Klimaanalyse 2022

Lesehilfe anhand eines Beispielgebiets

Nachfolgend werden anhand eines etwa 5 km x 3 km großen Beispielraums im Bezirk Charlottenburg-Wilmersdorf die modellierten Klimaparameter sowie die daraus abgeleitete Klimaanalysekarte (04.10.7) erläutert (vgl. SenStadt 2022). Der Text ergänzt damit die Inhalte des Kapitels Kartenbeschreibung.

Der ausgewählte Beispielraum weist eine große Bandbreite der in Berlin vorhandenen Nutzungstypologien auf und ist daher besonders für eine vertiefende Darstellung der stadtklimatischen Zusammenhänge geeignet. Es erstreckt sich vom Grunewaldsee im Südwesten bis zum Hohenzollernplatz im Nordosten und wird durch den diagonalen Verlauf der Autobahn A 100 geprägt (vgl. Abbildung 7). Rasterzellen, die Gebäude repräsentieren, sind in Schwarz dargestellt.

Abb. 7: Ausdehnung und Nutzungsstruktur im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Vorbemerkung

Die Ergebnisse der Klimasimulation werden auf zwei Ebenen bereitgestellt. Die Rasterdaten repräsentieren die modellierten Parameter auf Ebene der Modelleingangsdaten, wobei die klimatische Wirkung der verschiedenen Nutzungsstrukturen (z.B. Versiegelung, Rasen oder Bäume) explizit sichtbar wird. So zeichnet sich am Tag ein Baumbestand durch den Schattenwurf mit einer vergleichsweisen niedrigen Äquivalenttemperatur gegenüber dem Umfeld aus.

Qualifizierende Aussagen zur bioklimatischen Bedeutung oder Bewertung bestimmter Areale können sich aber nicht auf einzelne Rasterzellen beziehen. Hierfür muss eine Zonierung des Untersuchungsraumes in strukturell ähnliche Flächeneinheiten erfolgen. Diese sollten in der Realität nachvollziehbar und beispielsweise administrativ oder nutzungstypisch abgrenzbar sein. Dies wird durch die Berechnung von Mittelwerten der einzelnen Parameter für die Flächen des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU5) als Basisgeometrien ermöglicht. Dies bedeutet, dass alle innerhalb einer Fläche vorhandenen Rasterzellenwerte zu einem einzelnen Mittelwert berechnet wurden. Während einerseits ein hoher Anteil an Grünelementen so zu einem geringen Temperaturwert führt, trägt ein hoher Versiegelungsgrad andererseits zu einem hohen Mittelwert bei. Somit repräsentiert der Flächenmittelwert die Gesamtheit der klimatisch wirksamen Strukturen innerhalb der Fläche.

Karte 04.10.1 Bodennahes Windfeld und Kaltluftvolumenstromdichte

Da sich das kleinskalige Windfeld in dem ausgewählten Ausschnitt aufgrund der hohen räumlichen Auflösung von 10 m x 10 m nicht sinnvoll abbilden lässt, erfolgt die Darstellung des Kaltluftströmungsfelds am Beispiel des rasterbasierten Kaltluftvolumenstroms (vgl. Abbildung 8).

Der Kaltluftvolumenstrom weist auf großer Fläche ein hohes bis sehr hohes Werteniveau auf und reicht weit in die östlich umgebende Bebauung, was auf die intensive Kaltluftentstehung im Bereich des Grunewaldes zurückzuführen ist. Begünstigt wird dies zudem durch Kaltluftabflüsse, welche bei Hangneigungen von mehr als 1° über dem östlichen Grunewald auftreten.

Abb. 8: Kaltluftvolumenstrom um 04:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Dabei werden vor allem die angrenzenden stark durchgrünten Siedlungsflächen von einem sehr hohen Volumenstrom begünstigt. Aufgrund ihres geringen Anteils an den Kaltluftstrom abbremsenden Strukturen und ihrer eigenen Kaltluftproduktion können diese Areale bereits aus sich heraus als positiv klimarelevant angesehen werden. Nach Osten hin weist der Volumenstrom bis zur A 100 noch einen hohen Wert auf und sinkt darüber hinaus auf ein mäßiges Niveau ab. Dies liegt in der allmählich ansteigenden Bebauungsdichte und dem höheren Temperaturniveau begründet, welche den Kaltluftvolumenstrom abschwächen. Östlich der Brandenburgischen Straße geht er lokal auf einen geringen Wert zurück.

