Stadtklima: Wärmeinsel verstehen und beurteilen

Das Wetter beschreibt den aktuellen Zustand der Luft an einem Ort, etwa Temperatur und Wind. Das Klima beschreibt typische Wetterverhältnisse über viele Jahre. Zum Stadtklima gehören Besonderheiten der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Luftbewegung in einer Stadt. Luftfeuchtigkeit beschreibt, wie viel unsichtbarer Wasserdampf in der Luft enthalten ist. Verschiedene Stadtviertel können unterschiedliche Verhältnisse haben.

Das Umland ist die Umgebung außerhalb der Stadt. Eine städtische Wärmeinsel bezeichnet einen Temperaturunterschied: Die Luft in der Stadt ist wärmer als die gleichzeitig betrachtete Luft im Umland. Für den hier behandelten Vergleich wird die Lufttemperatur in zwei Metern Höhe über dem Boden betrachtet. Der Begriff sagt für sich genommen nichts über einen Unterschied bei Feuchtigkeit oder Wind aus.

Temperaturunterschiede werden häufig in Kelvin, abgekürzt K, angegeben. Ein Temperaturunterschied von 1 K ist genauso groß wie ein Unterschied von 1 °C. °C bedeutet Grad Celsius. Kelvin und Grad Celsius haben bei Temperaturunterschieden denselben Zahlenwert; für einzelne Temperaturangaben gilt das nicht.

Eine Wärmeinsel ist häufig nachts stärker ausgeprägt. Baustoffe sind Materialien, aus denen zum Beispiel Gebäude und Straßen hergestellt werden. Nach einem sonnigen Tag geben aufgeheizte Baustoffe gespeicherte Wärme langsam ab. Bewachsene Flächen im Umland können schneller abkühlen. Dabei können beide Orte kühler werden und ihr Temperaturabstand trotzdem wachsen. Steigen dagegen beide Temperaturen um denselben Betrag, bleibt ihr Abstand gleich. Dennoch kann die höhere Temperatur die Belastung durch Hitze erhöhen. Die Fachseiten der Stadt Stuttgart erklären diese Vorgänge. Das Umweltbundesamt ist eine deutsche Fachbehörde für Umweltfragen. Nach seinen hier bereitgestellten Fachangaben auf dem Stand von 2023 lässt sich noch nicht beurteilen, ob der Klimawandel den Wärmeinseleffekt bereits verstärkt.

Versiegelung bedeutet, dass der Boden etwa durch Asphalt oder Gebäude abgedeckt ist. Regenwasser kann dort kaum in den Boden eindringen und fließt häufig ab. Dadurch steht meist weniger gespeichertes Wasser für die Verdunstung bereit als auf bewachsenem Boden.

Bei der Verdunstung wird flüssiges Wasser zu unsichtbarem Wasserdampf. Dafür wird Wärme benötigt, die der Umgebung entzogen wird. Feuchte Oberflächen können sich deshalb weniger stark erwärmen oder abkühlen. Auch an Pflanzenblättern verdunstet Wasser. Diese Kühlung braucht verfügbares Wasser. Abfließendes Wasser ersetzt die Kühlung durch Verdunstung nicht.

Sonnenstrahlung umfasst sichtbares Sonnenlicht und unsichtbare Anteile. Sie kann Oberflächen erwärmen. Oberflächen werfen einen Teil der Sonnenstrahlung zurück und nehmen einen Teil auf. Das Zurückwerfen heißt Reflexion. Asphalt wirft häufig wenig Sonnenstrahlung zurück. Aufgenommene Strahlung kann Baustoffe erwärmen. Viele Baustoffe speichern Wärme und geben sie später langsam ab. Baustoffe senden unsichtbare Strahlung aus und geben dadurch Wärme an die Umgebung ab. Diese Art der Wärmeabgabe heißt Wärmestrahlung. Zurückgeworfene Sonnenstrahlung ist etwas anderes als gespeicherte Wärme: Nachts wird keine tagsüber aufgenommene Sonnenstrahlung nachträglich reflektiert.

Die Bebauung eines Gebiets besteht aus seinen Gebäuden. Gebäude können die Luftbewegung bremsen. Durchlüftung bedeutet, dass Luft ein Gebiet durchströmen und ausgetauscht werden kann. Bei schwacher Durchlüftung wird gespeicherte Wärme schlechter abtransportiert. Auch kühlere Luft aus der Umgebung gelangt schlechter hinein. In engen Straßen und Höfen verdecken Gebäude zudem Teile des freien Himmels. Dadurch kann nachts weniger Wärme durch Wärmestrahlung zum freien Himmel abgegeben werden. Wie stark diese Vorgänge wirken, hängt unter anderem von Baustoffen, Bebauung, Wasser, Bewölkung und Wind ab.

Vergleiche die Lufttemperatur einer Messstelle in der Stadt mit der einer Messstelle im Umland zum selben Zeitpunkt. Eine Messstelle ist ein Ort, an dem Messgeräte Werte erfassen. Für jeden Zeitpunkt rechnest du: Temperatur in der Stadt minus Temperatur im Umland. Ein positiver Unterschied bedeutet, dass die Stadtluft wärmer ist. Suche anschließend den größten Unterschied unter den vorliegenden Zeitpunkten. Das Maximum ist der größte Wert einer Auswahl.

