Untersuchungen zum Mikroklima von Bad Neuenahr-Ahrweiler
Dr. Günter M. Gab
Nachdem im Jahrbuch 1977 eine neuartige Darstellung des Makroklimas unserer Heimat gegeben wurde, soll nunmehr eine Beschreibung des Mikroklimas von Bad Neuenahr-Ahrweiler folgen.
Sie ist wie die o. g. Arbeit ein Ergebnis von Schülermessungen, und hat einen Vorläufer in der mikroklimatischen Untersuchung, die im Juli 1976 von Schülerinnen des Gymnasiums Calvarienberg durchgeführt und in der Presse veröffentlicht wurde.
Damals wurde anhand einer Messung am 2. Juli ein klimatischer Stadteffekt für Bad Neuenahr-Ahrweiler nachgewiesen. Die jetzige Untersuchung stützt sich auf insgesamt 9 Meßgänge und vermittelt ein wesentlich detaillierteres Bild. Die damaligen Werte werden durchweg bestätigt.
Die Arbeitsgruppe, die die vorliegende Untersuchung im Jahre 1979 durchführte, bestand aus 37 Oberstufenschülerinnen und -schülern des Gymnasiums Calvarienberg und des Staatl. Gymnasiums Ahrweiler. Sie hat als wichtigstes Ergebnis eine als repräsentativ geltende flächenhafte relative Temperaturverteilung für das gesamte Stadtgebiet von Ehlingen bis Walporzheim, die für planerische Zwecke nützlich sein kann. Die 181 Meßpunkte waren gleichmäßig über das Stadtgebiet und seine Freilandumgebung verteilt.
Bevor auf die Ergebnisse eingegangen wird, seien noch als besondere Schwierigkeiten das Nichtvorhandensein einer brauchbaren Arbeitskarte sowie das Fehlen von Untersuchungsgerät für eine so große Arbeitsgruppe erwähnt. Die Arbeitskarte des Untersuchungsgebietes konnte Verfasser dann aber aus vier vom Katasteramt Ahrweiler freundlicherweise überlassenen Karten selbst herstellen und der Kauf der erforderlichen Meßinstrumente wurde nach Fürsprache von Herrn Bürgermeister Weltken mit finanzieller Förderung der Stadt Bad Neuenahr-Ahrweiler ermöglicht. Dafür ist an dieser Stelle herzlich zu danken. Ebenso dankt Verfasser dem Leiter des Gymnasiums Calvarienberg Herrn Oberstudiendirektor Erich Knieps, der die Durchführung der selbständigen Schülerarbeiten in jeder Weise unterstützte und selber an den Messungen teilnahm.
Die Bedeutung mesoklimatischer Untersuchungen
Der wachsende individuelle Wohnanspruch hat zu einer weitflächigen Zersiedlung unseres Landes geführt. Dadurch ist das Gleichgewicht der Naturlandschaft erheblich gestört worden. Das Ausmaß der Störungen kann selbst mit einfachsten Mitteln am Beispiel des Meso-Mikroklimas im Bereich von Siedlungen nachgewiesen werden. Eine wichtige Indikatorenfunktion kommt in diesem Zusammenhang dem für Strahlungsnächte vielfältig belegten Temperaturkontrast zwischen Siedlungsraum und Umland zu, der für Großstädte 5 -10° C annehmen kann (Eriksen 1975), im Bereich kleinerer Siedlungen mit 2 – 5° C aber auch deutlich in Erscheinung tritt (Geiger 1977). Diese innerstädtische Überwärmung hat erhebliche Konsequenzen für das Systemgefüge anderer Geofaktoren und vermittelt einen leicht nachvollziehbaren Einblick in die vom Menschen ausgelösten Störungen im Naturhaushaltsgefüge. Bis heute liegen nur für einige wenige Großstädte der Bundesrepublik Deutschland Untersuchungen zum Stadtklima vor. Bei der Entwicklung von Landschaftsrahmenplänen und Raumordnungsplänen finden die Ergebnisse mesoklimatischer Untersuchungen Berücksichtigung, da inzwischen die negativen Folgen einer verfehlten Bebauungsplanung für die Lufthygiene von Siedlungsräumen bekannt sind. Neuerdings werden auch in den explosionsartig wachsenden Großstädten der Dritten Welt Untersuchungen dieser Art mit dem Ziel praktischer Anwendung in der planmäßigen Siedlungserweiterung durchgeführt. Leider werden diese jedoch fast immer von dem »wilden« Wachstum an den Stadträndern »überholt«.
