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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 Windverhältnisse zu sein.

Aufgrund der unterschiedlichen Lage der Stationen, unterscheiden sich deren Klimadaten ent.....[read full text]

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It’s very likely that the climate in the future behaves just like it behaved in the last thirty years.

Inhaltsverzeichnis




Abbildungsverzeichnis


Tabellenverzeichnis



  1. Einleitung


    1. Problemstellung

      In dieser Arbeit fällt der Schwerpunkt auf das Stadtklima in Graz.

      Wobei neben einer Einführung in das Thema Stadtklima, auch Wert auf den Vergleich der Klimastationen innerhalb der Stadt und im Umland gelegt wird. Zielführend ist es dabei folgende Forschungsfragen zu beantworten:

      • 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 verst.....

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Das klimatische System einer Stadt kann als Produkt interner und externer Wechselbeziehungen gesehen werden (Helbig und Baumüller, 1999):

  • Interne Wechselwirkungen: Es herrscht ein Wirkungsgefüge zwischen der atmosphärischen Grenzschicht (vertikale Erstreckung von 0,5 bis 2 km), den Gebäuden und dem Baumaterial.

    Hauptverantwortlich für dieses Szenario ist vor allem der Mensch mit seiner speziellen Form der Flächennutzung. Durch Baugröße, Baudichte, Baukörperstruktur, Bepflanzung oder Bewässerung einer Stadt entsteht die klimabeeinflussende Struktur einer Stadt. Das kann zu einer Veränderung des bestehenden Lokalklimas führen. Vor allem die Besiedelung spielt mit ihrer Dichte und räumlichen Ausdehnung eine große Rolle.

    Hinzu kommen noch die Auswirkungen von Hausbrand, Gewerbe, Industrie, Verkehr und Kraftwerken. Aufgrund dieser Emittenten herrscht eine höhere Konzentration von Luftschadstoffen (wie SO2, NO2, NOX, CO2) in der Stadt. Dadurch kommt es zur erhöhten Absorption, Gegenstrahlung und Reflexion von der vom Boden abgegebenen langwelligen Strahlung (Wellenlänge von 4-100 µm), was auch als Glashauseffekt bekannt ist.

    Ebenso geben diese Schadstoffemittenten Abwärme an die Umgebung ab.

  • 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.

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    Für das Klima eines Ortes ist schlussendlich auch noch die topographische Lage wichtig.

    So sind die Klimaverhältnisse im Flachland anders als in einer Beckenlandschaft im Mittelgebirge. Das Flachland kann beispielsweise eine günstige Durchlüftung aufgrund hoher Windgeschwindigkeiten aufweisen. Ebenso kann man von einer erhöhten Sonnenscheindauer sprechen, da es aufgrund mangelnder Reliefüberhöhung zu kaum einer Abschirmung der Strahlung kommt.

    In Tälern und Beckenlagen treten in der Regel verringerte Windgeschwindigkeiten auf, jedoch ist hier die Entstehung von Lokalwindsystemen typisch. Durch die abgeschwächten Windverhältnisse kommt es häufig zum Auftreten von Nebel, lokaler Kaltluft, erhöhter Frostgefahr, größeren Tages- und Jahresschwankungen und stärkerer lufthygienischen Belastung.

    Abgesehen von diesen internen und externen Wechselbeziehungen gibt es noch stadtklimarelevante Elemente, die das individuelle Klima einer Stadt beeinflussen:

    • Ausprägung einer Wärmeinsel als Folge des veränderten Wärmeumsatzes und der Produktion von Abwärme

    • Vermehrte sommerliche Wärmebelastung unter anderem aufgrund verringerter nächtlicher Abkühlung

    • Lokalwinde (Flur-, Hang-, Seitental-, Murtalwinde)

    • Inversionen (Bodeninversion, Höheninversion)

    • Verringerter Luftaustausch und schlechtere Durchlüftung

    • Höhere Nebelbereitschaft aufgrund vermehrter Kondensationskerne

    • Geringere Luftqualität

    • Bildung einer Dunsthaube als Folge vermehrter Abgaben von Luftbeimengungen über besiedeltem Gebiet

    • Veränderte Niederschlagswirkung

    • Verringerte Zahl der Tage mit Schneedecke

          1. Die Stadtatmosphäre

            Folgende Aussagen stützen sich auf Helbig und Baumüller (1999) und Kuttler (2004 b). Über eine Stadt ist die Atmosphäre anders aufgebaut als über dem Umland (siehe dazu Abbildung 2).

