Städtische Wärmeinsel und Fernerkundung

Die Ausbildung einer städtischen Wärmeinsel oder Hitzeinsel (engl. Urban Heat Island = UHI) beschreibt das Phänomen, dass sich innerhalb von Städten Wärme- und Hitzebelastungen unterschiedlich stark bemerkbar machen und Städte im allgemeinen stärker betroffen sind als das unbebaute Umland. Je mehr Fläche die Städte beanspruchen und je dichter sie bebaut sind, desto größer fällt der Wärmeinseleffekt typischerweise aus.

Die städtische Wärmeinsel erreicht ihr Maximum bei wolkenfreien und windschwachen Wetterbedingungen während der Nacht. Dies ist insbesondere während sommerlicher Hitzeepisoden (Hochdruckwetterlagen) der Fall. Tagsüber sind die Unterschiede in der Lufttemperatur zwischen Stadt und Umland geringer.

Deshalb ist die Anzahl der Heißen Tage nur wenig erhöht, während die Anzahl der Tropennächte in Städten deutlich höher als im Umland ist. Die städtische Wärmeinsel kann in großen Städten und Ballungsgebieten bis zu 10 Kelvin betragen. Die mittlere Wärmeinselintensität (mittleres tägliches Maximum) liegt bei den meisten deutschen Städten zwischen 2 und 4 Kelvin. (DWD)

Nutzung verschiedener Messdaten und -quellen zur Untersuchung des Stadtklimas

Der DWD hat den gesetzlichen Auftrag, verschiedene Messnetze zu betreiben, die nach internationalen Vorgaben den aktuellen Zustand der Atmosphäre erfassen.

In Städten dienen die Stadtklimastationen des Bodenmessnetzes der langfristigen Überwachung des Stadtklimas. Sie werden ergänzt durch luft- und weltraumgestützte Beobachtungen.

Quelle: DWD

Langfristige Beobachtung des Stadtklimas (DWD)

Voraussetzung für eine erfolgreiche Anpassung an die Folgen des Klimawandels in der Stadt sind detaillierte Daten über das vergangene und aktuelle Stadtklima. Solche Daten liefern spezielle städtische Messstationen, die der Deutsche Wetterdienst (DWD) im Rahmen seines umfangreichen Bodenmessnetzes betreibt. Um einen allgemeinen Überblick der stadtklimatischen Situation zu bekommen, ist vor allem der Vergleich mit dem Klima im unbebauten Umland wichtig. Dazu setzt der DWD Stadt-Umland-Stationsmesspaare ein. Als Umlandstationen werden zum Beispiel Flugwetterwarten genutzt.

Die Bodenmessungen werden ergänzt durch luft- und weltraumgestützte Beobachtungen.

Die Messdaten liefern wichtige Informationen als Basis für die Stadt- und Regionalplanung (zum Beispiel zum Klimawandel in Städten), das Gesundheits- und das Bauwesen (zum Beispiel zum Heizenergie- und Kühlbedarf in Städten).

Die mobile Messeinheit

Nicht immer stehen für jede stadtklimatologische Fragestellung passende meteorologische Informationen aus dem DWD Bodenmessnetz bereit. Deshalb bietet die Mobile Messeinheit des DWD zusätzliche Messungen an, mit denen man die mikroskaligen, stadtklimatischen Besonderheiten räumlich besser auflösen kann. Dafür werden temporäre Wetterstationen direkt vor Ort eingesetzt oder Messfahrten durchgeführt, die die Temperatur- und Feuchteverteilung im Untersuchungsgebiet räumlich hochauflösend erfassen. Um zu untersuchen, welchen Einfluss die Stadt auf die Temperatur- und Windverhältnisse der über ihr liegenden Atmosphäre hat, können mithilfe von Radiosonden an Wetterballonen und eines Doppler-LIDAR-Systems vertikale Wind- und Temperaturverhältnisse gemessen werden. Das Lasersystem des LIDAR erfasst Luftbewegungen über den Dopplereffekt.

Satellitendaten

Für die Stadtklimatologie wird der Blick aus dem Weltraum durch spezielle Klimasatelliten immer wichtiger. Dazu zählt die neue Copernicus Satellitengeneration der ESA: Der Satellit Sentinel-3 beispielsweise umkreist in gut 800 km Höhe die Erde in einem Orbit, der über die Pole führt. An Bord hat er unter anderem ein Radiometer, das die Temperatur der Ozeane und Landoberflächen mit einer räumlichen Auflösung von 500 m bis 1 km messen und damit auch unterschiedliche Oberflächentemperaturen in Städten gut abbilden kann. Mithilfe dieser Satellitenmessungen lässt sich zum Beispiel das lokale Klima überwachen. Ferner finden hochauflösende Copernicus Satellitendaten des Landüberwachungsdienstes (CLMS) seit vielen Jahren Eingang in die DWD Klima- und Stadtklimamodellierung, um den Einfluss der Landbedeckung auf das Klima abbilden zu können. (DWD)