Die nächtliche Temperaturverteilung im Stadtgebiet von Bad Neuenahr-Ahrweiler
Aufgabe der vorliegenden Untersuchung war es, der Frage nachzugehen, inwieweit der thermische Stadteffekt in einer kleinen Stadt ausgeprägt ist und welche klimatischen Wirkungen die einzelnen Landschaftselemente wie Stadtkern, Parkanlagen, Hanglagen, Ahrufer usw. haben. Fig. 1 zeigt die Temperaturverteilung im Talkessel von Bad Neuenahr-Ahrweiler und den angrenzenden Höhen am 16. Mai 1979 morgens 5.00 Uhr. Die Messungen wurden immer morgens durchgeführt, wenn der Stadt-Land-Gegensatz der Temperatur erfahrungsgemäß die größten Werte annimmt (Vergl. Fig. 2). Es herrschte Windstille und Wolkenlosigkeit, also die besten Voraussetzungen zur Ausprägung des thermischen Stadteffektes sowie orographischer und edaphischer Einflüsse, zumal da wegen einer länger andauernden Hochdruckwetterlage auch am Vortage Windstille und ungehinderte Insolation herrschten. Fig. 3 zeigt beispielhaft wie der Stadt-Land-Temperaturunterschied von den Wind- und Bewölkungsverhältnissen abhängt. Diese Problematik soll unten noch eingehender behandelt werden. Wichtigstes Ergebnis der Untersuchung ist, daß auch die relativ kleine Stadt Bad Neuenahr-Ahrweiler einen deutlichen Stadteffekt auf die Temperatur erkennen läßt (Fig. 1). Die Struktur der Isothermen zeigt im einzelnen folgende Tatsachen:
Die Gebiete dichtester Bebauung weisen die höchsten Temperaturen auf. Zwei markante »Wärmeinseln« in den beiden größten Stadtteilen Bad Neuenahr und Ahrweiler heben sich mit über 13° C sehr klar vom kühleren Umland ab. Auch die kleineren Orte wie Bachern, Walporzheim und Heimersheim bilden Wärmegebiete, die sich entsprechend ihrer Größe durch eine spürbare Temperaturerhöhung vom nahen Freiland unterscheiden. Am Nord- und Südrand der Stadt erkennt man eine bandartige Zone niedriger Temperaturen zwischen den Wohngebieten und den wärmeren Hangzonen. In diesem »Kaltluftgraben« macht sich die Stauwirkung derdurchgehenden Häuserfront gegenüber den von den vorwiegend konvexen Talhängen (Weinberge und Wiesen) herabkommenden kühleren Luftmassen bemerkbar (Vergl. Fig. 4). Konkave Geländeformen wie z. B. die zahlreichen Taleinschnitte sind nachts kalt (Geiger 1961, S. 415). Diese Seitentäler sind auch die bevorzugten Abflußbahnen für die in den hoch gelegenen Freilandflächen entstehende Kaltluft. So schieben sich aus den Talungen mit größtem »Einzugsgebiet« mächtige Kaltluftströme über ihr »Mündungsgebiet« hinaus bis in die Hauptwohngebiete (Bachemer Tal, Karweiler Tal).
Auf der nordexponierten Südseite kommen Kaltgebiete (mit teilweiser Nebelbildung) häufiger vor. So liegt die kühlste Stelle des ganzen Untersuchungsgebietes überhaupt (6,3° C) bei Bachern in einer Mulde am Fuß eines unbewaldeten Nordhanges mit freier Abflußmöglichkeit für die dort entstehende Kaltluft. Hier wirkt allerdings auch die Nähe der Ahr, deren Wasserfläche über die erhöhte Luftfeuchte eine zusätzliche Abkühlung hervorruft. Innerhalb der geschlossenen Wohngebiete setzt sich jedoch auch in Flußnähe der Überwärmungseffekt der Stadt durch (z. B. in Bad Neuenahr). Im Bereich Johannesberg ist die negative Wirkung geschlossener hangparalleler Zeilenbebauung zu erkennen. Diese stellt sich hier der nächtlichen Frischluftzufuhr vom Hang als Hindernis entgegen, so daß auf der Bergseite der Häuser ein kleiner Kaltluftsee entsteht. Die Bebauung der Hanglagen sollte gerade bei Städten in Tal- und Kessellage in weiten Abständen mit großen nicht überbauten Flächen erfolgen, damit die geländebedingten Luftströmungen (Hang- und Talwinde) aufrecht erhalten bleiben.
Die vertikale Temperaturverteilung über Bad Neuenahr-Ahrweiler
Nachdem bisher das Gebiet erhöhter Stadttemperaturen in seiner flächenhaften Ausdehnung erörtert worden ist, sollen nunmehr einige Überlegungen zur dreidimensionalen Temperaturverteilung und der sich daraus ergebenden räumlichen Austauschvorgänge im Bereich des Ahrweiler Talkessels folgen.