Im Kartenbild fallen weiterhin Oberflächenstrukturen auf, welche die Kaltluft weit in die Bebauung eindringen lassen. Dabei handelt es sich um gering überbaute, vegetationsgeprägte Flächen. Im Norden des dargestellten Ausschnittes tritt dahingehend die Grünachse Dianasee-Koenigssee-Halensee im Zusammenhang mit den angrenzenden Gleisanlagen als Kaltluftleitbahn mit einem sehr hohen Kaltluftvolumenstrom hervor. Südlich ist der Grünverbund Sommerbad Wilmersdorf-Friedhof Wilmersdorf/Fennsee als Luftaustauschbereich erkennbar. Der hohe bis sehr hohe Volumenstrom setzt sich über die Uhlandstraße hinaus bis in den Volkspark Wilmersdorf fort und verdeutlicht die Leitbahnpotenzial solcher Grünstrukturen.

Karte 04.10.2 Bodennahe Lufttemperatur

Das für 04.00 Uhr in der Nacht simulierte Temperaturfeld umfasst zwischen Minimalwerten von 14,2°C und Maximalwerten von 21,8°C eine Spannweite von etwa 8 Kelvin (K) (vgl. Abbildung 9). Entsprechend der baustrukturellen Ausprägung nimmt das Temperaturniveau ausgehend vom Grunewald in Richtung City West allmählich zu. Die niedrigste Lufttemperatur ist mit 14,2°C nördlich des Grunewaldsees über der Rasenfläche des Hundekehlefenn festzustellen. Als weiteres herausragendes Kaltluftgebiet – auch aufgrund seiner Größe – heben sich innerhalb der Bebauungsbereiche die Kleingartenareale südlich der Forckenbeckstraße hervor. Hinsichtlich ihres Abkühlungsverhaltes etwas schwächer ausgeprägt liegen die Werte im Friedhof Wilmersdorf zwischen 14,9°C und 16,6°C; über den kleineren Grünflächen ist die nächtliche Abkühlung je nach Flächengröße weniger stark ausgeprägt.

Abb. 9: Bodennahe Lufttemperatur um 04:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Innerhalb der bebauten Bereiche ist die Temperaturausprägung entsprechend der Verteilung von Bau- und Grünvolumen räumlich differenziert. Während größere begrünte Blockinnenhöfe vergleichsweise niedrige Lufttemperaturen von 16,5 °C bis 18 °C aufweisen können, liegen diese in (vollständig) versiegelten Höfen ähnlicher Größe sowie breiten Straßenräumen um bis zu 1,5 Kelvin (K) höher. Die durchgrünten Siedlungsflächen weisen Werte zwischen 15 °C und 18 °C auf. Über den größeren Gewässerflächen sind mit 21,8 °C die höchsten Lufttemperaturen anzutreffen.

Karte 04.10.8 Oberflächentemperatur

Die Ausprägung der Oberflächentemperatur wird vor allem über die Farbgebung sowie die Beschaffenheit der jeweiligen Nutzungsstruktur beeinflusst. Während eine helle Oberfläche verhältnismäßig viel Sonnenstrahlung reflektiert, wird auf einer dunkleren Oberfläche mehr Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt. Je nach Materialbeschaffenheit wird diese Wärme aufgenommen und in den Nachtstunden wieder an die darüber lagernde Luftmasse abgegeben. Eine versiegelte Oberfläche oder Beton speichert beispielsweise mehr Wärme als ein trockener Sandboden. Somit wird vor allem die Temperatur der darüber lagernden Luftmasse sowohl am Tag als auch in der Nacht beeinflusst.

