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Stadtklimaüberwachung für smarte Städte

20.05.2021 17:47:17 - Geschrieben von: Dr. Sebastian Schlögl


Bereits im 19. Jahrhundert erkannte man, dass die Luftqualität in ländlichen Gebieten viel besser war als in städtischen Gebieten. Heutzutage müssen sich Städte weltweit mit Herausforderungen wie Luftverschmutzung, extremen Lufttemperaturen und starken Niederschlägen auseinandersetzen. In Zukunft werden diese Probleme aufgrund des Klimawandels noch weiter zunehmen. Dies wird zu einem unbekannten Ausmaß an wirtschaftlichen Schäden führen und das Leben und die Gesundheit der Bevölkerung in den Städten gefährden.



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Man sollte die Städte auf dem Lande bauen, da ist die Luft besser."
Henry Monnier (1799 - 1877)


 

Der Klimawandel ist real

Hitzewellen töten in weiten Teilen der Welt derzeit mehr Menschen als jede andere Naturgefahr und es lässt sich eine starke Tendenz zur Verstärkung dieses Phänomens beobachten. Die Schweizer Zeitschrift NZZ veröffentlichte im September 2020 einen Artikel, in dem es hieß, dass Zürich ursprünglich nicht für die mediterrane Klimazone gebaut wurde, in der es heute liegt. Sie schätzt, dass allein in Zürich der Rückgang der Arbeitsproduktivität aufgrund der Hitzewellen im Sommer 2019 einen wirtschaftlichen Schaden von fast 500 Millionen Euro verursacht hat. Das ist mehr als zehnmal so viel wie der durch die Grippe verursachte wirtschaftliche Schaden. Es zeigt die Bedeutung und Dringlichkeit einer Verbesserung des lokalen Stadtklimas durch nachhaltige Strategien zur Eindämmung des Klimawandels.

Das Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue

Das neue Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue bietet Städten eine kostengünstige Infrastruktur, um das Stadtklima in Echtzeit präzise zu messen, vorherzusagen und zu modellieren. Damit lässt sich eine zuverlässige Informationsbasis für Stadtplaner, Entscheidungsträger und Bürger schaffen. Das System wurde in der Schweiz über zwei Jahre getestet und soll 2021 in Zusammenarbeit mit Universitäten und weiteren Partnerstädten rasch weiterentwickelt werden.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Stadtklimasysteme aufgebaut, die sich meist entweder auf ein Messnetz mit hochwertigen Messgeräten oder auf hochauflösende numerische Modellierung konzentrieren. Das neu entwickelte System von meteoblue kombiniert beide Ansätze, welche Präzision, Daten in Echtzeit und Kosteneffizienz bietet.

Anstelle eines teuren Messnetzes mit einer geringen Anzahl von Messstationen in der Stadt, verwendet das meteoblue System eine große Anzahl kostengünstiger Sensoren. Dadurch können Messungen an vielen verschiedenen Orten durchgeführt werden, wie etwa in Straßenschluchten, sowie in Gebieten, in denen qualitativ hochwertige Messungen aufgrund technischer Einschränkungen (z.B. die Bereitstellung eines elektrischen Anschlusses) nicht möglich sind. Meteorologische Messungen in beispielsweise Straßenschluchten haben den Vorteil, dass genau dort gemessen werden kann, wo sich Menschen in der Regel aufhalten und wo die Lufttemperaturen am höchsten sind. Moderne Techniken der Datenübertragung (LoRaWan und NB-IoT) ermöglichen einen Wechsel von der älteren GSM-Datenübertragung zu einer modernen, energieeffizienten und kostengünstigen Methode.

Das System bietet mehrere Anwendungsmöglichkeiten:

  • Updates in Echtzeit sowie Vorhersagen für interessierte Benutzer aus der Bevölkerung. Diese können unmittelbar nach der Systemimplementierung initiiert und über Websites, mobile Apps oder andere Schnittstellen zum Kunden bereitgestellt werden.
  • Historische Daten für Entscheidungsträger (z.B. Verantwortliche für Verkehr, Parkanlagen, Schulen, Senioreneinrichtungen und andere), basierend auf historischen Zeitreihen, kleinskaliger Simulationen oder Jahresvergleichen.
  • Klimasimulationen für Stadtplaner, die für gegenwärtige und zukünftige Szenarien sowie verschiedenen Anpassungsstrategien auf kalibrierten Modellen basieren.

