Der städtische Wärmeinseleffekt in Deutschland – Teil 3

Von Dipl.-Phys. Dr. Jan Olzem

Im zweiten Teil des Artikels hatten wir uns mit der Frage beschäftigt, wie die Umgebung einer Wetterstation als ländlich bzw. städtisch eingestuft werden kann, und mit AHI eine hierfür geeignete Größe gefunden. AHI beschreibt die mittlere Temperaturdifferenz zwischen einem Ort und dessen ländlicher Umgebung, wobei “ländliche” Gebiete in der Umgebung durch eine geringe nächtliche Lichtintensität aus künstlichen Lichtquellen (Nighttime Lights) charakterisiert sind. Anders als die Nighttime Lights ist AHI weitgehend robust gegenüber Störfaktoren, die aus der stetigen Veränderung des DWD-Messnetzes resultieren, wie etwa der Abnahme der mittleren Stationshöhe.

 

Abbildung 13: Zehnjährige gleitende Mittelwerte der Jahresmitteltemperatur (höhenkorrigierte Daten) Deutschland für verschiedene AHI-Untergrenzen

 

Um die verbliebene Höhenabhängigkeit aus den Daten zu entfernen, wurde die im ersten Teil beschriebene Höhenkorrektur angewendet. Das Ergebnis für verschiedene Untergrenzen von AHI ist in Abbildung 13 dargestellt. Der dort sichtbare Temperaturunterschied zwischen den stärksten Wärmeinseln (AHI > 2, rote Kurve) und dem Mittel aller Stationen (graue Kurve) wird zu einem erheblichen Teil – aber nicht ausschließlich – durch den Wärmeinseleffekt bestimmt. Zusätzlich kommen hier aber auch regionale die Temperatur bestimmende Faktoren zum Tragen, da die Wärmeinseln (d.h. die Städte) nicht gleichmäßig über Deutschland verteilt sind und sich bevorzugt in Regionen befinden, die klimatisch nicht unbedingt dem deutschen Durchschnitt entsprechen.

 

Abbildung 14: Absolute Änderung der Jahresmitteltemperaturen seit 1950 für verschiedene AHI-Intervalle. Die zehnjährigen gleitenden Mittelwerte sind zentriert und werden somit erst ab dem Jahr 1955 dargestellt.

 

Um besser bewerten zu können, ob es Unterschiede zwischen der Temperaturentwicklung in ländlichen und urbanen Gebieten gegeben hat, betrachten wir nun Temperaturänderungen anstelle von absoluten Temperaturen. Abbildung 14 zeigt – bezogen auf das Jahr 1950 – die Temperaturänderung in °C für den Durchschnitt der Messstellen in verschiedenen Bereichen von AHI von ländlichen Regionen (blaue Kurve) bis hin zu den stärksten Wärmeinseln (rote Kurve). Die gestrichelte graue Kurve gibt den Durchschnitt aller Stationen wieder.

Die Unterschiede im Temperaturverlauf sind unmittelbar erkennbar. Erstmals wird nun offensichtlich, dass in urbanen Regionen nicht nur eine höhere Durchschnittstemperatur gemessen wird, sondern die Temperatur in den vergangenen Jahrzehnten auch tatsächlich etwas stärker angestiegen ist als auf dem Land. Dies wollen wir nun quantifizieren.

Tabelle 1: Gemittelter Temperaturanstieg pro Dekade (lineares Modell) für verschiedene Zeiträume, jeweils bis 2016

 

Die Tabelle 1 fasst die Temperaturänderung (in °C pro Jahrzehnt) zusammen für ausgesprochen rurale (AHI < 1) und stark urban geprägte (AHI > 2) Stationen. Zusätzlich ist die Temperaturentwicklung im Durchschnitt aller betrachteter Stationen angegeben. Es werden dabei drei unterschiedlich lange Zeiträume betrachtet, die jeweils knapp bis heute reichen. Der Berechnung wurde ein simples lineares Modell zugrunde gelegt; hier kann man sicherlich noch differenzierter vorgehen, aber die grundsätzlich wichtigen Effekte sind auch auf diese Weise bereits gut darstellbar.

Zunächst fällt auf, dass die mittlere Temperaturänderung stark vom betrachteten Zeitraum abhängt. Betrug sie im Durchschnitt der vergangenen rund 60 Jahre insgesamt noch knapp +0,3 °C pro Dekade, hat sie sich in den Jahren seit 1980 auf +0,37 °C pro Dekade beschleunigt, was einer Zunahme von etwa 27 % entspricht. Interessant ist nun der Beitrag urbaner und ländlicher Regionen zu diesem Anstieg, wo sich zwei wichtige Ergebnisse abzeichnen.

