländes als Kaltluftabfluss in Bewegung. Das sich zum nächtlichen Analysezeitpunkt 4 Uhr ausgeprägte Kaltluftströmungsfeld wird über Vektoren abgebildet, die für eine übersichtlichere Darstellung auf 100 m x 100 m Kantenlänge aggregiert werden. 02 Flurwinde und Kaltluftabflüsse Bei den nächtlichen Windsystemen werden Flurwinde von Kaltluftabflüssen unterschieden. Flurwinde werden durch den horizontalen Temperaturunterschied zwischen kühlen Grünflächen und warmer Bebauung ausgelöst. Kaltluftabflüsse bilden sich über Oberflächen mit Hangneigungen von mehr als 1 ° aus. 03 Bereiche mit besonderer Funktion für den Luftaustausch Diese Durchlüftungszonen verbinden Kaltluftentstehungsgebiete (Ausgleichsräume) und Belastungsbereiche (Wirkungsräume) miteinander und sind aufgrund ihrer Klimafunktion elementarer Bestandteil des Luftaustausches. Es handelt sich i.d.R. um gering überbaute und grüngeprägte Strukturen, die linear auf die jeweiligen Wirkungsräume ausgerichtet sind und insbesondere am Stadtrand das Einwirken von Kaltluft aus den Kaltluftentstehungsgebieten des Umlandes begünstigen. 04 Kaltlufteinwirkbereich innerhalb von Bebauung und Verkehrsflächen Hierzu zählen Siedlungs- und Verkehrsflächen, die sich im „Einwirkbereich“ eines klimaökologisch wirksamen Kaltluftstroms mit einem Wert von mehr als 5 m³/(s*m) befinden. Hier ist sowohl im bodennahen Bereich als auch darüber hinaus eine entsprechende Durchlüftung vorhanden. Die Eindringtiefe der Kaltluft beträgt, abhängig von der Bebauungsstruktur, zwischen ca. 100 m und bis zu 700 m. Darüber hinaus spielt auch die Hinderniswirkung des angrenzenden Bebauungstyps eine wesentliche Rolle. 05 Gebäude (Bestand und Planung) Mithilfe der Gebäudegrenzen werden Effekte auf das Mikroklima sowie insbesondere das Strömungsfeld berücksichtigt. Als Grundlage dient der ALKIS-Datensatz „Gebäude“ der Freien und Hansestadt Hamburg, Landesbetrieb Geoinformation und Vermessung (LGV) mit Stand Dezember 2022. Dieser Datensatz wurde anhand ausgewählter, zum Zeitpunkt der Bearbeitung im Verfahren sowie in Planung befindlicher Bebauungspläne und Großprojekte modifiziert. 06 Windgeschwindigkeit um 4 Uhr Siehe Hinweise zur Ebene 01 Windvektoren um 4 Uhr (aggregierte 100 m Auflösung). Die Rasterzellen stellen ergänzend zu den Windvektoren die Windgeschwindigkeit flächenhaft in 10 m x 10 m Auflösung dar. 07 Kaltluftvolumenstromdichte um 4 Uhr Der Kaltluftvolumenstrom beschreibt diejenige Menge an Kaltluft in der Einheit m³, die in jeder Sekunde durch den Querschnitt beispielsweise eines Hanges oder einer Kaltluftleitbahn fließt. Der Volumenstrom ist ein Maß für den Zustrom von Kaltluft und bestimmt neben der Strömungsgeschwindigkeit die Größenordnung des Durchlüftungspotenzials. Zum Zeitpunkt 4 Uhr morgens ist die Intensität der Kaltluftströme voll ausgeprägt. 07a Kaltluftvolumenstromdichte um 4 Uhr in den Grün- und Freiflächen Reduzierung der Ebene 07 Kaltluftvolumenstromdichte um 4 Uhr auf die Grün- und Freiflächen. 08 Lufttemperatur um 4 Uhr Der Tagesgang der Lufttemperatur ist direkt an die Strahlungsbilanz eines Standortes gekoppelt und zeigt daher i.d.R. einen ausgeprägten Abfall während der Abend- und Nachtstunden. Dieser erreicht kurz vor Sonnenaufgang des nächsten Tages ein Maximum. Das Ausmaß der Abkühlung kann je nach meteorologischen Verhältnissen, Lage des Standorts und landnutzungsabhängigen physikalischen Boden- bzw. Oberflächeneigenschaften große Unterschiede aufweisen. Besonders auffällig ist das thermische Sonderklima der Siedlungsräume mit seinen gegenüber dem Umland modifizierten klimatischen Verhältnissen. 08a Lufttemperatur um 4 Uhr im Siedlungsraum Reduzierung der Ebene 08 Lufttemperatur um 4 Uhr auf die Siedlungsflächen. 