Die Wirkung von Vegetation in randstädtischen Luftleitbahnen : Studien zur Kaltluft in der Stadt Aachen

• The effect of vegetation on suburban ventilation paths : studies on cold air drainage in the city of Aachen

Sachsen, Timo Gerhard; Schneider, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013, 2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

In einer zweijährigen Messkampagne wurden von Februar 2009 bis Februar 2011 die Eigenschaften der nächtlichen Kaltluftdynamik in zwei stadtnahen Bachtälern Aachens untersucht. Dabei war die Klärung der folgenden Fragestellungen Ziel der Untersuchung:1. Welche Eigenschaften und Besonderheiten haben die Aachener Bachtäler hinsichtlich der darin abfließenden Kaltluft?2. Welche Einflüsse haben Vegetationsbestände - v.a. Baumbestände - auf den Kaltluftabfluss?3. Lassen sich diese Einflüsse mit Hilfe einer Modellierung nachvollziehen und werden diese korrekt abgebildet?Die Datenerhebung in den Bachtälern erfolgte an 4 Wetterstationen. Eine Station zeigte den Kaltluftabfluss ohne den unmittelbaren Einfluss von Vegetation. Die weiteren Stationen waren im Vegetationsbestand platziert, eine davon im Lee einer Hecke, zwei im Lee einer Gruppe von ca. 10 m bis 15 m hohen Schwarzerlen. Ein Teil der Hecke und ein Bestand von Schwarzerlen wurde zur Hälfte der Messperiode entnommen, so dass zwei Vergleichsdatensätze gewonnen werden konnten. Zusätzlich wurde die Datenaufzeichnung der Wetterstationen von mobilen Messungen begleitet. So fanden ergänzend Fesselballonsondierungen, Luftqualitätsmessungen und Talquerprofilmessungen statt, um ein möglichst detailliertes Bild des Kaltluftabflusses zu zeichnen. Bei der Datenauswertung erfolgte eine Auswertung hinsichtlich der jährlichen und jahreszeitlichen Veränderungen des Kaltluftabflusses mit Bezug zur Talvegetation. Als Basis der Modellierung mit dem numerischen Kaltluftabflussmodell KLAM_21 des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden die Kernbereiche der Bachtäler einer detaillierten Vegetationskartierung unterzogen. Die Ergebnisse der Modellierung und der Datenaufzeichnung wurden verglichen und so die Eingabedaten des Modells kalibriert. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen deutliche Einflüsse der Vegetation auf den Kaltluftabfluss, die je nach Klimaelement und Standort sehr unterschiedlich ausfallen. Hinsichtlich der Fließgeschwindigkeit der Kaltluft findet durch dichte Vegetationsbestände eine Reduktion dieser statt. So zeigen sich unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten je nach Durchmesser der Vegetation und in Abhängigkeit von deren Dichte. Durch die gezielte Entnahme von Vegetation sind Steigerungen der Fließgeschwindigkeit zu erreichen, die in ihrer Struktur den Düseneffekten des synoptischen Windes nahe kommen. Zudem konnte eine starke jahreszeitliche Veränderung der Fließgeschwindigkeit belegt werden. Die Fließrichtung der Kaltluft wird ebenfalls durch die Talvegetation beeinflusst. So konnten am gleichen Standort unterschiedliche Windrichtungen in Abhängigkeit von der Messhöhe aufgezeichnet werden. Zudem zeigen sich bei großflächigen, dichten Beständen durch den Stau der Kaltluft Umlenkungseffekte, bis hin zum Überströmen von Talschultern. Die Vegetation nimmt im Wesentlichen durch Verschattung Einfluss auf die Oberflächen- und Bodentemperaturen und damit auch in Folge auf die Lufttemperatur. In der Konsequenz verändern sich damit Kaltluftproduktionsraten. Die mengenmäßige Reduktion der abfließenden Kaltluft wurde sowohl rechnerisch, auf Basis von mobilen Messungen, als auch modellhaft erfasst. Untersuchungen der Luftqualität zeigten, dass diese in Bezug auf Kaltluft differenziert zu betrachten ist. Durch den Eintrag von kalter Luft, lässt sich das Temperaturniveau in der Stadt positiv beeinflussen, im Falle von unbelasteter Luft lässt sich die Schadstoffkonzentration senken. Im Falle der untersuchten Bachtäler konnten erhöhte Konzentrationen partikulärer Schadstoffe in der Kaltluft nachgewiesen werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit der Wald- und Wiesenvegetation entstammen. In Bezug auf den Untersuchungsstandort, zeigt sich eine große Auftrittshäufigkeit nächtlicher Kaltluftabflüsse. Dabei charakterisiert sich die Kaltluft durch konstante Mächtigkeiten. Große Mengen Kaltluft werden entlang der Luftleitbahn in die Stadt transportiert. Zudem wurde eine Messmethodik entwickelt, bei der mit Hilfe des Öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) die räumliche Verteilung der Kaltluft, ebenfalls mit Reichweiten bis in die Innenstadt aufgezeichnet wurde. Kleinräumig betrachtet konnte der Nachweis erbracht werden, dass auch bei dichtester Talvegetation, diese von der Kaltluft durchflossen wird. Um deutliche Unterschiede der Abflussmengen zu erreichen, bedarf es größerer Eingriffe, die u.U. durch einen Zugewinn an Abflussmenge nicht gerechtfertigt werden können. Durch die Modellkalibrierung und die Einbringung hoch aufgelöster Flächennutzungsdaten konnte eine hohe Übereinstimmung zwischen den Modellergebnissen aus KLAM_21 und den empirisch gemessenen Daten erreicht werden, so dass eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Talbereiche möglich ist. Die empirischen und modellierten Ergebnisse wurden in Kombination mit bekannten Sachverhalten in eine theoretische Systematik eingeordnet, die zeigt, wie sich die abfließende Kaltluft in Bezug auf Hindernisse verhält.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Physische Geographie und Klimatologie [551520]