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Fig. 1 Temperaturverteilung in Bad Neuenahr-Ahrweiler am 16. 5. 1979 um 5.00 Uhr. Es herrschten Windstille und Wolkenlosigkeit. Pfeile: Kaltluftabfluß
Es fällt auf, daß die Höhenzüge über dem Talkessel genau so warm sind wie die dicht bebauten Gebiete im Stadtinnern (Fig. 1), also erheblich wärmer als die tiefer gelegenen Freilandbereiche. Dies bedeutet auf das Vorhandensein einer Temperaturinversion, die über dem wärmeren Stadtgebiet erst in einer gewissen Höhe vermutet werden kann.
Fig. 4 zeigt schematisch die mögliche vertikale Temperaturverteilung über einer Querschnittslinie (A – B in Fig. 1), die von den Höhenzügen südlich Ahrweiler durch das Hauptwohngebiet zum gegenüberliegenden Talhang führt. Danach ergibt sich für das Freiland das Bild einer stabilen Luftschichtung. Dabei liegt eine Kaltluftschicht dem Boden auf, der seinerseits durch Ausstrahlung mehr Wärme verliert als höhere Luftschichten. Das Profil zeigt sehr schön den »Wärmedom« über der Stadt. Hier ist eine durch Ausstrahlung entstandene Bodeninversion nicht zu erwarten, da der mit einer höheren Wärmekapazität ausgestattete Stein-Untergrund (am Vortage herrschte über 12 Stunden ungehinderte Insolation) die ganze Nacht Wärme abgibt. Auf Grund dieser Tatsache erscheint es gerechtfertigt, ein vom Umland abweichendes vertikales Temperaturprofil und deshalb auch andere Stabilitätsverhältnisse im Bereich der Stadt anzunehmen.
Das sich aus dieser Temperaturschichtung ergebende Schema des innerstädtischen Luftaustausches ist ebenfalls in der Profilzeichnung enthalten. Es veranschaulicht ein Luftzirkulationsschema, das auf einer aufsteigenden, kon-vektiven Bewegung erwärmter Luft über der Innenstadt beruht. Aus Kontinuitätsgründen muß Luft in Bodennähe aus dem kühleren Umland einströmen, im Flachland als Flurwind bekannt. Die Tallage begünstigt diesen lokalen Luftaustausch insofern, als auf die über die Hänge zufließende Luft noch die Schwerkraft beschleunigend einwirkt.
Die skizzierte Luftzirkulation mit einer konvekti-ven Aufwärtsbewegung über der Stadt und der absinkenden Komponente am Talrand ist nur denkbar, solange die Stadt quasi als Motor das wärmere Gebiet darstellt. Andernfalls würde sich der Talkessel durch Kaltluftzufluß von den Rändern in einen Kaltluftsee verwandeln.
Warum bildet sich ein Stadtmikroklima?
Die hier erörterte Temperaturverteilung ist das Ergebnis einer einzigen Messung. Bei zahlreichen anderen Meßgängen stellten sich die vorliegenden Isothermenstrukturen immer wieder ein, sofern die zur Ausbildung eines Stadteffektes notwendigen Bedingungen, Windstille und Wolkenlosigkeit, erfüllt waren. Insofern darf die vorliegende Temperaturverteilung als typisch gelten.
Auch zahlreiche andere Untersuchungen zum Stadt- und Geländeklima (Bjelanovic 1967, Jauregui 1973, Eriksen 1975, Gab 1976 u. a. m.) kommen zu dem Ergebnis, daß die in einer Strahlungsnacht beobachtete relative Temperaturverteilung in jeder Strahlungsnacht in fast gleicher Ausgeprägtheit wieder auftritt. Das heißt: Die einzelnen Stadtzonen und Geländepunkte verhalten sich bezüglich ihrer absoluten Temperaturabweichung von ihrer Umgebung immer »typisch«.
Dies jedenfalls gilt für Sommertermine, wenn die Messungen nachts stattfinden. Messungen bei Tage wurden nicht unternommen. Die Ergebnisse wären mit Sicherheit nicht so eindrucksvoll wie kurz vor Sonnenaufgang (S. Fig. 2). Auch im Winter sind die Temperaturunterschiede erfahrungsgemäß weit geringer. — Eine Messung in der Neujahrsnacht 1978/79 ergab z. B. im Zentrum von Bad Neuenahr – 13,5° und im Freiland an der Amseltalbrücke – 14,0° C. — Das hängt mit den Tatsachen zusammen, die den thermischen Stadteffekt hervorrufen. Hier sind zahlreiche Gründe zu nennen. Eine Stadt besitzt als künstliche Landschaftseinheit, als Steinwüste, eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und Rückstrahlung durch den vorwiegend aus Fels, Beton, Glas, Asphalt etc. bestehenden Untergrund. Daraus resultiert eine gegenüber normalem Sand- und Lehmboden stark erhöhte Wärmespeicherfähigkeit. Dieser Effekt wird durch die erheblich vergrößerte Oberfläche des Häusermeeres noch verstärkt, so daß tagsüber mehr Sonnenenergie absorbiert werden kann. Folglich kann nachts, wenn im Freiland Wärmeverlust durch Ausstrahlung eintritt, innerhalb eines dichten Wohngebietes noch lange Wärme an die Luft abgegeben werden. Dies erklärt auch, warum sich die städtische Überwärmung gerade in wolkenlosen Nächten nach einem strahlungsreichen Tag in besonderer Weise bemerkbar macht. Von daher wird auch der Lehrsatz »Stadtklima ist in erster Linie ein nächtliches Schönwetterphänomen« durchaus verständlich.