08b Lufttemperatur um 4 Uhr in den Verkehrsflächen Reduzierung der Ebene 08 Lufttemperatur um 4 Uhr auf die Verkehrsflächen. 09 Lufttemperatur um 14 Uhr Die Lufttemperatur am Tage ist im Wesentlichen durch die großräumige Temperatur der Luftmasse in einer Region geprägt und wird weniger stark durch Verschattung beeinflusst, wie es bei der PET der Fall ist (Erläuterung „PET“ siehe Ebene 10 und 13). Daher weist die für die Tagsituation modellierte Lufttemperatur eine homogenere Ausprägung auf. 10 Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) um 14 Uhr Meteorologische Parameter wirken nicht unabhängig voneinander, sondern in biometeorologischen Wirkungskomplexen auf das Wohlbefinden des Menschen ein. Zur Bewertung werden Indizes verwendet (Kenngrößen), die Aussagen zur Lufttemperatur und Luftfeuchte, zur Windgeschwindigkeit sowie zu kurz- und langwelligen Strahlungsflüssen kombinieren. Wärmehaushaltsmodelle berechnen den Wärmeaustausch einer „Norm-Person“ mit seiner Umgebung und können so die Wärmebelastung eines Menschen abschätzen. Die hier genutzte Kenngröße PET (Physiologisch Äquivalente Temperatur, VDI 3787, Blatt 9) bezieht sich auf außenklimatische Bedingungen und zeigt eine starke Abhängigkeit von der Strahlungstemperatur. Mit Blick auf die Wärmebelastung ist sie damit vor allem für die Bewertung des Aufenthalts im Freien am Tage sinnvoll einsetzbar. 11 Bewertung nachts Siedlungs- und Verkehrsflächen: mittlere Lufttemperatur um 4 Uhr Zur Bewertung der bioklimatischen Situation wird die nächtliche Überwärmung in den Nachtstunden (4 Uhr morgens) herangezogen und räumlich differenziert betrachtet. Der nächtliche Wärmeinseleffekt wird anhand der Differenz zwischen der durchschnittlichen Lufttemperatur einer Siedlungs- oder Verkehrsfläche und der gesamtstädtischen Durchschnittstemperatur von etwa 17,1 °C bewertet. Die mittlere Überwärmung pro Blockfläche wird in fünf Bewertungsstufen untergliedert und reicht von sehr günstig (≥ 15,8 °C) bis sehr ungünstig (>= 20 °C). 12 Bewertung nachts Grün- und Freiflächen: bioklimatische Bedeutung Bei der Bewertung der bioklimatischen Bedeutung von grünbestimmten Flächen ist insbesondere die Lage der Grün- und Freiflächen zu Leitbahnen sowie zu bioklimatisch ungünstig oder weniger günstig bewerteten Siedlungsflächen entscheidend. Es handelt sich um eine anthropozentrisch ausgerichtete Wertung, die die Ausgleichsfunktionen der Flächen für den derzeitigen Siedlungsraum berücksichtigt. Die klimaökologischen Charakteristika der Grün- und Freiflächen werden anhand einer vierstufigen Skala (sehr hohe bioklimatische Bedeutung bis geringe bioklimatische Bedeutung) bewertet. 13 Bewertung tags Siedlungs- und Verkehrsflächen: bioklimatische Bedeutung (PET 14 Uhr) Zur Bewertung der Tagsituation wird der humanbioklimatische Index PET um 14:00 Uhr herangezogen. Für die PET existiert in der VDI-Richtlinie 3787, Blatt 9 eine absolute Bewertungsskala, die das thermische Empfinden und die physiologischen Belastungsstufen quantifiziert. Die Bewertung der thermischen Belastung im Stadtgebiet Hamburg orientiert sich daran und reicht auf einer fünfstufigen Skala von extrem belastet (> 41 °C) bis schwach belastet ( 41 °C) zu einer sehr geringen Aufenthaltsqualität führt. 14 Bewertung tags Grün- und Freiflächen: Aufenthaltsqualität (PET 14 Uhr) Die Zuweisung der Aufenthaltsqualität von Grün- und Freiflächen in der Bewertungskarte beruht auf der jeweiligen physiologischen Belastungsstufe. Es werden vier Bewertungsstufen unterschieden. Eine hohe Aufenthaltsqualität ergibt sich aus einer schwachen oder nicht vorhandenen Wärmebelastung (PET 41 °C) zu einer sehr geringen Aufenthaltsqualität führt.
