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Bachelor thesis
Physics

University, School

Karl-Franzens-Universität Graz - KFU

Grade, Teacher, Year

1, Prof. Foelsche, 2013

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Text by Donald S. ©
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Bakkalaureatsarbeit 8. Semester SS 2013

im Rahmen der Lehrveranstaltung Matrikelnummer: 0910327

Einführung Meteorologie und Klimaphysik

Stadtklima

Bakkalaureatsarbeit

Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz

Begutachter: Univ.-Prof. Ulrich Foelsche

2013

Vorwort


Auf das Thema Stadtklima aufmerksam wurde ich aufgrund meines persönliches Interesses für das Klima und der ständigen Aktualität dieser Problemstellung in der heutigen Zeit. Nicht unwesentlich für meine Auswahl war außerdem meine Studienrichtung USW-Geographie, da ich mich in mehreren Lehrveranstaltungen immer wieder mit diesem Thema auseinandersetzen durfte, sei es im Rahmen einer Vorlesung oder eines Seminars.

Mein Interesse für das Klima zeigte sich auch darin, dass ich USW-Physik als gebundenes Wahlfach ausgewählt habe. Denn dieses Gebiet zeigte sich als hervorragende Ergänzung zu USW-Geographie, da viele Phänomene unseres Klimas nur mit physikalischen Grundsätzen und Gesetzen erklärbar sind. Das ist gleichzeitig auch der Grund warum ich meine zweite Bachelorarbeit im Bereich USW-Physik verfassen wollte. In diesem Sinne möchte ich mich bei Professor Ulrich Foelsche dafür bedanken, dass er sich sofort bereit erklärt hat, meine Bachelorarbeit zu betreuen und mir in der Klärung von Fragen und Unklarheiten im Zusammenhang mit dieser Arbeit zur Verfügung stand.

Zusammenfassung


Jede Stadt hat eine individuelle klimatische Prägung die abhängig von den Komponenten des anthropogenen, des natürlichen und des stadtklimatischen Wirkungsfaktors ist. Über so einer Stadt entsteht, aufgrund veränderter Bedingungen, eine ganz spezielle Stadtatmosphäre welche wiederum aus mehreren Schichten aufgebaut ist.

Die Stadt Graz hat aufgrund ihrer Lage im südöstlichen Alpenvorland einige klimatische Besonderheiten. Dazu gehören, neben den Lokalwindsystemen, die Wärmeinseleffekte im Herbst/Winter und im Frühling/Sommer.

Das zentrale Thema setzt sich aus dem Verlauf des Klimas in Graz in den letzten 30 Jahren sowie dem Vergleich der Klimadaten zwischen den ausgewählten Stationen in und um dieser Stadt zusammen. Über den langjährigen Zeitraum hinweg nahmen die Jahresmitteltemperaturen zu, das führte zu einer Abnahme der Frosttage und einer Zunahme von Sommer- und Tropentagen.

Auch erhöhte sich damit die Anzahl der Tage mit starker Bedeckung des Himmels, gleichzeitig wurden wolkenarme Tage aber immer weniger. Unabhängig vom Verlauf der Temperaturen scheinen, neben den Eistagen, auch die W.....[read full text]

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  • Was versteht man unter Stadtklima?

  • Welche klimatischen Besonderheiten kann die Stadt Graz aufweisen?

  • Wie hat sich dort das Klima im Verlauf der letzten 30 Jahre verändert?

  • Wie unterscheiden sich die Klimadaten der verschiedenen Stationen in und um Graz?

  • Wie wird sich das Stadtklima in Zukunft entwickeln?

      1. Methodik

        Um die oben gestellten Forschungsfragen beantworten zu können, führte ich Literatur- und Internetrecherchen bei entsprechenden Quellen durch. Die recherchierten Inhalte stammen aus dem Internet, Büchern und wissenschaftlichen Arbeiten. Daten bekam ich von den Mitarbeitern der ZAMG und der Umweltmesstechnik. Diese habe ich weiterverarbeitet und schließlich für die selbst entworfenen Diagramme verwendet.

