<
>
Download

Bakkalaureatsarbeit
Physik

Karl-Franzens-Universität Graz - KFU

1, Prof. Foelsche, 2013

Michael S. ©
8.00

1.56 Mb
sternsternsternsternstern
ID# 41307







Bakkalaureatsarbeit 8. Semester SS 2013

im Rahmen der Lehrveranstaltung 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 entsprechend voneinander. So weist z.B. die Station Graz-Mariatrost, aufgrund ihrer Seitentalbeckenlage, deutlich kühlere Jahresmitteltemperaturen als die urbane Station Graz-Universität auf.

Gegen Ende werden, im Rahmen einer Schlussfolgerung, die Ergebnisse ein letztes Mal interpretiert. Zu guter Letzt wird versucht, mit einem Ausblick, den Verlauf des Klimas in naher Zukunft abzuschätzen. Dabei rechnet man mit einem Klimaverhalten, der dem Trendverlauf der letzten dreißig Jahre sehr ähnelt.

Abstract – Urban climate


Every city has its own climatic character which is addicted to the anthropogenic, the natural and the urban climatic impact factor. Each city also has a special urban atmosphere, which consists of several atmospheric layers.

The city Graz has some climatic characteristics because of its location in the south-eastern Alpine foreland. For example there are local wind systems and the heat island effects during autumn/winter and spring/summer.

The main topic is about the climatic change in Graz in the last thirty years and the comparison of the climatic data between the different stations in and around the city. Over the long period of time the annual mean temperatures have shown an increase, this caused a decline of days with frost and a growth of summer and tropical weather days. Also the number of hazy days became more when at the same time bright days decreased.

Ice days and wind conditions seem to be independent from the climatic changes over the long period.

The weather stations offer different climatic data because of their different locations. For example the station Graz-Mariatrost has significantly colder annual mean temperatures than the station Graz-University because of its location in a side valley.

In the context of the conclusion, the resolutions are interpreted a last time. Last but not least, there is an outlook for the climatic change in the near future. It’s very likely that the climate in the future behaves just like it behaved in the last thirty years.

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. 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, siehe dazu Abbildung 1.

Abbildung 1: Horizontale, vertikale und zeitliche Skalen in der Klimatologie; Quelle: Weischet, Endlicher (2008)

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.

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. 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).

  • 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 der Entfernung zum Meer ab.

    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.

    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).

    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 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.

    • 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 Murtalauswind (z.B. am Reinerkogel).

    • 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. Ãœber die Hauptstraßen werden diese Winde kanalisiert und ihre Geschwindigkeit auf bis zu 2 m/s erhöht.

  • 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 Ãœberwärmung 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.

  • 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.


    | | | | |
    Tausche dein Hausarbeiten

    G 2 - Cached Page: Thursday 28th of March 2024 04:12:10 PM