Darstellungsdienst Web Map Service (MWS) Klima der Stadtgemeinde Bremen. Bioklimatische Situation (Klimafunktionskarte): Die Klimafunktionskarte bildet die Funktionen und Prozesse des nächtlichen Luftaustausches für das Stadtgebiet von Bremen ab (Strömungsfeld, Kaltluftleitbahnen). Für Siedlungs- und Gewerbeflächen stellt sie die nächtliche Überwärmung dar, basierend auf der bodennahen Lufttemperatur in einer autochthonen Sommernacht um 04:00 Uhr morgens. Bioklimatische Situation der Siedlungsflächen (mit Kaltlufteinwirkbereich) • Siedlungsflächen im Einwirkbereich der Kaltluftströmung: Siedlungsbereiche die von nächtlicher Kaltluft durchströmt werden. Der Kaltlufteinwirkbereich kennzeichnet das bodennahe Ausströmen der Kaltluft aus den Grünflächen in die angrenzende Bebauung während einer autochthonen Sommernacht. Als Kaltlufteinwirkbereich sind Siedlungs- und Gewerbeflächen innerhalb des Stadtgebiets gekennzeichnet, die von einem überdurchschnittlich hohen Kaltluftvolumenstrom durchflossen werden oder durch eine Windgeschwindigkeit von mind. 0,2 m s-1 gekennzeichnet sind. • Bioklimatische Situation der Siedlungsflächen: Einteilung der bioklimatischen Situation in vier Klassen (sehr günstig, günstig, weniger günstig, ungünstig) in Relation zum Gebietsmittel auf Grundlage des z-transformierten PMV-Wertes (predicted mean vote). Siedlungsräume lassen sich in ausreichend durchlüftete Areale und damit meist klimatisch günstige Siedlungsstrukturen sowie klimatische Belastungsbereiche untergliedern. Die nächtliche Überwärmung beruht auf dem Temperaturunterschied zu den Grünflächen der Stadt. Der Wärmeinseleffekt ergibt sich als Abweichung von diesem Bezugswert und stellt somit eine geeignetere Kenngröße zur Erfassung des Stadtklimaeffekts dar als absolute Temperaturwerte. Bioklimatische Bedeutung der Grün- und Freiflächen (Kaltluftentstehung/-produktion) • Flächen mit sehr hoher Kaltluftentstehung/-produktion: Grünflächen mit sehr hoher Kaltluftproduktion sind Flächen, die in Relation zum Mittelwert im Untersuchungsraum eine mehr als überdurchschnittliche Kaltluftproduktion aufweisen. Sie werden durch Punktsymbole gekennzeichnet. Auswahlkriterium ist eine z-transformierte Kaltluftproduktionsrate größer 1. Kaltluftentstehungsgebiete kennzeichnen Grünflächen mit einer deutlich überdurchschnittlichen Kaltluftproduktionsrate und speisen die Kaltluftaustauschbereiche bzw. reichen auch über diese hinaus. • Bioklimatische Bedeutung der Grün- und Freiflächen: Einteilung der stadtklimatischen Bedeutung von Grünflächen in vier Klassen (gering, mittel, hoch, sehr hoch). In der Klimafunktionskarte werden Grün- und Freiflächen hinsichtlich ihres Kaltluftliefervermögens charakterisiert. Als Kaltluft produzierende Bereiche (Kaltluftentstehungsgebiete) gelten insb. unversiegelte Freiflächen (z.B. Wiesen, Weiden und Ackerflächen) sowie durch aufgelockerten Vegetationsbestand geprägte Grünflächen (z.B. Parkareale, Kleingärten und Friedhofsanlagen) und Wälder. Für die Charakterisierung dieser Ausgleichsleistung wird der Kaltluftvolumenstrom aus benachbarten Flächenherangezogen. • Siedlungsflächen mit klimarelevanter Funktion: Kaltluft kann in Einzelfällen auch über Siedlungsflächen mit geringer Baudichte, niedrigen Bauhöhen und/oder einem hohen Grünanteil weitergeleitet werden. Diese Siedlungsbereiche mit sehr hohen Kaltluftvolumenströmen haben eine Leitbahn ähnliche Funktion innerhalb des Siedlungsraumes und sind mit einer horizontalen Schraffur ausgewiesen. • Luftaustausch: Einteilung bzw. Bewertung des Kaltluftliefervermögens von Grünflächen in Relation zum Gebietsmittel (z-transformierter Kaltluftvolumenstrom). Kaltluftaustauschbereiche verbinden Kaltluftentstehungsgebiete (Ausgleichsräume) und Belastungs-bereiche (Wirkungsräume) über (lokale oder übergeordnete) Kaltluftleitbahnen miteinander oder erfüllen eine wichtige Durchlüftungsfunktion und sind somit elementarer Bestandteil des Luftaustausches.