Die Tabelle enthält eigens erfundene Übungswerte für ein Wohnviertel und sein Umland, keine Beobachtungen. Angenommen wird, dass beide Lufttemperaturen jeweils gleichzeitig in zwei Metern Höhe bestimmt wurden. Um 19 Uhr beträgt der Unterschied 2 K, um 22 Uhr 4 K und um 1 Uhr am folgenden Tag 3 K. Der größte erfasste Unterschied beträgt damit 4 K. Er ist kein gesicherter Tageshöchstwert: Zwischen den drei Zeitpunkten könnten größere Unterschiede aufgetreten sein. Eine solche kleine Auswahl heißt Stichprobe. Sie belegt auch keinen Klimatrend, also keine langfristige Veränderung des Klimas in eine bestimmte Richtung.

Für einen möglichst genauen Tageshöchstwert brauchst du viele gleichzeitige Messungen in kurzen Zeitabständen. Das bereitgestellte Datenblatt des Umweltbundesamtes verwendet dafür Werte im Abstand von zehn Minuten. Die tiefste Temperatur der Stadt und die tiefste Temperatur des Umlands können zu verschiedenen Zeiten auftreten. Ihre Differenz ersetzt deshalb nicht den größten gleichzeitig gemessenen Unterschied. Im beschriebenen Methodenvergleich unterschätzte die Verwendung dieser getrennten Tiefstwerte die Stärke der Wärmeinsel.

Auch der Standort zählt. Einzelne Messstellen stehen nicht für sämtliche Stadtviertel oder das ganze Umland. Wird eine Messstelle an einen besser durchlüfteten Ort verlegt, kann sich der gemessene Abstand ändern, ohne dass sich die gesamte Stadt entsprechend verändert hat. Eine Umlandmessstelle kann selbst noch von Wärme aus der Stadt beeinflusst sein. Fehlende Messwerte bedeuten, dass eine Aussage fehlt; sie bedeuten keinen nachgewiesenen Tag ohne Wärmeinsel.

Die bereitgestellten Fachangaben des Umweltbundesamtes sind auf dem Stand von 2023. Sie lassen wichtige Fragen offen. Als Auswertungszeitraum wird teils Mai bis September, teils Juni bis August genannt. Diese Zeiträume darfst du nicht gleichsetzen. Temperaturunterschiede werden unterschiedlich fein in Gruppen eingeteilt. Für die genannten Berliner Höchstwerte ist der zeitliche und methodische Bezug nicht vollständig geklärt. Auch Nummern und Namen der Messstellen sind nicht durchgehend eindeutig. Aus diesen Angaben darfst du deshalb weder gleichartige Auswertungszeiträume noch eine unveränderte Messstelle oder einen gesicherten Klimatrend ableiten. Für die Übungswerte dieser Lektion sind Zeitpunkte und Vorgehen ausdrücklich beschrieben.

Eine Anpassungsmaßnahme hilft dabei, mit bestehenden oder erwarteten Belastungen besser umzugehen. Bei städtischer Hitze musst du das Ziel genau benennen: Soll die Luft in einem Gebiet kühler werden oder soll etwa ein schattiger Aufenthaltsort entstehen? Manche Maßnahmen können beide Ziele unterstützen. Schatten an einem Platz belegt für sich genommen aber keine Abnahme der Lufttemperatur im gesamten Stadtgebiet.

Die Fachseiten der Stadt Stuttgart beschreiben sechs mögliche Ansätze. Stark zurückwerfende Oberflächen nehmen weniger Sonnenstrahlung auf. Freie Wege für Luft können den Wärmetransport verbessern. Grünflächen und Bäume können durch Verdunstung kühlen; Bäume spenden zusätzlich Schatten. Weniger dichte oder niedrigere Bebauung kann die Durchlüftung und nächtliche Wärmeabgabe verbessern. Begrünte Dächer und Außenwände können die Erwärmung von Gebäuden verringern. Baulicher Sonnenschutz schafft örtlich Schatten.

Eine begründete Bewertung nennt Ziel, Wirkungsweise, Bedingungen und räumliche Reichweite. Die räumliche Reichweite beschreibt, welches Gebiet eine Wirkung erreicht. Verdunstung braucht verfügbares Wasser. Schatten muss die benötigte Fläche zur passenden Tageszeit erreichen. Luftwege müssen offen bleiben. Wie weit die kühlere Luft einer Grünfläche wirkt, hängt unter anderem von deren Größe und den Verhältnissen vor Ort ab. Auch geringere Gebäudehöhen oder eine lockerere Bebauung garantieren an einem einzelnen Standort keine bestimmte Kühlung.

Vergleiche den erwarteten Nutzen mit diesen Bedingungen. Prüfe anschließend, welche weiteren Angaben für den Ort fehlen. Ohne passende Belege kannst du weder eine genaue Temperaturabsenkung noch Wasserbedarf oder Kosten nennen. Größere Veränderungen der Stadtstruktur brauchen langfristige Planung. Eine örtliche Verbesserung ist trotzdem ein sinnvoll benennbares Ziel.