Kurzbericht zum Projekt 07/2007 Entwicklung meteorologisch ...

Kurzbericht zum Projekt 07/2007
Entwicklung meteorologisch-klimatologischer Indizes in Abhängigkeit von der
Flächennutzung für die Raumplanung in Thüringen
Von: Gabriele Wetterauer und Martin Gude
1 Zielstellung
Das Schutzgut „Klima“ wird in der Planungspraxis bislang relativ stiefmütterlich
behandelt. Trotz gesetzlicher Vorgaben und vielseitiger Bemühungen gibt es immer
noch keinen bundesweit anerkannten Bewertungsschlüssel für diesen Umweltbereich.
Grund dafür ist die komplexe Wechselwirkung aller Umweltbereiche untereinander.
Sie ermöglicht es dem Planer nicht, einen schnellen und verlässlichen Überblick
über das Wirkungsgefüge zu erhalten. Zeit und Geld bestimmen jedoch auch
seinen Arbeitsalltag. Als Folge davon werden klimatische Belange oft nicht berücksichtigt
oder zu spät erkannt. Neuplanungen können teuer werden und Folgeschäden
stehen einer nachhaltigen und effizienten Nutzung der Umwelt im Wege.
Thema dieser Diplomarbeit ist deshalb die Entwicklung eines Planungsinstrumentes,
das es dem Raumplaner ermöglicht, das Schutzgut „Klima“ für Thüringen im Planungsprozess
bereits auf Regionalplanungsebene zu berücksichtigen. Bei Planungsarbeiten
dieses Maßstabes können geländeklimatische Potenziale unterschiedlicher
Flächennutzungen und reliefbedingte Klimafunktionen mit ihren Fernwirkungen
betrachtet werden.
Theoretisch ist das Schutzgut „Klima“ auf allen Ebenen der bundesdeutschen
Gesetzgebung verankert, bspw. auf Bundesebene u. a. im Raumordnungsgesetz
(ROG 1997), dem Gesetz über Naturschutz und Landschaftspflege (BNatSchG
2002) und im Baugesetzbuch (BauGB). Diese Rahmengesetze sollen in allen untergeordneten
Ebenen umgesetzt werden.
Für Thüringen regelt das Thüringer Gesetz für Natur und Landschaft (ThürNatG) die
Einbindung von Naturschutzbelangen in die raumordnerische Gesamtplanung. Es
gilt im Freistaat für die untergeordneten Ebenen Planungsregion, Kreis/Gemeinde
und Teile des Gemeindegebietes. Auf jeder Ebene existieren Fachplanungen verschiedener
Interessengruppen (z. B. Wirtschaft, Tourismus, Naturschutz, Verkehr).
Sie versuchen, zu ihren Gunsten Einfluss auf die Gesamtplanung zu nehmen. Für
den Bereich Umwelt- und Naturschutz übernimmt die Landschaftsplanung diese
Rolle. Dabei bleibt das Schutzgut „Klima“ aus den eingangs erwähnten Gründen
meist auf der Strecke. Der Raumplaner kann unmöglich Experte auf den Gebieten
aller Fachplanungen sein. Häufig fehlen ihm deshalb ökologische Kenntnisse, so
dass er klimatische Chancen und Risiken nicht erkennen oder einschätzen kann.
Hier muss der Klimaschützer ansetzen und sich der Mittel des Raumplaners bedienen,
um Klimaschutzziele nachvollziehbar zu formulieren.

In dieser Arbeit wird das für den Thüringer Raum versucht, indem ein leicht nachvollziehbares,
kostengünstiges und relativ zeitsparendes Bewertungsverfahren entwickelt
wird. Es ermöglicht eine relative verbale Bewertung der Klimawirksamkeit
verschiedener Flächennutzungen.
2 Geländeklima
Grundlage des Bewertungsverfahrens ist die Modifizierung des Großklimas in der
atmosphärischen Grenzschicht durch unterschiedliche Landoberflächen, das so
genannte Geländeklima. Aufbauend auf den physikalischen Grundlagen geländeklimatischer
Massen- und Energiebilanzen, die sich über die Strahlungs-, Wärme- und
Wasserbilanzen näher beschreiben lassen, werden die in Thüringen verbreiteten
Klimatope charakterisiert.
Dies sind die Tagesgänge der atmosphärischen Grenzschicht über den Flächennutzungen
Wasser, Boden, niedrige und hohe Vegetation und bebaute Oberflächen.
Durch die unterschiedlich starke tägliche Erwärmung und nächtliche Abkühlung der
verschiedenen Raumeinheiten können thermische Windsysteme angetrieben werden.
Für ebenes Gelände sind das in Thüringen der Flur- und der Waldwind. Im
reliefierten Gelände überlagern sich den Wirkungen verschiedener Flächennutzungen
zudem Hangwindzirkulationen und/oder Berg-/Talwindsysteme. Teil all dieser
Luftdynamiken ist Kaltluft. Sie tritt als Flurwind, Hangabwind der Hangwindzirkulation
und Bergwind des Berg-/Talwindsystems auf. Neben dem Reliefeinfluss beeinflusst
außerdem die reale Verdunstung die Erwärmung der Landoberflächen.
3 Planungsrelevanz
Für Thüringen gibt es zwei große Felder, die von der Raumplanung berücksichtigt
werden sollten: Bioklima und Lufthygiene. Sie werden durch das Geländeklima
beeinflusst. Dieses lässt sich wiederum nur über die Flächennutzung modifizieren.
Die Gestaltung der Flächennutzung ist deshalb die Stellschraube in den Händen
des Raumplaners.
Im relativ ebenen Thüringer Becken, in dem mehrere größere Städte des Bundeslandes
liegen, treten vorwiegend Probleme im Zusammenhang mit Frisch- und Kaltluftzufuhr
überwärmter Stadtbereiche auf. Städtische Wärmeinseln können im Sommer
durch Kaltluftzufuhr bioklimatisch aufgewertet werden. In Industriegebieten verbessert
Frischluftzufuhr die Lufthygiene. In beiden Fällen sollte deshalb Luftleitbahnen
für die Stadtdurchlüftung geschaffen oder freigehalten werden. Das sollte auch
berücksichtigt werden, wenn Flächen umgewidmet oder neu bebaut werden (z. B.
Städtebau, Straßenbau).
In den reliefierten Bereichen des Bundeslandes gibt es stärkere Kaltluftbewegungen.
Hier gibt es zwar weniger große Städte, aber viele kleine Orte. Kaltluft kann auch
hier positiv durch Frischluftzufuhr wirken (z. B. Luftkurorte des Thüringer Waldes).
Sie kann aber auch Nachteile haben. So bedroht sie durch erhöhte Frostgefahr u. a.
empfindliche Obstsorten und verlängert die Heizperiode. Außerdem können sich
innerhalb eines Kaltluftsees Luftverunreinigen ansammeln. Das ist dann der Fall,
wenn Verunreinigungsquellen unterhalb der Inversionsobergrenze des Kaltluftsees
liegen. Werden die Kaltluftverhältnisse bereits bei der Planung richtig eingeschätzt,
können negative Auswirkungen verhindert werden.