Die Wechselwirkung zwischen der variablen großräumigen Zirkulation und arktischen regionalen Klimamustern werden untersucht. Wir werden den Grad der arktischen Verstärkung auf regionaler Skala in Rückkopplung mit großskaliger Dynamik und deren vergangenen und vorhergesagten Änderungen diagnostizieren. Die zentrale Frage ist zu welchem Grad die regionalen arktischen Klimaänderungen und arktische Verstärkung durch Änderungen in großräumigen horizontalen Wärmeflüssen, planetaren Wellenströmungen (insbesondere während plötzlicher stratosphärischer Erwärmungen), sowie durch allgemeine troposphärische und stratosphärische Zirkulationsmustern beeinflusst werden. Ausgedrückt wird diese in Form von der Variabilität der nordhemisphärischen Zirkulation, wie z. B. der Nordatlantischen Oszillation und der nördlichen jährlichen Mode.
Daten zur Klimaanpassungsstrategie ° Bioklimatische Situation (Klimafunktionskarte) ° Bioklimatische Situation (Siedlungsflächen, Grün- und Freiflächen) ° Klimakomfort: Wärmebelastung ° Windkomfort/Sturmgefahr Bioklimatische Situation (Klimafunktionskarte): Die Klimafunktionskarte bildet die Funktionen und Prozesse des nächtlichen Luftaustausches für das Stadtgebiet von Bremen ab (Strömungsfeld, Kaltluftleitbahnen). Für Siedlungs- und Gewerbeflächen stellt sie die nächtliche Überwärmung dar, basierend auf der bodennahen Lufttemperatur in einer autochthonen Sommernacht um 04:00 Uhr morgens. Bioklimatische Situation der Siedlungsflächen (mit Kaltlufteinwirkbereich) • Siedlungsflächen im Einwirkbereich der Kaltluftströmung: Siedlungsbereiche die von nächtlicher Kaltluft durchströmt werden. Der Kaltlufteinwirkbereich kennzeichnet das bodennahe Ausströmen der Kaltluft aus den Grünflächen in die angrenzende Bebauung während einer autochthonen Sommernacht. Als Kaltlufteinwirkbereich sind Siedlungs- und Gewerbeflächen innerhalb des Stadtgebiets gekennzeichnet, die von einem überdurchschnittlich hohen Kaltluftvolumenstrom durchflossen werden oder durch eine Windgeschwindigkeit von mind. 0,2 m s-1 gekennzeichnet sind. • Bioklimatische Situation der Siedlungsflächen: Einteilung der bioklimatischen Situation in vier Klassen (sehr günstig, günstig, weniger günstig, ungünstig) in Relation zum Gebietsmittel auf Grundlage des z-transformierten PMV-Wertes (predicted mean vote). Siedlungsräume lassen sich in ausreichend durchlüftete Areale und damit meist klimatisch günstige Siedlungsstrukturen sowie klimatische Belastungsbereiche untergliedern. Die nächtliche Überwärmung beruht auf dem Temperaturunterschied zu den Grünflächen der Stadt. Der Wärmeinseleffekt ergibt sich als Abweichung von diesem Bezugswert und stellt somit eine geeignetere Kenngröße zur Erfassung des Stadtklimaeffekts dar als absolute Temperaturwerte. Bioklimatische Bedeutung der Grün- und Freiflächen (Kaltluftentstehung/-produktion) • Flächen mit sehr hoher Kaltluftentstehung/-produktion: Grünflächen mit sehr hoher Kaltluftproduktion sind Flächen, die in Relation zum Mittelwert im Untersuchungsraum eine mehr als überdurchschnittliche Kaltluftproduktion aufweisen. Sie werden durch Punktsymbole gekennzeichnet. Auswahlkriterium ist eine z-transformierte Kaltluftproduktionsrate größer 1. Kaltluftentstehungsgebiete kennzeichnen Grünflächen mit einer deutlich überdurchschnittlichen Kaltluftproduktionsrate und speisen die Kaltluftaustauschbereiche bzw. reichen auch über diese hinaus. • Bioklimatische Bedeutung der Grün- und Freiflächen: Einteilung der stadtklimatischen Bedeutung von Grünflächen in vier Klassen (gering, mittel, hoch, sehr hoch). In der Klimafunktionskarte werden Grün- und Freiflächen hinsichtlich ihres Kaltluftliefervermögens charakterisiert. Als Kaltluft produzierende Bereiche (Kaltluftentstehungsgebiete) gelten insb. unversiegelte Freiflächen (z.B. Wiesen, Weiden und Ackerflächen) sowie durch aufgelockerten Vegetationsbestand geprägte Grünflächen (z.B. Parkareale, Kleingärten und Friedhofsanlagen) und Wälder. Für die Charakterisierung dieser Ausgleichsleistung wird der Kaltluftvolumenstrom aus benachbarten Flächenherangezogen. • Siedlungsflächen mit klimarelevanter Funktion: Kaltluft kann in Einzelfällen auch über Siedlungsflächen mit geringer Baudichte, niedrigen Bauhöhen und/oder einem hohen Grünanteil weitergeleitet werden. Diese Siedlungsbereiche mit sehr hohen Kaltluftvolumenströmen haben eine Leitbahn ähnliche Funktion innerhalb des Siedlungsraumes und sind mit einer horizontalen Schraffur ausgewiesen. • Luftaustausch: Einteilung bzw. Bewertung des Kaltluftliefervermögens von Grünflächen in Relation zum Gebietsmittel (z-transformierter Kaltluftvolumenstrom). Kaltluftaustauschbereiche verbinden Kaltluftentstehungsgebiete (Ausgleichsräume) und Belastungs-bereiche (Wirkungsräume) über (lokale oder übergeordnete) Kaltluftleitbahnen miteinander oder erfüllen eine wichtige Durchlüftungsfunktion und sind somit elementarer Bestandteil des Luftaustausches.
