Die Wirkung von Vegetation in randstädtischen Luftleitbahnen : Studien zur Kaltluft in der Stadt Aachen

Sachsen, Timo Gerhard; Schneider, Christoph

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-48841

Die Wirkung von Vegetation in randstädtischen Luftleitbahnen : Studien zur Kaltluft in der Stadt Aachen = The effect of vegetation on suburban ventilation paths : studies on cold air drainage in the city of Aachen

Sachsen, Timo Gerhard (Author)

2013 & 2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Timo Gerhard Sachsen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXVI, 229 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2013. - Publikationsjahr: 2014

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-10-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48841
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/229472/files/4884.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kaltluft (Genormte SW) ; Stadtklima (Genormte SW) ; Vegetation (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Luftströmung (Genormte SW) ; Katabatischer Wind (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Luftleitbahn (frei) ; Aachen (frei) ; Cold air drainage (frei) ; urban climate (frei) ; vegetation (frei) ; ventilation (frei) ; katabatic flow (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
In einer zweijährigen Messkampagne wurden von Februar 2009 bis Februar 2011 die Eigenschaften der nächtlichen Kaltluftdynamik in zwei stadtnahen Bachtälern Aachens untersucht. Dabei war die Klärung der folgenden Fragestellungen Ziel der Untersuchung:1. Welche Eigenschaften und Besonderheiten haben die Aachener Bachtäler hinsichtlich der darin abfließenden Kaltluft?2. Welche Einflüsse haben Vegetationsbestände – v.a. Baumbestände – auf den Kaltluftabfluss?3. Lassen sich diese Einflüsse mit Hilfe einer Modellierung nachvollziehen und werden diese korrekt abgebildet?Die Datenerhebung in den Bachtälern erfolgte an 4 Wetterstationen. Eine Station zeigte den Kaltluftabfluss ohne den unmittelbaren Einfluss von Vegetation. Die weiteren Stationen waren im Vegetationsbestand platziert, eine davon im Lee einer Hecke, zwei im Lee einer Gruppe von ca. 10 m bis 15 m hohen Schwarzerlen. Ein Teil der Hecke und ein Bestand von Schwarzerlen wurde zur Hälfte der Messperiode entnommen, so dass zwei Vergleichsdatensätze gewonnen werden konnten. Zusätzlich wurde die Datenaufzeichnung der Wetterstationen von mobilen Messungen begleitet. So fanden ergänzend Fesselballonsondierungen, Luftqualitätsmessungen und Talquerprofilmessungen statt, um ein möglichst detailliertes Bild des Kaltluftabflusses zu zeichnen. Bei der Datenauswertung erfolgte eine Auswertung hinsichtlich der jährlichen und jahreszeitlichen Veränderungen des Kaltluftabflusses mit Bezug zur Talvegetation. Als Basis der Modellierung mit dem numerischen Kaltluftabflussmodell KLAM_21 des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden die Kernbereiche der Bachtäler einer detaillierten Vegetationskartierung unterzogen. Die Ergebnisse der Modellierung und der Datenaufzeichnung wurden verglichen und so die Eingabedaten des Modells kalibriert. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen deutliche Einflüsse der Vegetation auf den Kaltluftabfluss, die je nach Klimaelement und Standort sehr unterschiedlich ausfallen. Hinsichtlich der Fließgeschwindigkeit der Kaltluft findet durch dichte Vegetationsbestände eine Reduktion dieser statt. So zeigen sich unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten je nach Durchmesser der Vegetation und in Abhängigkeit von deren Dichte. Durch die gezielte Entnahme von Vegetation sind Steigerungen der Fließgeschwindigkeit zu erreichen, die in ihrer Struktur den Düseneffekten des synoptischen Windes nahe kommen. Zudem konnte eine starke jahreszeitliche Veränderung der Fließgeschwindigkeit belegt werden. Die Fließrichtung der Kaltluft wird ebenfalls durch die Talvegetation beeinflusst. So konnten am gleichen Standort unterschiedliche Windrichtungen in Abhängigkeit von der Messhöhe aufgezeichnet werden. Zudem zeigen sich bei großflächigen, dichten Beständen durch den Stau der Kaltluft Umlenkungseffekte, bis hin zum Überströmen von Talschultern. Die Vegetation nimmt im Wesentlichen durch Verschattung Einfluss auf die Oberflächen- und Bodentemperaturen und damit auch in Folge auf die Lufttemperatur. In der Konsequenz verändern sich damit Kaltluftproduktionsraten. Die mengenmäßige Reduktion der abfließenden Kaltluft wurde sowohl rechnerisch, auf Basis von mobilen Messungen, als auch modellhaft erfasst. Untersuchungen der Luftqualität zeigten, dass diese in Bezug auf Kaltluft differenziert zu betrachten ist. Durch den Eintrag von kalter Luft, lässt sich das Temperaturniveau in der Stadt positiv beeinflussen, im Falle von unbelasteter Luft lässt sich die Schadstoffkonzentration senken. Im Falle der untersuchten Bachtäler konnten erhöhte Konzentrationen partikulärer Schadstoffe in der Kaltluft nachgewiesen werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit der Wald- und Wiesenvegetation entstammen. In Bezug auf den Untersuchungsstandort, zeigt sich eine große Auftrittshäufigkeit nächtlicher Kaltluftabflüsse. Dabei charakterisiert sich die Kaltluft durch konstante Mächtigkeiten. Große Mengen Kaltluft werden entlang der Luftleitbahn in die Stadt transportiert. Zudem wurde eine Messmethodik entwickelt, bei der mit Hilfe des Öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) die räumliche Verteilung der Kaltluft, ebenfalls mit Reichweiten bis in die Innenstadt aufgezeichnet wurde. Kleinräumig betrachtet konnte der Nachweis erbracht werden, dass auch bei dichtester Talvegetation, diese von der Kaltluft durchflossen wird. Um deutliche Unterschiede der Abflussmengen zu erreichen, bedarf es größerer Eingriffe, die u.U. durch einen Zugewinn an Abflussmenge nicht gerechtfertigt werden können. Durch die Modellkalibrierung und die Einbringung hoch aufgelöster Flächennutzungsdaten konnte eine hohe Übereinstimmung zwischen den Modellergebnissen aus KLAM_21 und den empirisch gemessenen Daten erreicht werden, so dass eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Talbereiche möglich ist. Die empirischen und modellierten Ergebnisse wurden in Kombination mit bekannten Sachverhalten in eine theoretische Systematik eingeordnet, die zeigt, wie sich die abfließende Kaltluft in Bezug auf Hindernisse verhält.