Die vier Phasen des Stadtklima-Überwachungssystems:

  1. In der ersten Phase des Projekts wird durch die Installation des Messnetzes eine genaue Analyse der Stadtklimasituation erstellt. Dies dauert etwa ein Jahr und kann die Planungsszenarien beinhalten.
  2. Im zweiten Jahr werden die ersten Strategien zur Eindämmung des Klimawandels auf der Grundlage von Stadtklimasimulationen entwickelt, und gegebenenfalls können die ersten Maßnahmen durchgeführt werden.
  3. In der dritten Phase werden die umgesetzten Strategien zur Eindämmung des Klimawandels mit dem meteoblue Echtzeit-Messnetz validiert (drittes bis viertes Jahr) und gegebenenfalls angepasst.
  4. Das Messnetz wird dann kontinuierlich betrieben, um Präventions-, Eindämmungs- und Anpassungsstrategien und damit verbundene Dienstleistungen weiterzuentwickeln. Die Städte können entweder direkt in Phase drei beginnen (wenn die Strategien zur Eindämmung des Klimawandels bereits entwickelt sind) oder mit der ersten Phase beginnen.

Die Umsetzung der Strategien zur Eindämmung des Klimawandels (z.B. Aufhellung des Straßenbelages, Dachbegrünung, Bau von Bewässerungssystemen und Springbrunnen, Entsiegelung von Flächen) in den Städten wird kostspielig (in der Größenordnung von mehreren Millionen € pro Stadt) und zeitaufwendig sein, aber notwendig, um die Lebensqualität der Bevölkerung in den Städten über das Jahr 2050 hinaus zu erhalten. Die Überwachung von Auswirkungen der Stadtklimastrategien ist eine zentrale Maßnahme, um die Wirksamkeit der Investitionen zu gewährleisten. Die Kosten für das Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue werden unter 1 ‰ der Kosten für die Eindämmung des Klimawandels liegen. Sie werden daher sehr gut investiert sein, wenn sie die Wirksamkeit der Strategien zur Eindämmung des Klimawandels auch nur um 1% erhöhen.

Strategien zur Eindämmung des Klimawandels für Städte sind ein Bereich, der sich derzeit rasch entwickelt. Das Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue wird dazu beitragen, den Prozess zu beschleunigen und den Entscheidungsträgern in den Städten Ratschläge zu geben, während gleichzeitig Fehlentscheidungen bei potenziell ungeeigneten Klimaschutzstrategien vermieden werden.

Anwendungsbeispiele für Stadtklima

Das meteoblue Stadtklimasystem bietet Hilfsmittel für das Risikomanagement bei Hitzewellen, Dürre- und Überschwemmungswarnungen (insbesondere bei Städten in tropischen Regionen) sowie bei Luftverschmutzung. Für diese Zwecke konzentriert sich das meteoblue Stadtklimasystem auf die drei wichtigsten meteorologischen Variablen: Lufttemperatur, Niederschlag und Windgeschwindigkeit.

Dadurch kann es für verschiedene Bereiche von Nutzen sein, wie z.B. Bauplanung und Bauvorschriften, Verkehr und Straßenunterhalt, Stadtplanung, Versicherungsgesellschaften, Kaufhäuser und andere.

Modularer Aufbau des Stadtklima-Überwachungssystems von meteoblue

Abbildung 1: Modularer Aufbau des Stadtklima-Überwachungssystems von meteoblue.