Anhand von Experimenten im physikalischen Modell wurden durch Bodenformen verursachte Strömungs- und Turbulenzprozesse untersucht. Hierzu wurden Laborversuche in einer Strömungsumlaufrinne mit abstrahierten Modelldünen durchgeführt. Für die Erhebung eines umfangreichen Datensatzes zur Beschreibung des Strömungsfeldes über einer Bodenform wurde eine Modelldüne eingesetzt, deren Geometrie sich an in der Weser beobachteten Dünen mit sogenanntem Ebb Slip Face (EbbSF) orientiert. Die Dünenabmessungen und hydrodynamischen Größen wurden im Maßstab 1:10 nach Froude skaliert. Die Modelldüne wurde als zweidimensionale Einzeldüne eingebaut und einer unidirektionalen Strömung konstanter Geschwindigkeit und gleichbleibendem Wasserstand ausgesetzt. Durch die Verwendung von Riffelblech für die Herstellung der Modelldüne wurde die natürliche Oberflächenrauheit realer Dünen nicht nachgebildet. Für die Strömungsmessungen wurde im Bereich über und hinter dem Modellkörper eine enge Verteilung der Messpositionen gewählt, sodass ein umfassender Rohdatensatz mit hochfrequenten, akustischen Strömungsdaten bereitgestellt wird. Literatur: - Carstensen, C., Holzwarth, I. (2023): Flow and Turbulence over an Estuarine Dune – Large-Scale Flume Experiments. Die Küste. https://doi.org/10.18171/1.093103 - Bundesanstalt für Wasserbau (2021): FAUST. Teilprojekt E: Laboruntersuchungen BAW. FuE-Abschlussbericht B3955.02.04.70230. https://hdl.handle.net/20.500.11970/108336 Zitat für diesen Datensatz (Daten DOI): - Bundesanstalt für Wasserbau (2021): Laborversuche in einer Strömungsrinne mit skalierter Modelldüne (EbbSF) [Data set]. Bundesanstalt für Wasserbau. https://doi.org/10.48437/02.2021.K.9900.0001
Unsere Motivation basiert auf der Tatsache, dass bei schwachen bis mäßigen Windgeschwindigkeiten die gekoppelten viskosen Luft-Wasser-Schichten auf beiden Seiten der Mikroschickt an der Wasseroberfläche (surface microlayer, SML) den Großteil der Windspannung tragen, die wiederum stark von den Oberflächenwellen moduliert wird. Dynamische Prozesse auf Skalen von Millimetern bis wenigen Zentimetern werden durch den Windstress angetrieben und sind von zentraler Bedeutung für ein tiefes Verständnis der SML-Dynamik und der Austauschprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre. Wenn monomolekulare Oberflächenfilme an der Meeresoberfläche (marine Monolayers) die (mehrschichtige/ Mikrometer-) SML bedecken, dämpfen sie kleinskalige Oberflächenwellen, wodurch diese Austauschprozesse beeinflusst werden. Während die allgemeine Wirkung von Monolayern auf die kleinskalige Oberflächenrauheit, auf den Windstress und auf Gasflüsse grundsätzlich bekannt ist, fehlt es noch an Wissen über ihren Einfluss auf Prozesse, die auf sehr kleinen Längenskalen in der Größenordnung von Millimetern und darunter ablaufen. Im Teilprojekt 2.2 der Forschungsgruppe BASS werden wir diese Lücke durch eine Reihe von Laborexperimenten am Windwellenkanal der Universität Hamburg schließen, in denen modernste Beobachtungstechniken einen bisher nicht erreichten Einblick in kleinskalige Dynamiken innerhalb der SML und ihrer unmittelbare Umgebung liefern werden. Die Relevanz für die Forschungsgruppe BASS ergibt sich aus der Untersuchung von Transport-, Akkumulations- und Austauschprozessen innerhalb der SML, die hauptsächlich von kleinskaligen Dynamiken an der Meeresoberfläche getrieben werden und somit von ihnen abhängen. Um diese Prozesse zu verstehen, ist eine gründliche Kenntnis der kleinräumigen Oberflächenwellen- und oberflächennahen Strömungsfelder sowie der Turbulenzmuster sowohl ober- als auch unterhalb der (dynamischen) Wasseroberfläche erforderlich. Ihre Untersuchung erfordert Messungen auf räumlichen Skalen im Millimeterbereich und darunter, sowie Experimente unter kontrollierten (Wind- und Wellen-) Bedingungen, die nur in Laboreinrichtungen wie dem Windwellenkanal der Universität Hamburg möglich sind. Innerhalb dieses Teilprojekts werden wir kleinräumige (cm bis sub-mm) physikalische Prozesse an der rauen Luft-Wasser-Grenzfläche untersuchen, die von anderen Teilprojekten untersuchte Austauschprozesse modulieren und kontrollieren, und die durch monomolekulare Oberflächenfilme verändert werden, die häufig in Küstengewässern anzutreffen sind.