        Als Stationen standen mir Graz-Andritz, Graz-Mariatrost, Graz-Universität, Graz-Messendorfberg und Graz-Thalerhof zur Verfügung. Nicht jede dieser Stationen konnte über den gesamten Zeitraum von 1981 bis 2010 konstant Daten liefern. Deshalb weisen die Diagramme bei bestimmten Stationen, wie jene in Mariatrost oder Messendorfberg, über gewisse Zeiträume Lücken auf.

        Um das Klima im Raum Graz anschaulich zu gestalten wurde auf Karten zurückgegriffen, die aus Büchern stammen. Auch eine Tabelle wurde von mit selbst entworfen, hier konnte mir das Buch „Stadtklima und Luftreinhaltung“ die notwendige Hintergrundinformation liefern.

          1. Was versteht man unter Stadtklima?

                1. Definition und Einteilung

Lange Zeit gab es keine klare Definition für den Begriff Stadtklima, im Jahre 1981 legte die Weltorganisation für Meteorologie folgende Definition fest (Helbig und Baumüller, 1999): „Das Stadtklima ist das durch die Wechselwirkung mit der Bebauung und deren Auswirkungen (einschließlich Abwärme und Emission von luftverunreinigenden Stoffen) modifizierte Klima“.

Eine weitere Definition ist durch Baumüller et al. (1998) gegeben: „Während das Klima in der freien Landschaft weitgehend von natürlichen Gegebenheiten abhängig ist, bildet sich in Stadtlandschaften ein durch Bauwerke beeinflusstes Klima aus, das Stadtklima. Man versteht heute unter dem Begriff Stadtklima aber auch die Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft durch anthropogene Einflüsse (Luftschadgase und Aerosole).“ Das Klima einer Stadt bewegt sich im mikro- bis mesoskaligen Bereich, .....

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  • Externe Wechselbeziehungen: Damit sind vor allem die äußerlichen Wechselwirkungen durch natürliche Wirkungsfaktoren wie geographische Breite, Art des Untergrundes, Seehöhe und Art der Landschaft (Flachland, Becken-, Tal-, Hang-, Kuppen- und Gipfellage) gemeint.

    Da Sonnenhöhe und Strahlungsintensität von der geographischen Breite stark abhängen, ist sie ein ausschlaggebender Faktor für die Wärmeverhältnisse auf der Erdoberfläche. Im Bezug auf kleine Regionen wie Österreich macht sich das jedoch kaum bemerkbar, in größeren Regionen mit ausgedehnter Nord-Süd-Erstreckung ist der Einfluss der geographischen Breite auf das Klima jedoch deutlich nachweisbar.

    Der Wärmeumsatz der einfallenden Sonnenstrahlung an der festen Erdoberfläche wird von Bodenart und -bedeckung (z.B. Wiese, Schnee, Fels) beeinflusst. Die Oberfläche absorbiert oder reflektiert die einfallende Sonneneinstrahlung. Dabei sind die physikalischen Eigenschaften des Bodens von Bedeutung wie z.B. die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Albedo (Reflexionsvermögen).

    Die Oberflächenbeschaffenheit und die damit einhergehende Rauigkeit wirken sich vor allem auf die bodennahe Luftschicht aus. Hier kommt es zur vertikalen Zunahme der Windgeschwindigkeit, was bedeutend für die Luftzirkulation ist.

  • Mit zunehmender Seehöhe verändern sich die Klimaelemente, in der Regel nehmen mit der Höhe die Temperatur ab (trockenadiabatisch um 1 Kelvin, feuchtadiabatisch um 0,6 Kelvin je 100m) und der Niederschlag zu. Doch gibt es auch Ausnahmen, so kann durch Inversionen die Temperatur mit der Höhe bis zu einem gewissen Bereich (der Inversionsobergrenze) zunehmen. Des Weiteren kommt es ab einer gewissen Seehöhe wieder zu einer Abnahme des Niederschlags.