Abb. 10: Oberflächentemperatur um 14:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

In dem in Abbildung 10 dargestellten Vertiefungsraum treten zur simulierten Mittagsstunde um 14:00 Uhr an einem strahlungsreichen Sommertag Werte von weniger als 30 °C in den baumgeprägten Nutzungen auf. Daher sind die vergleichsweise niedrigen Temperaturen flächendeckend im Grunewald anzutreffen, während dies in den Siedlungsarealen an vorhandene Baumbestände gekoppelt ist. Somit sind in den an den Grunewald angrenzenden durchgrünten Siedlungen tendenziell niedrigere Werte anzutreffen als in der stärker versiegelten und weniger durchgrünten Bebauung östlich der A 100. Sowohl hier als auch in den breiten Straßenräumen kann die Oberflächentemperatur in nicht beschatteten Bereichen auf über 35 °C ansteigen. Durch Straßenbäume etwa kann dieses Werteniveau lokal unterbrochen werden. Dahingehend zeichnen sich der Kurfürstendamm am oberen Bildrand sowie der diagonal durch das Gebiet verlaufende Hohenzollerndamm ab. Auffällig ist, dass auch die Rasenbereiche innerhalb von Grünflächen aufgrund fehlender Abschattung hohe Oberflächentemperaturen aufweisen, die nur geringfügig unter denen versiegelter Flächen liegen.

Karte 04.10.4 Nächtliche Abkühlung

Die nächtliche Abkühlung pro Raster zwischen 22:00 und 04:00 Uhr in einer strahlungsreichen Sommernacht zeigt Abbildung 11. Die Abkühlung der verschiedenen nicht gebäudebestandenen Oberflächenstrukturen geht mit ihren jeweiligen thermischen Eigenschaften wie dem Wärmestrom einher. Dieser beeinflusst, wie viel Energie am Tag von einer Oberfläche aufgenommen und im Material gespeichert bzw. in den Nachtstunden wieder an die bodennahe Atmosphäre abgegeben wird.

Abb. 11: Nächtliche Abkühlungsrate zwischen 22:00 und 04:00 Uhr in einer strahlungsreichen Sommernacht im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West im Bezirk Charlottenburg-Wilmersdorf

Aufgrund ihrer intensiven nächtlichen Abkühlung weisen die größeren durch Rasen geprägten Flächenanteile generell die stärkste Abkühlung auf. Die Abnahme der Temperatur beträgt hier -0,6 bis -0,8 K pro Stunde. Im betrachteten Ausschnitt Forst Grunewald-City West sind dies vor allem der Hundekehlefenn, die Brachfläche im Bereich der Gleisanlage an der A115 sowie die südliche Kleingartenanlage Friedrichshall (hellblau). Mit Rasen bestandene Areale lassen mit -0,4 bis -0,6 K eine mäßige Abkühlung erkennen. Eine geringere Abkühlung von -0,2 bis -0,4 K weisen die Straßenräume, versiegelten Oberflächen sowie die mit Bäumen überspannten Flächenanteile auf (orange). Während an den Baumstandorten und Waldflächen das Kronendach die Wärmeabstrahlung der Bodenoberfläche reduziert, führt bei den versiegelten Flächenanteilen der hohe Bodenwärmestrom zu einer entsprechenden verringerten Abkühlung. Einhergehend mit der wärmespeichernden Eigenschaft des Wassers ist über Gewässerflächen mit weniger als -0,2 K pro Stunde die geringste nächtliche Abkühlung zu beobachten (hellrot).

Karte 04.10.5 Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET)

Zur Beurteilung der Wärmebelastung am Tag wird in der Planungshinweiskarte Stadtklima (Karte 04.11.1) die Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) herangezogen, welche auf dem Wärmeaustausch des Menschen mit seiner Umgebung beruht (Höppe 1984). Dabei spielen die strahlungsbezogenen Energieflüssen eine zentrale Rolle, so dass die räumliche Verteilung der PET eng mit der Ausprägung der Strahlungstemperatur verknüpft ist.

Unter dem Schatten spendenden Kronendach des Grunewaldes tritt verbreitet eine PET von weniger als 29 °C auf, was mit einem leicht warmen thermischen Empfinden und mit einer leichten Wärmebelastung einhergeht. (vgl. Abbildung 12). Dieses Niveau liegt auch über den größeren Gewässerflächen vor, wobei im Uferbereich eine Zunahme der bodennahen Windgeschwindigkeit zu einer saumhaften Abnahme der PET bis auf Minima von 20,1 °C führt (türkis). Im der PET zugrunde liegenden Wärmehaushaltsmodell des Menschen führt eine höhere Windgeschwindigkeit zu einer stärkeren Verdunstung über die Haut und damit zu einer geringeren empfundenen Temperatur. Ein etwas höheres Temperaturniveau setzt sich, abhängig von Baumbestand, auch in den angrenzenden durchgrünten Siedlungsflächen weiter fort, wobei hier bei einer als „warm“ empfundenen Situation eine vorwiegend moderate Wärmebelastung vorliegt. Daher weisen diese Siedlungstypologien während sommerlicher Wetterlagen mit potenzieller Wärmebelastung über die Nachtsituation hinaus auch am Tag günstige bioklimatische Bedingungen auf.