Die Temperaturen des folgenden Bildes wurden mit dem Instrument ECOSTRESS der NASA aufgezeichnet, das auf der Internationalen Raumstation (ISS) mitgeführt wird. Das Ecostress-Instrument, das dem Jet Propulsion Laboratory der NASA gehört, ist auch wichtig, weil es zur Entwicklung einer neuen Copernicus Sentinel Expansion Mission beiträgt - der Mission zur Überwachung der Landoberflächentemperatur (LSTM) -, so dass Bilder wie dieses einen Eindruck davon vermitteln, was die neue Mission in der Praxis leisten wird.

Die Mission LSTM verspricht, das Leben der Stadtbewohner zu verbessern, da sich der Klimawandel immer weiter verschärft, und ist damit ein entscheidender Faktor für Stadtplaner. Beide Raumfahrtbehörden, NASA und ESA, arbeiten eng zusammen, um die kommenden hochauflösenden thermischen Erdbeobachtungsmissionen, einschließlich der NASA-Mission für Oberflächenbiologie und -geologie, synergetisch zu nutzen.

Landoberflächentemperaturen in Rom am 17.7.2023 (22:23 Uhr MESZ)

Die Oberflächentemperaturen rund um Rom, Italien, wurden am 17. Juli 2023 um 22:23 Uhr MESZ aus dem Weltraum gemessen. Die Oberflächentemperatur erreichte in einigen Teilen der Stadt 35°C. Die Temperaturen wurden vom NASA-Instrument Ecostress an Bord der Internationalen Raumstation aufgezeichnet.

Deutlich sichtbar sind die heißen Oberflächen - vor allem in der Nähe des Flughafens Ciampino, der hellrot erscheint. Ebenso ist die kühlende Wirkung der Vegetation, insbesondere in der Nähe des Via-Appia-Parks, auf dem Bild zu erkennen.

Quelle: ESA

Derzeit gibt es zwar schon Copernicus Sentinel-3, der Landoberflächentemperaturen liefert, aber LSTM wird Landoberflächentemperaturen mit höherer Auflösung für die Stadtplanung liefern - und, was wichtig ist, er wird diese operationellen Datenprodukte auch nachts liefern, wenn die städtischen Wärmeinseln am schlimmsten sind.

Radardaten

Neben Hitzewellen sind Starkniederschläge eine weitere potenzielle Gefahrenquelle für die Einwohnerinnen und Einwohner und die Infrastruktur von Städten. Genaue Daten für eine niederschlagsbasierte stadtklimatologische Auswertung liefert der Radarverbund des DWD. Für die Berechnung von Niederschlagsmengen müssen die gemessenen Radarechos mit lokalen Niederschlagsmessungen der Bodenstationen abgeglichen werden. Dies leistet RADOLAN, ein operationelles Verfahren für Radar-Online-Aneichung. Vor allem kleinräumige, konvektive Niederschlagsereignisse werden so besser erfasst. Bei konvektiven Vorgängen steigt (im Vergleich zur Umgebung) wärmere Luft auf. Seitlich davon sinkt als Ausgleich kühlere Luft ab, sodass ein Zirkulationsmuster entsteht (zum Beispiel ein Gewitter).

Diagramm zum Wärmeinseleffekt

Die Oberflächentemperaturen schwanken tagsüber stärker als die atmosphärischen Lufttemperaturen, sind aber nachts im Allgemeinen ähnlich. Die Schwankungen der Oberflächentemperaturen im Teichgebiet zeigen, dass das Wasser Tag und Nacht eine nahezu konstante Temperatur behält, da es die Sonnenenergie nicht auf die gleiche Weise absorbiert wie Gebäude und befestigte Flächen.

Parks, Freiflächen und Gewässer können kühlere Bereiche in einer Stadt schaffen. An den Rändern der Vorstädte und auf dem Land sind die Temperaturen in der Regel niedriger als in den Innenstädten.

Quelle: EPA

Weitere Informationen:

Urban heat island (Wikipedia engl.)
What are heat islands? (EPA)
Measuring Heat Islands (EPA)
Satellites and Sensors Used in Analyzing Urban Heat Islands (NASA Arset)
Einsatz von Satelliten zur Analyse des Stadtklimas (Warnsignal Klima 2019)
Hitzetage – aus dem Weltall gesehen (Ralph Straumann, EBP Informatik)
Stadtklima im Wandel (promet 106, 2023)
Urbane Hotspots - Bildungsressourcenpaket (ESA)
OBSERVER: How CLMS data helps us design more liveable cities (ESA)