The aspects of nocturnal cold air drainage flow were investigated in two suburban valleys of the city of Aachen, Germany, during a two year measurement period – from February 2009 to February 2011. The investigation intended to answer the following questions:1. What are the characteristics of cold air drainage flow in the suburban valleys of the city of Aachen?2. How does vegetation – especially trees and hedges – affect the cold air drainage flow?3. Can these effects be reproduced by a model, calibrated with the collected data?In 2009 four weather stations were set up, each of them representing different locations within the valleys. One of them collected data of cold air drainage without being influenced by vegetation. The data of this station was used as a reference for a comparative analysis. The other three stations were placed within vegetation stands, one at the lee side of a hedge and two at the lee side of a grove of alders with a height of up to 15 m. Halfway through the measurement period a section of the hedge and several alders were cut down, in order to get two data sets for comparison. This data was complemented by mobile cross valley section and tethered balloon measurements, as well as by air quality measurements and measurements taken from busses carrying GPS equipment and temperature sensors. Data evaluation took account of annual and seasonal variations in regard to changing vegetation structures. In order to improve the input detail for modeling and model calibration further, the vegetation in two larger areas within the valleys was mapped. Modeling was done by the numerical cold air drainage flow model KLAM_21 from the DWD (Deutscher Wetterdienst/German Weather Service). The results show that vegetation has a considerable effect on cold air drainage, differing for each location and climatic element measured: The wind speed of cold air is reduced by vegetation structures and influenced by the density and diameter of the vegetation and the vegetated surface. Therefore wind can vary over short distances. A large expanse of vegetation has a large effect on wind speed. Increased surface roughness, e.g. caused by hedges or trees, reduces wind speed. Wind speed can be directly impacted by changing surface roughness, for instance by reducing tree coverage. Additionally wind speed shows annual and seasonal variations. Wind direction as well as wind speed is influenced by the vegetation within the valley. Thus different wind directions were measured at different heights but in the same location. Large expanses of dense vegetation can block and deviate cold air, which can even result in an overflow into surrounding valleys. Vegetation shades the valley surface, influencing surface and soil temperatures and consequently air temperature. Therefore cold air production rates change. This was proved by calculation, mobile measurements and modeling. Air quality has to be considered carefully, taking account of the origin of cold air. In case of clean air, e.g. originated from non-industrialized areas with less traffic, air quality can be improved by cold air drainage. In case of noxious substances polluting the cold air, air quality can be decreased. The area of investigation shows increased amounts of (presumably biogenic) particulate matter within the drainage flow, derived from the valley vegetation. A good match between modeled and measured data was achieved by calibrating the cold air drain-age flow model with high-resolution land use data. This allows the results to be transferred to sur-rounding valleys. Modeled and measured results are presented in a diagram showing cold air drain-age behavior related to obstacles. The investigated area shows, although a severe data filtering process has been carried out, a high frequency of nocturnal cold air drainage flow with cold air at high altitudes. The presence of cold air within urban areas was proved, by setting up, amongst others, a measurement system carried by public transport busses. At a small scale it was proved, that even vegetation with the highest density is permeable to cold air drainage. Vegetation is not able to cause effects like buildings. In order to increase the amount of cold air drainage considerably, major changes in vegetation structures have to be carried out. A critical review on height and density within suburban valleys can be helpful to city planners, especially in light of rising urban temperatures due to climate change. Nevertheless, suburban valleys cannot be characterized solely by climatological factors, as this single-disciplinary view on their functions would be inadequate. An interdisciplinary assessment in due consideration of all functions, like biodiversity, local recreation, is advisable.

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