Installation eines hochauflösenden Messnetzes

In einem ersten Schritt werden in der Stadt und im Umland meteorologische Sensoren installiert (oder, falls bereits ein öffentliches oder Partnernetzwerk besteht, können diese Sensoren genutzt werden). Die Anzahl der meteorologischen Stationen, die zur Abdeckung der kleinräumigen Klimavariabilität innerhalb der Stadt benötigt werden, hängt weitgehend von der Größe und Heterogenität der Stadt sowie vom verfügbaren Übertragungsnetz (GSM, LoRa, NB-IoT, SigFox) ab. Die Platzierung der einzelnen Sensoren innerhalb des Stadtgebietes richtet sich nach der erforderlichen Abdeckung aller lokalen Klimazonen (Messungen in Parks, Straßenschluchten, häufig besuchten Orten usw.) und gewährleistet eine optimale Abdeckung zu möglichst geringen Kosten. Unserer Erfahrung nach lieferten nach einer optimalen Platzierung mehr als 95% der Sensoren kontinuierliche Messungen. Während unserer Messkampagne haben wir im Laufe eines Jahres nur 2% der Sensoren verloren, und weniger als 1% der Sensoren wurden zerstört. Die Gefahr von Vandalismus ist also recht gering.

Die eingesetzten, kostengünstigen Messgeräte werden in Echtzeit mit hochwertigen meteorologischen Standardmessungen validiert, um die bestmögliche Qualität des Messnetzes sicherzustellen. Nach der Datenübertragung werden die Messungen mit dem Datenmanagement-Tool von meteoblue kontrolliert, Lücken gefüllt und homogenisiert, um kontinuierliche, kohärente und fehlerfreie Daten zu gewährleisten.

Ergebnisse eines hochauflösenden Messnetzes

Mehr als 300 kostengünstige Temperatur- und Niederschlagssensoren wurden in den Schweizer Städten Basel und Zürich (siehe Abbildung 2) in den Jahren 2019 und 2020 installiert. Sie zeigten Unterschiede von bis zu 8 °C innerhalb der Städte und bis zu 80 mm/Tag Niederschlag innerhalb weniger Kilometer an.

Wissenschaftliche Studien bestätigen, dass die Lufttemperaturen in der Stadt im Durchschnitt 3 °C höher sind als in den umliegenden ländlichen Gebieten, was als "städtische Wärmeinsel" bezeichnet wird. Das Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue bestätigt diese städtischen Wärmeinseleffekte in Basel und Zürich in einer horizontalen Auflösung von 10 Meter und zeigt, dass die größten Lufttemperaturunterschiede zwischen städtischen und ländlichen Gebieten nach Sonnenuntergang auftreten. Der Grund dafür ist die Energie des Sonnenlichts, die tagsüber in Gebäuden und versiegelten Flächen gespeichert wird. Nach Sonnenuntergang wird diese Energie in Form von Wärme freigesetzt, was zu höheren Lufttemperaturen in den Städten im Vergleich zu ländlichen Gebieten führt, wo die zusätzliche Freisetzung von Energie fehlt.

Sensor und Messnetz in Basel

Abbildung 2: Sensor am Bahnhof Basel (links). Messnetz in Basel (Mitte) und Zürich (rechts).


Durch hochauflösende Modellierung wird das Wetter an jede Haustür gebracht

Das Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue nutzt Messungen, Satellitenbilder und künstliche Intelligenz, um Lufttemperaturen, Niederschlag und Windgeschwindigkeit für jeweils 100 m2 präzise zu modellieren. So wird das Wetter bis vor jede Haustür gebracht. Kunden können das Stadtklima-Überwachungssystem verwenden, um Lufttemperatur-, Niederschlags- oder Windgeschwindigkeitsdaten für einzelne Orte (z.B. Wohnadresse, Arbeitsadresse usw.), bestimmte Bereiche oder für die gesamte Stadt (Stadtplan) zu visualisieren. Meteorologische Daten stehen sowohl für Echtzeit als auch für historische Analysen zur Verfügung. Zusätzlich bietet meteoblue eine stadtspezifische Vorhersage für die Lufttemperatur für die folgenden 6 Tage.