Einerseits liegt die Temperaturzunahme pro Jahrzehnt seit 1960 in urbanen Regionen (0,33 °C) signifikant über derjenigen auf dem Land (0,29 °C). Dieser Effekt schwächte sich jedoch im weiteren Verlauf ab und kehrte sich in jüngerer Vergangenheit sogar um (urban: +0,35 °C, ländlich: +0,37 °C). Auf der anderen Seite lässt sich zudem erkennen, dass der Beitrag der urbanen Messungen keinen erheblichen Einfluss auf den in Deutschland gemessenen Temperaturanstieg haben kann, da die über alle Stationen bzw. Regionen gemittelte Temperaturzunahme mit derjenigen in ländlichen Gebieten weitgehend identisch ist. Ein interessantes Ergebnis – woran liegt das?

 

Abbildung 15: Relative Änderung der Anzahl der Messwerte (Stationen) in Prozent für verschiedene AHI-Untergrenzen, bezogen auf das Jahr 1950

 

Der Grund für diesen Verlauf wird unmittelbar klar, wenn man die zeitliche Entwicklung der Stationsanzahlen für die unterschiedlichen Regionen betrachtet (Abbildung 15). Dort ist die prozentuale Änderung der Stationsanzahlen für verschiedene AHI-Intervalle dargestellt bezogen auf das Jahr 1950. Während die Zahl der ausgesprochen ländlich gelegenen Stationen kontinuierlich zunimmt (blaue Kurve), werden die Messstellen in und nahe den Wärmeinseln immer seltener (gelbe und rote Kurven). Die Gesamtzahl der Stationen hat sich hingegen kaum verändert (gestrichelte Kurve). Es findet also ein langfristiger und stetiger Wandel des Messnetzes statt: Stationen im städtischen Umfeld werden stillgelegt und durch neue Stationen in ländlichen Gebieten ersetzt. Tatsächlich sind die Wärmeinseln im Messnetz daher schon seit Jahrzehnten deutlich unterrepräsentiert. Aus diesem Grunde spielen sie für die langfristige Temperaturentwicklung kaum mehr ein Rolle.

 

Abbildung 16: Jahresmitteltemperaturen und 10-jährige gleitende Mittelwerte für die ländliche Region München (DN < 15) und die Station München-Stadt

 

Darüberhinaus ist das Wärmeinselpotenzial eines innerstädtisch gelegenen Ortes offensichtlich begrenzt. Deutlich wird dies am Beispiel der Station München-Stadt, die aktuell eine Spitzenposition hinsichtlich der Temperaturdifferenz im Vergleich zur ländlichen Umgebung einnimmt (AHI = 2,9). Abbildung 16 zeigt die dort gemessenen Temperatur-Jahresmittel (blaue Punkte) im Vergleich zum Temperaturverlauf im Münchner Umland (graue Kurve). Zusätzlich sind jeweils die zehnjährigen gleitenden Mittelwerte als gestrichelte Linien eingezeichnet. Diese Station verzeichnete seit den 50er Jahren einen recht konstanten Erwärmungstrend von rund 0,2°C pro Dekade, während die mittlere Temperatur im Umland bis in die 80er Jahre hinein nahezu konstant blieb. Schaut man sich die Lage der Station auf dem Satellitenbild an, ist das allerdings wenig verwunderlich. Sie liegt in München-Neuhausen nahe dem Olympiapark und nicht weit vom Stadtzentrum entfernt. Eine weitere Zunahme der dichten Bebauung und Flächenversiegelung in diesem Teil von München ist schon seit langem kaum mehr möglich. Auch wenn München sich weiter ins Umland ausdehnt, hat dies vermutlich wenig Einfluss auf die Lufttemperatur innerhalb des Mittleren Ringes. Auffällig ist allerdings auch, dass die Temperatur im Umland seit den 80er Jahren deutlich “aufholt”, obwohl sich alle hierbei betrachteten Stationen an ausgesprochen dünn besiedelten Orten befinden.