Die genaue Vorhersage der räumlichen Verteilung von Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit im Inneren von Gebäuden sowie in Passagierkabinen von Flugzeugen, Bahnen, Reisebussen und Personenkraftwagen ist für die Gesundheit und das Wohlbefinden von Menschen sowie für den sparsamen Einsatz von Energie zum Heizen und Klimatisieren von entscheidender Bedeutung. Obwohl die Strömungsmechanik bei der Erforschung dieser Strömungen - den sogenannten Raumluftströmungen - sowohl in experimenteller als auch in numerischer Hinsicht in den vergangenen zehn Jahren große Fortschritte erzielt hat, ist es bis heute noch nicht möglich, Strukturbildungsprozesse in diesen Strömungen auf räumlichen Skalen von mehreren Metern und auf zeitlichen Skalen von mehreren Stunden mit hinreichender Genauigkeit vorherzusagen. Die physikalische Ursache für diese Schwierigkeit liegt darin begründet, dass es sich hierbei um eine Überlagerung von erzwungener und natürlicher thermischer turbulenter Konvektion handelt, die als gemischte Konvektion oder Mischkonvektion bezeichnet wird. Dieser Strömungstyp ist im Gegensatz zu rein erzwungener oder rein thermischer Konvektion notorisch schwer vorherzusagen. Das Ziel des vorliegenden Projektes besteht darin, den Mangel an Wissen über Strukturbildungsprozesse in gemischter turbulenter Konvektion zu überwinden, wobei sich die untersuchte Geometrie an Fragestellungen der Raumluftströmung orientiert. Nachdem der Antragsteller im Rahmen des von 2007 bis 2012 laufenden DFG- Antrages Strukturbildung turbulenter Mischkonvektion in Räumen und Passagierkabinen erstmalig die Machbarkeit einer realitätsgetreuen Nachbildung von Raumluftströmungen in einem verkleinerten Modellmaßstab von 1 zu 10 durch Verwendung des Gases Schwefelhexafluorid bei 5 bar nachgewiesen hat, steht die im Paketantrag errichtete Versuchsanlage SCALEX nunmehr für umfassende experimentelle Untersuchungen zur Verfügung. Aufbauend auf den im Paketantrag geleisteten Vorarbeiten besteht das spezielle Ziel des vorliegenden Projektes in der experimentellen Analyse dreier Strukturbildungsaspekte turbulenter Mischkonvektion für eine bislang in keinem Laborexperiment erreichte Breite des Parameterbereiches von Reynolds- und Rayleighzahlen. Hierzu sollen in einem ersten Schritt räumliche Symmetriebrechungsprozesse, in einem zweiten Schritt Hystereseprozesse und in einem dritten Schritt zeitabhängige Strukturwandlungen erforscht werden. Obwohl das Projekt erkenntnisorientiert ist und nicht der Lösung konkreter Raumluftströmungsprobleme dient, ist die untersuchte Geometrie der Passagierkabine eines Verkehrsflugzeuges nachempfunden. Somit kommen die zu gewinnenden grundlegenden Erkenntnisse langfristig der Luftfahrt- sowie der Schinen- und Straßenfahrzeugforschung zugute.