Das Stadtklimasystem bietet verschiedene Schnittstellen mit dem Kunden, wie z.B. Datenübertragung über API oder FTP-Server. Zusätzlich sind Dutzende von anderen meteorologischen Variablen und Anwendungen kostenlos auf der meteoblue Website und der App verfügbar.

Der aktuelle Modellfehler für Lufttemperatur (für die Gitterinterpolation) liegt für 60 - 80 % des Stadtgebietes unter 1°C (Abbildung 3) und variiert leicht je nach Heterogenität der Stadt. Daher ist der Lufttemperaturfehler in Den Haag kleiner als z.B. in Madrid. Diese Fehler sind relativ gering (< 20%) im Vergleich zu den Unterschieden wegen des Wärmeinseleffekts innerhalb der Stadt und ermöglichen daher eine optimale Erfassung und Verfolgung lokaler Veränderungen und Massnahmen.

Sensor und Messnetz in Basel

Abbildung 3: Genauigkeit der Lufttemperatur (mittlerer absoluter Fehler) für zehn verschiedene Städte in Abhängigkeit der Größe des Stadtgebietes.

Die Ungenauigkeiten bei der Messung der Lufttemperatur können innerhalb weniger Meter 0,5 °C überschreiten. Zum Beispiel misst ein Sensor auf der Sonnenseite eines Gebäudes höhere Lufttemperaturen als auf der Schattenseite. Zusätzlich beeinflusst auch die Oberfläche, über der der Sensor installiert wurde, die Messergebnisse. Sensoren, die über Grasflächen angebracht sind, messen insbesondere nachts niedrigere Lufttemperaturen als Sensoren, die über versiegelten Flächen angebracht sind. Die Unterschiede können durch Interpolation auf hochauflösende Gitter im Maßstab von m2 ermittelt werden.

Stetige Weiterentwicklungen der aktuellen Stadtklimamodelle sichern lokale Erkenntnisse und kontinuierliche Verbesserungen.

Wissenschaftliche Entscheidungshilfen für Strategien zur Eindämmung des Klimawandels

Das Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue bietet auch Entscheidungshilfen für Verantwortliche einer Stadt, z.B. Karten von städtischen Wärmeinseln (Abbildung 4) oder Karten von verschiedenen Klimawandel-Szenarien (Abbildung 5). Diese wissenschaftlichen Entscheidungshilfen helfen den Verantwortlichen bei der Entscheidung über geeignete Strategien zur Eindämmung des Klimawandels.

Um ein Fallbeispiel zu nennen: Die Karte der städtischen Wärmeinsel für Zürich zeigt kalte (blau) und warme (rot) Bereiche innerhalb der Stadt. Das Stadtzentrum von Zürich ist im Durchschnitt 3°C wärmer als die umliegenden ländlichen Gebiete. Die Lufttemperaturen in hügeligen Gebieten (z.B. Uetliberg oder Zürichberg) sind deutlich tiefer (gekennzeichnet durch die blauen Farben). Zusätzlich sind Parks und Kaltluftströme aus den angrenzenden Hügeln auf der Karte der städtischen Wärmeinsel leicht erkennbar.

Ausdehnung der städtische Wärmeinsel in Zürich im Sommer 2019

Abbildung 4: Ausdehnung der städtische Wärmeinsel in Zürich im Sommer 2019.

Der Klimawandel ist real, und Wissenschaftler sind sich einig, dass die mittlere globale Lufttemperatur im Laufe des 21. Jahrhunderts deutlich ansteigen wird. Verschiedene repräsentative Konzentrationspfade oder "Emissionsszenarien" schätzen die zukünftigen globalen Lufttemperaturen auf der Grundlage der voraussichtlichen Treibhausgasemissionen sowie anderer Faktoren wie künftige Bevölkerungszahl, Wirtschaftsaktivität usw., die ein breites Spektrum künftiger Entwicklungen umfassen. Abbildung 5 beschreibt die Wahrscheinlichkeit von Hitzetagen (maximale tägliche Lufttemperatur über 30 Grad Celsius) in den Sommermonaten Juni, Juli und August unter Verwendung des pessimistischsten RCP8.5-Emissionsszenarios. Die Wahrscheinlichkeit von Hitzetagen steigt für die Stadt Zürich im Durchschnitt von 5 % (heute) auf 10 % (2035), 20 % (2060) und 30 % (2085).