 

Abbildung 17: Jahresmitteltemperaturen und 10-jährige gleitende Mittelwerte für die ländliche Region Berlin (DN < 15) und die Station Berlin-Schönefeld

 

Ein Beispiel für eine Messstelle in städtischer Randlage ist die Station Berlin-Schönefeld (Abbildung 17). Sie liegt auf dem Gelände des Flughafens nahe der Gemeinde Schönefeld und misst seit etwa 1960 eine signifikant höhere durchschnittliche Lufttemperatur als die Stationen im ruralen Berliner Umland. Obwohl sich die Einwohnerzahl Schönefelds in den letzten drei Jahrzehnten mehr als verzehnfacht hat und die Bebauung inklusive der Autobahn A113 mit der neuen Flughafen-Anschlussstelle immer dichter an das Flughafengelände heranrückte, ist keine Zunahme des Wärmeinseleffektes beobachtbar.

 

Abbildung 18: Jahresmitteltemperaturen und 10-jährige gleitende Mittelwerte für die Region Rhein-Main und die Station Frankfurt/Main (Airport)

 

Der DWD betreibt Wetterstationen auch auf anderen Flughäfen, die immer wieder im Verdacht stehen, ausgesprochene Wärmeinseln zu sein. Das ist tatsächlich häufig der Fall, wie etwa beim Flughafen Frankfurt am Main. Die dort betriebene Station wurde im Laufe der Jahre mehrfach verlegt, so z.B. 1984 und 2014 (vom östlichen zum westlichen Rand des Flughafengeländes), und befand sich zeitweise zwischen dem östlichen Ende der Startbahn 25C und der Autobahn A5. Eine signifikante Zunahme des Wärmeinseleffektes ist jedoch, wie Abbildung 18 zeigt, langfristig kaum auszumachen. Ein vergleichbares Bild bieten auch die Zeitreihen der Stationen auf den Flughäfen Stuttgart, Hannover, Düsseldorf, Berlin-Tegel, Hamburg-Fuhlsbüttel und – wie oben bereits gezeigt – Berlin-Schönefeld. Auf dem Köln-Bonn Airport verstärkte sich Mitte der 80er Jahre durch rege Bautätigkeit innerhalb weniger Jahre sprunghaft der Wärmeinseleffekt, blieb allerdings seither nahezu konstant bei ca. +1,3°C gegenüber der ländlichen Umgebung. Eine Ausnahme bildet der Flughafen München, dessen Wetterstation keinen Wärmeinseleffekt verzeichnet. Allerdings liegen hier Messdaten erst seit 1992 vor. Es bleibt darüberhinaus anzumerken, dass die Zahl der Flughafenstationen im DWD-Messnetz vernachlässigbar gering ist.

Fassen wir schließlich zusammen: Mit der nächtlichen Lichtintensität aus künstlichen Lichtquellen (Nighttime Lights) bzw. der daraus abgeleiteten Größe AHI haben wir einen zuverlässigen Wärmeinselindikator bei der Hand, der nur in geringem Maße von der Entwicklung des DWD-Messnetzes beeinflusst wird. Es zeigt sich, dass die mittlere Lufttemperatur in den ausgesprochenen Wärmeinseln seit der Mitte des vergangenen Jahrhunderts tatsächlich etwas stärker angestiegen ist als im deutschen Mittel. Seit den 80er Jahren setzte sich dieser Trend allerdings nicht mehr fort, und die Jahresmitteltemperaturen korrelieren eher mit den in ländlichen Regionen gemessenen Werten. Der Grund hierfür ist die Dynamik des Messnetzes, dessen Schwerpunkt sich kontinuierlich zum ländlichen Raum hin verlagert, wohingegen das Stadtklima im Begriff ist, sich als eigenständiger Forschungszweig abzukoppeln mit eigens zu diesem Zweck betriebenen Messstellen. Die verbliebenen Wetterstationen an Orten mit hohem Wärmeinseleffekt zeigen im Durchschnitt keine signifikante Zunahme der Temperatur mehr gegenüber dem Umland und tragen darüberhinaus immer weniger zur deutschen Jahresmitteltemperatur bei.

Ähnlich wie die mittlere Höhenlage der Wetterstationen, aber deutlich geringfügiger, verschiebt der Wärmeinseleffekt die Zeitreihe der Jahresmitteltemperatur insgesamt, wirkt aber nicht auf deren langfristigen Trend. Die Frage nach dem Einfluss des Wärmeinseleffektes auf die Messung der Temperaturentwicklung, die ich zu Beginn dieses Artikels aufgeworfen hatte, kann also verneint werden – zumindest in Deutschland.

Abschliessend möchte mich noch bei Herrn Lüning und Herrn Steiner für die angenehmen und sehr hilfreichen Diskussionen bedanken.

 

Dies war der 3. und letzte Teil unserer kleinen Serie zum städtischen Wärmeinseleffekt in Deutschland. Hier geht es zu Teil 1 und Teil 2.