Abb. 12: Bewertungsindex PET (Physiologisch Äquivalente Temperatur) um 14:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

In den übrigen Stadtstrukturen sind Werte von mehr als 35 °C anzutreffen, welche über den größeren stark besonnten Flächenanteilen bis auf 42 °C ansteigen können. Dahingehend treten der Verlauf der A 100, größere ebenerdig versiegelte Bereiche sowie Sportplätze hervor, die frei besonnt sind. In den Straßenräumen ist unter Bäumen die PET um bis zu 10 K niedriger, so dass diese hier die Aufenthaltsqualität deutlich verbessern und das Gehen oder Radfahren im Schatten angenehmer gestalten. Die durch Rasen geprägten Anteile von Grün- und Freiflächen weisen dagegen ähnlich hohe Werte wie ein Großteil des Straßenraums auf. Die Spanne der in den dargestellten Ausschnitt auftretenden Temperaturen beträgt somit etwa 21 K. Zur Einordnung der Werte des PET hinsichtlich des thermischen Empfindens und der physiologischen Belastung vgl. Tabelle 4.

Karte 04.10.9 Universeller Thermischer Klimaindex (UTCI)

Der UTCI und die PET basieren beide auf einem Wärmehaushaltsmodell des Menschen und berücksichtigen ähnliche Einflussfaktoren wie solare Einstrahlung, Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit. Beide Indizes ordnen Absolutwerte physiologischen Belastungsstufen zu. Der UTCI wurde entwickelt, um unter verschiedenen klimatischen Bedingungen Aussagen zu treffen, während die PET sich stärker auf die direkten Auswirkungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf das menschliche Wohlbefinden konzentriert.
Den UTCI im Bereich City West zeigt Abbildung 13, wobei der UTCI in den unverschatteten Straßenräumen verbreitet zwischen 35 °C und 38 °C beträgt. In stark besonnten Blockinnenhöfen sind bis zu 40 °C anzutreffen. In diesem Umfeld kann eine durch die Bebauung herabgesetzte Windgeschwindigkeit zu einem Anstieg des UTCI und damit der Wärmebelastung führen. Niedrige Werte von 25 °C bis 26 °C sind, analog zur PET, in den größeren Baumbeständen zu beobachten.

Abb. 13: Bewertungsindex UTCI (Universal Thermal Climate Index) um 14:00 an einem strahlungsreichen Sommertag im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Karte 04.10.7 Klimaanalysekarte

Die Klimaanalysekarte stellt das Hauptergebnis des Analyseteils dar und beruht auf den zuvor beschriebenen meteorologischen Parametern. Aus der Abgrenzung von Produktions- und Wirkräumen sowie ihren verbindenden Strukturen ergibt sich ein komplexes Bild vom Prozesssystem der Luftaustauschströmungen des Gefüges an bebauten und begrünten Flächen.

Die Grün- und Freiflächen werden in der Klimaanalysekarte als klimatische Ausgleichsräume dargestellt, wobei im betrachteten Beispielraum aufgrund des intensiven Luftaustausches ein Großteil davon auch einen klimaökologisch wirksamen Kaltluftvolumenstrom aufweist. Lediglich die kleineren Grünflächen östlich der Brandenburgischen Straße fallen aus dieser Bewertung, da die Höhe des Kaltluftstroms hier aufgrund der Flächengröße eher unterdurchschnittlich ist (vgl. Abbildung 14).