Wahrscheinlichkeit von Hitzetagen

Abbildung 5: Wahrscheinlichkeit von Hitzetagen zum jetzigen Zeitpunkt, 2035, 2060 und 2085 für das RCP8.5-Szenario.

Basierend auf diesem Szenario kann das Stadtklimamodell ortsabhängige Änderungen der Wahrscheinlichkeit von Hitzetagen in Zürich und Umgebung für je 100 m² berechnen. Diese standortspezifische Analyse ermöglicht es, zwei (oder mehrere) verschiedene Punkte innerhalb der Stadt zu vergleichen. So ist z.B. die Wahrscheinlichkeit von Hitzetagen im Jahr 2085 auf dem Uetliberg (869 m ü.NN) so hoch wie heute im Stadtzentrum von Zürich (408 m ü.NN), was einer Höhenverschiebung der Temperatur von rund 400 m gegen Ende des Jahrhunderts entspricht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lufttemperaturen und die Dauer von Hitzewelle weiter ansteigen werden. Da weiterhin die natürliche klimatische Variabilität zwischen heißeren und kühleren Sommern abwechseln wird, werden anstelle von absoluten Werten Wahrscheinlichkeiten von beispielsweise Hitzetagen berechnet.

Jetzt ist Zeit zu handeln

Die Entscheidungsträger der Städte haben wenig Einfluss auf den kontinuierlichen Trend der steigenden mittleren globalen Lufttemperatur. Die Entscheidung, ob die globalen mittleren Lufttemperaturen am Ende des 21. Jahrhunderts um 2 oder 5°C im Vergleich zur vorindustriellen Zeit ansteigen werden, wird nicht von den Städten getroffen, sondern von den Ländern sowie der Gesellschaft und ihrer Reduzierung der CO2-Emissionen.

Kommunalverwaltungen können jedoch zu einem besseren lokalen Stadtklima beitragen. Städte können den städtischen Wärmeinseleffekt durch geeignete Strategien zur Eindämmung des Klimawandels (Dachbegrünung, Bewässerung, Aufhellung des Straßenbelags) auf der Grundlage einer realistischen Abschätzung verringern. Das Stadtklima-Überwachungssystem legt den Grundstein für eine Anpassung an das zukünftige Klima, in der zweiten Phase können die Anpassungsstrategien bewertet und in der dritten Phase ihre Wirksamkeit validiert werden.

Mit dem Wissen über geeignete Strategien zur Eindämmung des Klimawandels und deren Validierung mit dem Stadtklima-Überwachungssystem von meteoblue gelten intelligente Städte, im Gegensatz zu Städten ohne wirksame Anpassungsstrategien, auch in Zukunft als attraktive Wohnorte für die Bevölkerung.

Ein intelligentes Klimaüberwachungssystem wird dazu beitragen, diese Ziele möglichst effizient, schnell und kostengünstig zu erreichen. Jetzt ist der bestmögliche Zeitpunkt, um zu handeln und eine intelligente und klimafreundliche Stadt zu werden - mit einer kleinen Investition, die sich in der Zukunft bezahlt macht.

Entdecken Sie das intelligente Stadtklimaüberwachungssystem der meteoblue AG und gestalten Sie aktiv die Klimafolgenanpassung in Ihrer Stadt!

MEHR ZUR STADTKLIMAÜBERWACHUNG DER METEOBLUE AG

Hinweis: Dieser Artikel ist eine redaktionelle Anzeige der meteoblue AG.  // Bilder: meteoblue AG



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Dr. Sebastian Schlögl

Geschrieben von: Dr. Sebastian Schlögl

Dr. Sebastian Schlögl ist Leiter Meteorologie bei der Schweizer Wetterfirma meteoblue AG. Er ist Experte für Mikrometeorologie und Klimawandelsimulationen und leitet das Stadtklimaprojekt.

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