Das Mischen von Flüssigkeiten ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik von größter Bedeutung. In porösen Medien sind Mischprozesse normalerweise ineffizient. Eine Verbesserung der Durchmischung kann potenziell durch eine Verbesserung der Schadstofffahnenverformung durch Dehnung und Faltung des Strömungsfeldes unter Verwendung von Injektions-Extraktions-Systemen oder in Systemen, die von Natur aus eine komplexe instationäre Dynamik aufweisen, wie z.B. die Wirkung von Gezeiten, erreicht werden. Frühere Studien wurden auf mehreren räumlichen Skalen (d.h. Poren-, Darcy-, Feld- und Regionalskala) durchgeführt, wobei hauptsächlich theoretische und Modellierungsansätze verwendet wurden. Experimentelle Studien hingegen, die unterkontrollierten Bedingungen durchgeführt wurden, sind nur spärlich vorhanden. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Auswirkungen der chaotischen Advektion auf den Transport gelöster Stoffe in gesättigten porösen Medien unter kontrollierten Laborbedingungen experimentell nachzuweisen. Die experimentellen Arbeiten werden von der Entwicklung neuer fortschrittlicher numerischer Methoden begleitet, die in der DUNE-Umgebung (Distributed Unified Numerics Environment) entwickelt werden, um eine genaue modellgestützte Interpretation der Ergebnisse zuermöglichen. Darüber hinaus werden auch multiparametrische Studien durchgeführt, um die realistischen Szenarien zu untersuchen, die den Rahmen von Laborexperimenten sprengen. Dieses Forschungsprojekt ist innovativ, da folgende Punkte untersuchtwerden: 1) Die Auswirkung der nichtlinearen Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dispersion und des Nicht-Fick‘schen Transports im Allgemeinen auf die chaotische Advektion; 2) Die Auswirkung der unvollständigen Vermischung auf der Porenskala auf die effektive Vermischungsverstärkung durch chaotische Advektion; 3) Die Auswirkung der Verzögerungs- und Dichteeffekte, die den Transport von gelösten Stoffen chemisch-relevanter Spezies beeinflussen, auf die durch chaotische Advektion erzielte Vermischungsverstärkung; 4) Die Auswirkung der chaotischen Advektion auf reaktiven Transport. Darüber hinaus zielen wir darauf ab, die fehlende Verbindung zwischen den Metriken, die die chaotische Advektion und die Vermischung auf der Darcy-Skalabeschreiben, herzustellen. Dies kann durch eine modellgestützte Interpretation der in diesem Forschungsprojekt gesammelten experimentellen Ergebnisse erreicht werden.
Der Umgang mit Nichtlinearitäten und die Frage des Upscaling stellen eine der größten Herausforderungen für technische und umweltrelevante Anwendungen im Gebiet der Strömungs- und Transportphänomene in porösen Medien dar. Eine Vielzahl hierarchischer (räumlicher und zeitlicher) Skalen können in porösen Medien identifiziert werden, die im Allgemeinen mit deren Heterogenitätsstrukturen zusammenhängen. Strömungs- und Transportphänomene können von gekoppelten Mechanismen verursacht oder beeinflusst werden, die von einem nichtlinearen Zusammenspiel von physikalischen, (geo-)chemischen und/oder biologischen Prozessen herrühren. Um Probleme auf diesem Feld sinnvoll angehen zu können, ist eine interdisziplinäre Umgebung unerlässlich. Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeichnen sich in den unterschiedlichsten Arbeitsgebieten aus: angewandte Mathematik, Umwelt- und Bauingenieurwesen, Geowissenschaften und Erdölingenieurwissenschaften. Die gemeinsamen niederländisch-deutschen Forschungsprojekte werden an der TU Delft, der TU Eindhoven, der Universität Utrecht und der Universität Stuttgart durchgeführt. Grundlagenforschung, so wie etwa die Anwendung stochastischer Modelle und die Entwicklung effizienter numerischer Methoden, soll mit angewandter Forschung auf Feldern wie der Optimierung von Brennstoffzellen, Sequestrierung von CO2 oder der Vorhersage von Hangrutschungen verbunden werden. Als mögliche weiterführende Themen werden auch Anwendungen in der Papierherstellung oder der Biomechanik angestrebt. Ein zentraler Aspekt des Internationalen Graduiertenkollegs ist ein Lehrprogramm, das die Unterstützung von Lehre und Forschung von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zum Ziel hat. Dies soll erreicht werden, indem anspruchsvolle Kurse angeboten werden, die typischerweise die Fragestellungen der jungen Wissenschaftler abdecken. Außerdem soll alle vier Wochen via Videokonferenz ein Graduiertenseminar zur Diskussion von Forschungsergebnissen stattfinden. Es soll weiterhin ein Austauschprogramm geben, das Doktorandinnen und Doktoranden erlaubt, sechs bis neun Monate im Partnerland zu verbringen. Das somit entstehende internationale und interdisziplinäre Umfeld wird es Doktorandinnen und Doktoranden ermöglichen, effizient Spitzenforschung auf dem Feld der Nichtlinearitäten und des Upscaling im Untergrund durchzuführen.
