04.03.2015 31.10.2023
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Stadtklima im Wandel

Die Folgen des Klimawandels, wie zum Beispiel ausgedehnte Hitzeperioden, starke Unwetter oder Hochwasser haben weitreichende Auswirkungen auf städtische Räume und Infrastrukturen. Die Konsequenz: Städte müssen sich noch besser auf den Klimawandel vorbereiten. Dabei sind Städte ein Ort von zahlreichen Zielkonflikten, beispielsweise zwischen dem steigenden Siedlungsdruck einerseits und den notwendigen Anpassungen an die Folgen des Klimawandels durch Freiflächen und Begrünungen andererseits. Auch der richtige Umgang mit hoher Luftschadstoffbelastung ist für viele Städte eine Herausforderung.

Die Fördermaßnahme „Stadtklima im Wandel" hat sich eingehend mit der Belastung der Städte in Deutschland durch Hitze, Stürme und Luftschadstoffe beschäftigt. Ziel war es, Städten ein wissenschaftlich fundiertes, praxistaugliches Instrumentarium für das Messen von Stadtklima-Belastungen an die Hand zu geben. Nur mit einer genau erfassten Datengrundlage sind Anpassungsmaßnahmen zur Verbesserung des Stadtklimas und der Luftreinhaltung auch effektiv. Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit zukünftigen Anwendern ein neues Computermodell für die Stadtklimamodellierung konzipiert, das bis auf die Ebene von Gebäuden hin Belastungen berechnen kann.

Methodisches Vorgehen
Zunächst wurde das Grundgerüst für das digitale Stadtklima-Simulations-Modell „PALM-4U" entwickelt. Wichtige Meilensteine waren dabei die Herausarbeitung der Anforderungen an ein solches Modell, mehrere Messkampagnen an verschiedenen Orten in der Stadt Berlin sowie die Veröffentlichung einer ersten Version des Modells. Darauf aufbauend wurde das Stadtklimamodell zu einem praxistauglichen Produkt weiterentwickelt, das die Bedürfnisse von Kommunen und anderen Anwendern in der Forschung und in der Praxis erfüllt.
Hierfür wurden insbesondere eine vollständige Evaluierung des Modells und verschiedene Weiterentwicklungen, eine praxisorientierte Nutzeroberfläche sowie unterschiedliche Tests in Praxisanwendungen durchgeführt.

Ergebnisse
Das neu entwickelte Simulationsmodell PALM-4U ermöglicht es nun Städten, (Extrem-)Wetter und Klima bis auf die Gebäudeebene hin zu simulieren. So können Städte berechnen, wie stark Stadtteile durch Hitze und Luftschadstoffe belastet werden und wie Klimaanpassungsmaßnahmen wirken. Das Modell ermöglicht es, zu prüfen, wie sich konkrete Bauvorhaben auf Überwärmungseffekte und Kaltluftströmungen auswirken. So lassen sich beispielsweise unterschiedliche Planungsvarianten für Gebäude simulieren. Auf diese Weise können schon in der Stadtplanung konkrete Empfehlungen zur Optimierung gegeben werden, beispielsweise für die Gebäudestellung, bei der Versiegelung von Flächen und der Wirkung von Begrünung durch Baumpflanzungen. Die effektive Wirkung von Klimaanpassungsmaßnahmen kann auf diese Weise quantitativ bestimmt werden – ein deutlicher Fortschritt zu den bisher vorherrschenden, qualitativen Grundannahmen in Planungsverfahren.

Das PALM-4U-Stadtklima-Modell kann zur Unterstützung kommunaler Ämter und Behörden in den Bereichen Umwelt, Klimaschutz, Freiraumplanung, Stadtentwicklung, Stadtplanung, Wohnen, Verkehrsplanung und Gesundheit eingesetzt werden. Auch weitere Akteure der Stadtplanung, wie Architekten und Verbände, nutzen das Modell. Nicht zuletzt wird es in der internationalen Stadtklimaforschung verwendet und weiterentwickelt.

Technisch berücksichtigt das Simulationsmodell PALM-4U alle urbanen Oberflächen wie Bäume, Straßen und Wasserflächen und berechnet zum Beispiel den Wind, Temperaturverteilungen, die Luftchemie und Feinstaub-Verteilungen. Das Modell stellt dafür ein Multiagentensystem zur Verfügung, dass die Auswirkungen von Hitze und Feinstaub auf sich im Stadtgebiet bewegende Personen berechnet.

Das Stadtklima-Modell kann auch mit verschiedenen regionalen Klimamodellen gekoppelt werden. Das Modell steht in zwei Varianten zur Verfügung, für extrem hochauflösende Simulationen (Large Eddy Simulationen; LES) als auch für Rechenressourcen sparende Simulationen (Reynolds-Averaged Navier Stokes; RANS). Das Modell ist insgesamt für sehr viele unterschiedliche Anwendungsfälle geeignet – dies haben wissenschaftliche Evaluationen mit großen Messkampagnen, die mit innovativen Messgeräten in der Fördermaßnahme durchgeführt wurden, gezeigt.

Für die Anwender aus der Praxis wurde extra eine Nutzeroberfläche entwickelt. Die Oberfläche stellt einen grafischen Zugriff auf das Modell zur Verfügung, mit der viele Anwendungen interaktiv simuliert werden können. In wenigen Schritten können zum Beispiel die unterschiedlichen Auswirkungen auf lokale Hitzeeffekte von verschiedenen stadtplanerischen Plänen (z.B. bei der Gebäudeform) verglichen werden.

Praxistransfer
Der Transfer in die Praxis von PALM-4U ist bereits gelungen: Unternehmen, Dienstleister und Kommunalverwaltungen in vielen Kommunen in Deutschland setzen die Stadtklima-Software bereits ein. Dazu zählen zum Beispiel die Städte Berlin und Dresden.
Des Weiteren setzt die ENERCON GmbH, der größte deutsche Hersteller von Windenergieanlagen, das Simulations-Modell in der Standortbewertung für Windenergieanlagen ein. PALM-4U ist auch ein deutscher Beitrag, mit dem globale Verantwortung für die Anpassung an den Klimawandel wahrgenommen wird: Die Stadtklima-Software wird bereits in Partnerländern, wie zum Beispiel den USA, angewendet.
Die Anwender von PALM-4U in Kommunen und der Praxis werden auch durch das Climate Service Center GERICS mit der Plattform ProPolis "https://www.uc2-propolis.de/" sowie vom Deutschen Wetterdienst (DWD), GEO-NET Consulting, und weitere Anbietern unterstützt.

Das Computermodell PALM-4U kann bei der Universität Hannover kostenfrei heruntergeladen werden.

 

Über die Fördermaßnahme "Stadtklima im Wandel"

Die Arbeiten der Fördermaßnahme „Stadtklima im Wandel" [Urban Climate Under Change: [UCP]2 ) waren in beiden Förderphasen in Modulen organisiert, die sich den Teilaspekten Modell-Entwicklung, Modell-Evaluierung und wissenschaftliche Anwendung sowie Praktikabilität und Verstetigungsstrategie gewidmet haben. Dafür haben die Verbundvorhaben MOSAIK, 3DO, KlimaPrax und UseUClim in der ersten Phase mit insgesamt 30 Teilprojekten zusammengearbeitet. Die Verbundvorhaben MOSAIK-2, 3DO+M und ProPolis haben in der zweiten Phase mit insgesamt 25 Teilprojekten zusammen geforscht. Die Fördermaßnahme „Stadtklima im Wandel" wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) von 2016 bis 2024 mit rund 28 Millionen Euro finanziert.

Forschungsprojekte

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