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Fig. 2 Temperaturtagesgang der Stadt und des Freilandes am Beispiel von Puebla (Mexico). Die Stadt-Land-Temperaturdifferenz erreicht ihre höchsten Werte unmittelbar vor Sonnenaufgang
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Fig. 3. Ausgewählte Tagesgänge für Stadt- und Freilandstationen des Untersuchungsgebietes Bad Neuenahr-Ahrweiler bei wechselnden Wind- und Bewölkungsverhältnissen (Mai 1979)
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Fig. 4 Profildarsteilung entlang einer Linie A – B aus Fig. 1 zur Veranschaulichung der vertikalen
Temperaturstruktur sowie des Flurwindes (Kaltluftabfluß in die Stadt). Zchg. Gab
Ein weiterer Grund für die Stadtwärme ist in der abschirmenden Wirkung der hohen Hauswände gegen die nächtliche Wärmeabstrahlung, die auf dem Freiland völlig ungehindert tätig ist. Die rauhe Oberfläche mit Behinderung jeglicher Luftbewegung tut ein weiteres zur Erhaltung der Wärmeinsel im Stadtinnern.
Schließlich ist das Vorhandensein von Schmutzpartikeln (Smog) über der Stadt auch ein Grund für die Behinderung der Ausstrahlung und somit des Wärmeverlustes. In einer Stadt fehlen ferner Quellen natürlicher Verdunstungskühle, wie z. B. größere Wiesenflächen und Wald.
Zu den genannten Faktoren tritt noch der temperaturerhöhende Effekt künstlicher Wärmequellen wie Fabrikanlagen, Automotoren und Hausbrand.
Schlußbemerkungen
Das beschriebene geographische Projekt könnte in vielfältiger Weise auch fächerübergreifend erweitert werden. Die anthropogene Klimaveränderung bezieht sich nämlich auch auf andere Elemente wie Luftfeuchte, Niederschlag, Wind, Extremwerte, Frosthäufigkeit, Schneedeckendauer und -höhe etc. Eine Stadt ist trockener, wärmer, niederschlagsreicher, windschwächer als ihr Umland.
Das Phänomen der städtischen Wärmeinsel läßt sich sogar völlig ohne Meßinstrumente untersuchen, indem man Pflanzen als Indikator klimatischer Verhältnisse benutzt. Jedermann sind 2. B. die verschiedenen Blühtermine von Gartenpflanzen und Fruchtbäumen in den einzelnen Stadtzonen und Freilandgebieten bekannt.
Am Ende solcher Untersuchungen könnte eine Klimabonitierung der Stadt oder auch nur von Stadtvierteln stehen, zu der die vorliegende Isothermenverteilung (Fig. 1) ein erster Grundbeitrag ist.
Interdisziplinäre Arbeiten dieser Art sind vor allem dazu geeignet, weitergehende Einblicke in die Folgen menschlicher Eingriffe in den Naturhaushalt zu vermitteln.Literatur
Bjelanovic, M., 1967
Mesoklimatische Studien im Rhein- und Moselgebiet, Bonner Geogr. Abh. 1967
Eriksen.W., 1975
Probleme der Stadt- und Geländekllmatologie. In: Ertrags der Forschung, Bd. 35, Wiss. Buchgesellschan Darmstadt.
Gäb, G., 1976
Untersuchungen zum Stadtklima von Puebla (Mexico). Diss. Bonn, Geogr. Inst. d. Univ.
Geiger, R. 1961
Das Klima der bodennahen Luftschicht. 4. Aufl. Braunschwelg
Jauregui, E., 1973
Untersuchungen zum Stadtklima von Mexiko-Stadt. Diss. Bonn, Geogr. Inst. d. Univ.
Kalb, M., 1962
Untersuchungen zum Stadtklima von Köln. Met. Rd. 15,92 ff. Kratzer, P. A., 1956 Das Stadtklima. Die Wiss. Bd. 90 Braunschweig.