    Die Niederschlagsverteilung wird unter anderem auch durch Stausituationen am Relief gesteuert. Regenbringende Luftmassen kommen meist aus westlicher Richtung, darum haben die im Lee liegenden Ostseiten häufiger föhnartige Wettererscheinungen mit niedrigeren Niederschlagshöhen. Von Bedeutung ist auch die Lage zum Meer, so ist der maritime Einfluss in Küstennähe noch am stärksten und führt zu ausgeglichenen Temperaturverhältnissen.

    Dieser Einfluss nimmt jedoch auf dem Festland mit de.....

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    Die Obergrenze dieser Stadtgrenzschicht liegt dort, wo der Einfluss der Stadtoberfläche verschwindet. Die Stadtgrenzschicht kann eine vertikale Erstreckung von wenigen 100 Metern in der Nacht und bis zu über 1 Kilometer am Tag aufweisen. Diese Schicht beginnt an der luvseitigen Begrenzung der Stadt aufgrund einer Veränderung des Untergrundes, die Mächtigkeit nimmt zuerst schnell und dann immer langsamer in der Strömungsrichtung zu.

    An der leeseitigen Stadtgrenze kommt es, aufgrund erneuter Veränderung der Oberflächeneigenschaften, zu einer Ausbildung einer Grenzschicht des Umlandes (rbl, rural boundary layer). Oberhalb dieser existiert die Stadtgrenzschicht als urban plume weiter, erst nach längerem Strömungsweg (1-2*106 km leewärts) unterscheidet sich diese aufgrund vertikaler Luftdurchmischung nicht mehr von der umgebenden atmosphärischen Grenzschicht.


    Abbildung 2: Aufbau der Atmosphäre über einer Stadt; Quelle: Oke (1978) zitiert nach Helbig, A. und Baumüller, J. (1999)

      1. Klimatische Besonderheiten der Stadt Graz

        Die folgenden Ausführungen stützen sich im Wesentlichen auf Lazar (1994). Da sich die Stadt Graz im südöstlichen Alpenvorland befindet, kann man von einem Abschirmungseffekt durch die Alpen sprechen. Das hat eine Abschwächung atlantischer Einflüsse (aus dem Sektor West bis Nord) vor allem im Winterhalbjahr zur Folge. Im Vergleich zu Städten nördlich des Alpenhauptkammes herrscht ein kontinentaler Jahresgang mit einem Winterminimum und einem Sommermaximum im Niederschlag.

    Diese abgeschirmte Lage führt allerdings auch zu einer Windarmut mit erhöhter Inversionsgefährdung im Winterhalbjahr, im Sommer kommt es aufgrund der stärkeren Durchlüftung zu einer besseren Ausbreitung der Schadstoffe und damit zu günstigeren lufthygienischen Verhältnissen. Die asymmetrische Beckenlage von Graz führt dazu, dass die Windverhältnisse durch Lokalwindsysteme bestimmt werden.

    Diese Lokalwindsysteme haben einen starken Einfluss auf die Witterung (z.B. Nebelbildung) im Stadtgebiet. Im Bereich des engeren Stadtzentrums kommt es aufgrund der Wechselwirkungen von geländebedingten Gegebenheiten zu stadtklimatischen Phänomenen, wie den Wärmeinseleffekt. Diese Verzahnung von stadt- und geländeklimatischen Merkmalen führt zu starken Temperaturgegensätzen sowohl in horizontaler als auch in v.....

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  • Seitentalauswinde: Sie beginnen mit einer Verzögerung nach den Hangabwinden und erreichen eine Geschwindigkeit von 0,5-2 m/s. Die Seitentäler münden in ein durch den Baukörper der Stadt überwärmtes Haupttal, dadurch ergeben sich beachtliche Temperaturdifferenzen. Über die Hauptstraßen werden diese Winde kanalisiert und ihre Geschwindigkeit auf bis zu 2 m/s erhöht.

    Jedoch schrumpft die Mächtigkeit im Haupttalbereich durch den Einfluss des Murtalauswindes. Wegen der kaum vorhandenen Seitentalzuflüsse ist die Durchlüftung im Westen gegenüber den Osten stark benachteiligt.