Abb. 14: Aussagen der zusammenfassenden Klimaanalysekarte im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Ein Großteil der Siedlungsflächen liegt daher im Einwirkbereich dieser Kaltluftentstehungsgebiete, welche sich über die A 100 hinaus etwa bis in Höhe der Brandenburgischen Straße fortsetzen. Zudem sind die durchgrünten Siedlungsflächen als bebaute Gebiete mit klimarelevanter Funktion ausgewiesen. Der nächtliche Wärmeinseleffekt ist hier mit bis zu 1 K schwach ausgeprägt, teilweise liegt die mittlere Lufttemperatur der Blockflächen um 04:00 Uhr auch unter dem Durchschnittswert von 17,5 °C aller untersuchten Siedlungsflächen im Stadtgebiet. Der Wärmeinseleffekt nimmt in Richtung Mitte insgesamt zu, wobei östlich der A 100 ein mäßiger Wärmeinseleffekt dominiert. Am Kurfürstendamm treten einzelne Baublöcke und Straßenräume dann auch mit einer starken Überwärmung bis 3 K hervor.

Der Luftaustausch am östlichen Grunewald wird vor allem durch Kaltluftabflüsse geprägt, welche bei Hangneigungen von mehr als 1° auftreten können. Zudem ist der Bereich nördlich des Halensees zwischen den S-Bahnhöfen Grunewald und Charlottenburg als Kaltluftleitbahn einzuordnen. Die lufthygienische Situation ist durch den Verlauf mehrerer stark befahrener Hauptstraßen gekennzeichnet. Dahingehend weisen vor allem Kurfürstendamm und Hohenzollerndamm eine erhöhte lufthygienische Belastung auf. Westlich der A 100 liegt dagegen meist eine geringe bis mäßige Belastung durch die verkehrsbezogenen Schadstoffe Feinstaub (PM10) und Stickstoffdioxid (NO2) vor (detaillierte Informationen bietet die Umweltatlaskarte 03.11 2018).

Einzelne Blockflächen weisen ein Potenzial für Windfeldveränderungen auf. Dabei handelt es sich beispielsweise um Großsiedlungen wie die Autobahnüberbauung Schlangenbader Straße oder die Kerngebietsnutzung im Bereich Kurfürstendamm.

Eine Bewertung der in der Klimaanalysekarte dargestellten Funktionen aus planerischer Sicht (Schutzwürdigkeit / thermische Gunst- bzw. Ungunstsituation) erfolgt in der Planungshinweiskarte Stadtklima. Sie stellt die planerische Inwertsetzung der erzeugten Modelldaten sowie der daraus abgeleiteten Klimaanalysekarte dar und ist die zentrale Informationsbasis für Abwägungs- und Entscheidungsprozesses aus stadtklimatischer Sicht. Den entsprechenden Ausschnitt zum Beispielraum zeigt Abbildung 15.

Abb. 15: Aussagen der Hauptkarte zur Planungshinweiskarte Stadtklima im Übergangsbereich Forst Grunewald – City West in Charlottenburg-Wilmersdorf

Die Beurteilung der thermischen Bedingungen der Siedlungsflächen beruht auf der Kombination von nächtlicher Lufttemperatur und Physiologisch Äquivalenter Temperatur (PET) am Tag. Daher sind in den durchgrünten Siedlungstypen westlich der A 100 sehr günstige bis günstige Bedingungen anzutreffen. Mit nach Osten hin zunehmendem Überbauungs- und Versiegelungsgrad nimmt auch die Wärmebelastung insgesamt zu. Bioklimatisch ungünstige Bedingungen sind vor allem im Umfeld von Kurfürstendamm, Hohenzollerndamm und Brandenburgischer Straße anzutreffen.

Die thermische Situation im Straßenraum basiert auf einer Bewertung der PET, sie wird an sommerlichen Strahlungstagen im Wesentlichen durch den Grad der Besonnung negativ bzw. die Schattenwirkung durch Gebäude bzw. Bäume positiv bestimmt. Dahingehend sind einige Abschnitte von Kurfürstendamm und Hohenzollerndamm als günstig bis sehr günstig einzuordnen. Dem stehen die am Tag intensiv besonnten Straßenräume gegenüber, welche eine weniger günstige bzw. ungünstige Aufenthaltsqualität aufweisen.

Die Ausgleichfunktion gegenüber dem Siedlungsbereich der Grün- und Freiflächen ist im Beispielraum fast flächendeckend als hoch bis sehr hoch anzusehen, was in der der räumlichen Nähe zu bioklimatisch belasteten Siedlungsflächen einerseits und der intensiven nächtlichen kühlenden Einwirkung auf die bebauten Bereiche andererseits begründet liegt. Zudem wird der Kaltluftleitbahnbereich in Höhe Halensee flächenhaft als Leitbahnkorridor abgegrenzt.