    Die Einteilung erfolgt zuerst in eine Stadthindernisschicht (ucl, urban canopy layer), die vom Boden bis zum mittleren Dachniveau reicht. Diese geht in eine Übergangschicht (transitional layer) über in die eigentliche Stadtgrenzschicht (ubl, urban boundary layer). 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, .....

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    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 vertikaler Erstreckung.

    Innerhalb des Stadtgebietes nimmt die Temperatur von den kalten Seitentälern im Osten (z.B. Mariatrost), über das mäßig kalte Grazer Feld, das dichtverbaute Stadtgebiet und den niederen bis zu den höheren Riedelrücken zu. Insbesondere hohe Riedelrücken weisen ein sehr wintermildes und ausgeglichenes Klima auf, während die Seitentäler neben tiefen Wintertemperaturen auch noch große Tagesschwankungen besitzen.


        1. Die Lokalwindsysteme

          Die folgenden Ausführungen stützen sich auf Lazar (1994) und Bendix (2004).

          Lokale Windsysteme treten sowohl in der Nacht als auch unterm Tag auf.

          Während im Norden und Osten die talabwärts gerichteten Richtungen (Nordwest bis Nordost) dominieren, kommen im Süden von Graz vor allem taleinwärts gerichtete Windrichtungen (Süd bis Südost) vor. Generell muss man zwischen den Windsystemen in der Nacht und am Tag unterscheiden, welche in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt werden.

          Die nächtlichen Windsysteme:

          • Hangabwinde: Der Vorgang beruht auf den Kaltluftabfluss, der bei negativer Strahlungsbilanz vor Sonnenuntergang einsetzt.

    Sie erreichen ihre stärkste Ausprägung bei 0,5-2 m/s. Wobei bewaldete Hänge höhere Temperaturen aufweisen als vergleichbare Hänge mit Wiesen (Temperaturdifferenz von 2-4 Kelvin). Dieses Phänomen ist auf die Eigenschaft von Bäumen zurückzuführen, gebildete Kaltluft von der Baumkrone in den Stamm abzuführen. In der zweiten Nachthälfte werden diese Hangabwinde durch Talabwinde unterdrückt, das betrifft vor allem den Einflussbereich des Murtalauswindes.

    In den Gebieten um den Plabutsch und den Buchkogel sind die Temperaturen der Hangabwinde aufgrund kurzer, steiler und bewaldeter Hänge nicht sehr tief. Im Osten sind entweder die Hanglängen zu kurz (z.B. in Messendorfberg) oder es geschieht eine Unterdrückung durch den Murtalauswi.....

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    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 Windverhältnisse am Tag:

    • Hangaufwinde: Die Erwärmung an den besonnten Hängen lösen Hangaufwinde aus, daraufhin folgen die Taleinwinde etwa zwei bis drei Stunden nach Sonnenaufgang. Im Laufe des Tages (speziell am Nachmittag) werden die Hangaufwinde von den immer stärker werdenden Taleinwinden (3-5 m/s) unterdrückt.

    • Taleinwinde: Nach einer Phase des Windrichtungswechsels setzt der Taleinwind ein.

      Diesmal ist der Luftdruck im Vorland höher als im Tal, sodass ein Talaufwind bzw. Taleinwind entsteht. Dieser Wind hat eine südwestliche Richtung, im Laufe des Nachmittags kommt der so genannte Antirandgebirgswind aus dem Südosten hinzu von dem er überlagert wird. Der Murtaleinwind erreicht sein Maximum erst nach Stunden (im Gegensatz zum Murtalauswind), wobei er noch ein bis zwei Stunden nach den Sonnenuntergang andauern kann, auch wenn in den Seitentäler bereits der Kaltluftabfluss erfolgt.

    Dies gilt aber nur für die Sommerzeit (Mitte März bis Oktober), im Herbst und im Winter haben die Taleinwinde aufgrund der geringeren Sonneinstrahlung eine schwächere Ausprägung. Die Geschwindigkeiten reichen von 0,5-2 m/s mit erhöhtem Kalmenanteil, im Gegensatz zum Sommer kommt es zu keinem ausgeprägten Maximum und sie dauern nur selten auch nach dem Sonnenuntergang an.

    Ebenso fehlt der Antirandgebirgswind im Winter praktisch völlig. Aufgrund der geringen Einstrahlung lösen sich die Nebel tagsüber nicht mehr auf (Umbildung in freie Inversionen) und deshalb ist die Mächtigkeit der Taleinwinde sehr häufig von der Mischungsschichthöhe der fr.....

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