Die Klimaanalysekarte synthetisiert die wesentlichen Aussagen der Analyseergebnisse für die Nachtsituation in einer Karte und präzisiert bzw. pointiert das Kaltluftprozessgeschehen zu den Themenfeldern Überwärmung, Kaltluftentstehung und Kaltluftfluss. Dargestellt werden für die Siedlungs- und Verkehrsflächen die Lufttemperatur in °C und für die Grünflächen und landwirtschaftlichen Flächen wird die Kaltluftvolumenstromdichte in m³/m*s. Außerdem werden die Kaltluftprozesse wie linienhaften Kaltluftbahnen, flächenhafter Kaltluftabfluss, Kaltluftentstehungsgebiete, sowie das Windfeld visualisiert. Das Strömungsfeld bzw. die Fließrichtung der Kaltluft wurde für eine bessere Lesbarkeit der Karte auf eine Auflösung von 200 m aggregiert und ab einer als klimaökologisch wirksam angesehenen Windgeschwindigkeit von 0,2 m/s mit einer Pfeilsignatur visualisiert. Kleinräumigere und/oder schwächere Windsysteme (z. B. Kanalisierungseffekte in größeren Zufahrtsstraßen im Übergang zwischen Grün- und Siedlungsflächen) werden aus der Karte nicht ersichtlich. Für die Grünflächen und landwirtschaftlichen Flächen erfolgt die Darstellung der Kaltluftentstehungsgebiete. Diese, mit einer überdurchschnittlichen Kaltluftproduktion, gekennzeichneten Flächen weisen eine mittlere Kaltluftproduktionsrate von >25,5 m³/m²*h auf. Kaltluftleitbahnen verbinden kaltluftproduzierende sogenannte Ausgleichsräume (Grünflächen und landwirtschaftliche Flächen) und sogenannte Wirkräume (Siedlungs- und Verkehrsflächen) miteinander und sind mit ihren meist hohen Kaltluftvolumenströmen elementarer Bestandteil des Kaltluftprozessgeschehens. Gleichzeitig sind diese aber auch hochgradig anfällig gegenüber Flächenentwicklungen in ihren Kern- und Randbereichen, die zu einer Verengung des Durchflussquerschnittes und einer erhöhten Rauigkeit und damit zu einer Funktionseinschränkung bzw. zu einem Funktionsverlust führen können. Flächenhafte Kaltluftabflussbereiche kennzeichnen großräumigere Kaltluftbewegungen. Sie sind nur dann von einer vergleichbaren Verletzlichkeit geprägt, wenn sie ausschließlich auf wenig dynamischen Flurwinden basieren. Hangfolgende Kaltluftabflüsse reagieren aufgrund der zumeist gegebenen Ausweichmöglichkeiten der Luft deutlich robuster auf ein moderates Maß an baulichen Entwicklungen. Eine Einschränkung der klimaökologischen Funktionen ist aber bei besonders intensiven Flächenentwicklungen oder unter besonderen Nutzungsbedingungen auch hier durchaus möglich und zu vermeiden bzw. auf ein verträgliches Maß zu reduzieren. Als weiteres Element wurde der Parkwind eingesetzt. Hierbei handelt es sich um kleinräumige Kaltluftströmungen aus innerstädtischen Grünflächen, die radial in die umgebenden Siedlungsflächen einströmen. Trotz ihrer geringen räumlichen Ausprägungen können sie einen wichtigen Ausgleichseffekt innehaben. Hier wird die Klimaanalysekarte für die ferne Zukunft mit hohen Emissionen (RCP 8.5) dargestellt. -------------------------------------------------------------------- Generelle Modellierungsinformationen: Für die Modellierung wurde das Modell FITNAH-3D in einer Auflösung von 5 m genutzt. Als meteorologische Rahmenbedingung wird ein autochthoner Sommertag (wolkenloser Himmel, nur sehr schwach überlagernder Wind) angenommen. Bei dem Szenario der nahen Zukunft mit hohen Emissionen (RCP 8.5) wird als Starttemperatur eine Lufttemperatur von 25,8 °C und eine Wassertemperatur von 23 °C angenommen unter Berücksichtigung der Stadtentwicklung mit Stadtentwicklungsflächen. Weiterführende Informationen und eine detaillierte Beschreibung der Methodik finden Sie in folgenden Berichten: 1. Stadtklimaanalyse Bremen - Teil A - Ergebnisse und Planungshinweise 2. Stadtklimaanalyse Bremen - Teil B - Fachliche Grundlagen und Analysemethodik
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 444 |
| Europa | 1 |
| Kommune | 1 |
| Land | 28 |
| Wissenschaft | 217 |
| Zivilgesellschaft | 16 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 436 |
| Text | 8 |
| unbekannt | 11 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 4 |
| Offen | 451 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 425 |
| Englisch | 69 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 2 |
| Datei | 6 |
| Dokument | 9 |
| Keine | 248 |
| Webdienst | 1 |
| Webseite | 202 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 277 |
| Lebewesen und Lebensräume | 312 |
| Luft | 294 |
| Mensch und Umwelt | 455 |
| Wasser | 275 |
| Weitere | 449 |