  • Murtalauswind: Da im Tal der Luftdruck aufgrund der Kaltluftakkumulation höher ist als im Vorland, folgt ein Talabwind bzw. Talauswind mit einer nordwestlichen Richtung. Dieser Murtalauswind hat vor allem für die Schadstoffausbreitung eine hohe Bedeutung. Er beginnt stark verzögert nach den Seitentalauswinden (2 bis 3 Stunden nach Sonnenuntergang) und erreicht Geschwindigkeiten von 3-8 m/s .Große Bereiche des Westens werden vom Murtalauswind (aufgrund des Plabutsch) nicht mehr erfasst.

    Eine Talverengung im Norden von Graz (Raach) führt zu einem Düseneffekt (Überströmung wärmerer Luft von oben) und einer damit verbundenen sekundären Wärmeinsel (primäre Wärmeinsel ist im Stadtzentrum) im Bereich Gösting im Herbst/Winter. Im Riedelland im Osten gleitet dieser Wind auf die deutlich kälteren Seitentalauswinde auf, selbst auf den Riedelrücken ist er noch deutlich nachweisbar.

  • Flurwinde: Diese zur Stadt gerichteten Winde entstehen durch die nächtliche Überwärmung der Stadt gegenüber den Umland und den daraus entstehenden Druckgradienten. Auch sie haben für die Schadstoffausbreitung eine relativ hohe Bedeutung. Im Süden erreichen sie Geschwindigkeiten von 0,5-1 m/s die zeitweise von Windstillen (Kalmen) unterbrochen werden. Somit erfolgt mit ihnen ein Schadstofftransport Richtung Stadtzentrum.

    Nicht selten transportieren sie auch Talnebel aus dem Süden in das Stadtzentrum hinein. Flurwinde treten bevorzugt in der zweiten Nachthälfte auf, auch wenn sie schon einige Stunden nach Sonnenuntergang in Erscheinung treten können. Im Sommer tritt dieser Wind, zumindest tagsüber, nicht auf.

    Die .....

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        1. Der Wärmeinseleffekt


    Folgender Absatz bezieht sich im Wesentlichen auf Helbig und Baumüller (1999). Im Jahresmittel haben Städte um 0,5-1,5 Kelvin höhere Temperaturen wie das sie umgebende Umland. Häuser, Straßen und versiegelte Flächen haben eine höhere Wärmespeicherkapazität als die nicht dicht bebauten Gebiete des Umlandes. Die Wärmekapazität, C = m*c (m = Masse, c = spezifische Wärme), beschreibt die Eigenschaft von Beton, Stein und Asphalt, Wärme länger zu speichern als das freie Land.

    Das führt dazu, dass unterm Tag die Erwärmung zwar langsamer erfolgt als im Umland, dafür in der Nacht diese Wärme auch wieder weniger schnell abgegeben wird. Somit treten die maximalen Differenzen zwischen Stadt und Umland in der zweiten Nachthälfte im Winter bei sternenklarem Himmel auf.

    Aufgrund der Bebauung ergibt sich eine dreidimensionale Struktur und damit eine Oberflächenvergrößerung, dadurch gelangt deutlich mehr Energie in den Untergrund als im weniger dicht bebauten Gelände (Kuttler, 2004). Die Anwesenheit einer Schneedecke verstärkt zusätzlich noch die Albedounterschiede zwischen Stadt und Land (siehe dazu Tabelle 1), da die Reflektivität im Umland auf ca. 0,75-0,9 ansteigt und in der Stadt nur die horizontalen Ebenen eine Albedoveränderung erfahren (Helbig und Baumüller, 1999).

    Durch die geringere Schneedeckendauer in Städten sind diese veränderten Albedowerte noch dazu nicht so sehr von Dauer wie im weniger dicht bebauten Umland.

    Tabelle 1: Albedowerte von Stadt- und natürlichen Oberflächen;

    Quelle: Eigenentwurf nach Helbig und Baumüller (1999)

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