Da Raumplanung immer auch zukunftsorientiert sein sollte, müssen außerdem die
bislang erreichten Kenntnisse über den Klimawandel für Thüringen in die Planungen
eingearbeitet werden. In Zukunft werden geländeklimatisch wirksame Großwetterlagen
voraussichtlich zunehmen und sich die Beträge der Wärmebilanzgleichung vermutlich
zugunsten des fühlbaren und auf Kosten des latenten Wärmestroms verschieben.
Dadurch nimmt die Wärmebelastung in den urbanen Räumen zu.
4 Bewertungsverfahren
Indikatorbildung
Für die Bewertung des Schutzgutes „Klima“ als Teil des komplexen, nicht restlos
verstandenen Umweltsystems bieten sich Verfahren an, die einen ganzheitlich interpretierenden
Ansatz verfolgen. Zu stark detaillierte Methoden wirken schnell unübersichtlich.
Quantitative Verfahren werden durch Messungen und/oder Simulationen
häufig teuer und täuschen oftmals Genauigkeiten vor, die nicht der Wirklichkeit entsprechen.
Deshalb wird in dieser Arbeit ein relatives verbales Bewertungsverfahren
erarbeitet, das sich des Kunstgriffes der Indikatorbildung bedient.
Ein Indikator stellt eine Eigenschaft des betrachteten Systems dar, die das Ergebnis
vieler systeminterner Prozesse ist und deshalb stellvertretend für viele Charakteristika
desselben steht. Die starke Reduzierung und Vereinfachung der Systemprozesse
ist bei geschickter Indikatorauswahl ein großer Vorteil. Die richtige Wahl muss
auf wissenschaftlichen Untersuchungen begründet sein. Die Verbindung zwischen
Forschungsergebnissen und der Planungspraxis wird anschließend über die angewandte
Forschung hergestellt.
Für Thüringen bietet sich Kaltluft als Indikator an, da sie hier das geländeklimatisch
wichtigste Potenzial ist. Sie entsteht aufgrund verschiedener Flächennutzungen
und/oder Reliefausprägungen und den daraus resultierenden unterschiedlichen
Abkühlungs- bzw. Erwärmungsraten der Geländeoberflächen. Diese treiben thermische
Windsysteme an (Wald-, Flurwind, Hangwindzirkulation, Berg-/Talwindsystem).
Da die planungsrelevanten gelände-klimatischen Problemsituationen zumeist im
Sommer auftreten, wird neben der Flächennutzung und dem Relief die reale Verdunstung
in das Bewertungsverfahren eingebaut. Sie kann über die unterschiedliche
Ausprägung des latenten Wärmestromes die Erwärmung einer Landoberfläche beeinflussen
und wirkt so direkt auf die Kaltluftproduktion.
Wertbildung
Für die Bewertung des Geländeklimas in Thüringen werden folglich die drei Datenebenen
Flächennutzung (ATKIS 2003), Verdunstung (Modellsystem J2000) und
Geländeform (GMK25) benötigt. Aus der Überlagerung dieser Ebenen mit Arc-
View/Info werden Klassen potenzieller Klimawirksamkeit gebildet, die sich auf den
Indikator Kaltluft beziehen. Ergebnis ist eine dreistellige Zahl, anhand derer auf die
Flächennutzung (1. Stelle), die reale Verdunstung (2. Stelle) und die Geländeform
(3. Stelle) geschlossen werden kann.
Die Flächennutzung stellt als wichtigste Eingangsgröße die Basis des Bewertungsschemas
dar, die durch Relief und Verdunstung modifiziert wird. Anhand der ATKIS-
Daten werden wissensbasiert neun Flächennutzungsklassen (FNK) gebildet, die
Landnutzungen sehr ähnlicher Klimawirksamkeit vereinen. Diese sind ‚Siedlung’ (1),
‚Industrie/Gewerbe’ (2), ‚Verkehr’ (3), ‚Siedlungsfreifläche’ (4), ‚Acker/Gartenland’

(5), ‚Grünland’ (6), ‚Busch/ Strauch’ (7), ‚Wald/Forst’ (8) und ‚Gewässer’ (9). Durch
die Reduzierung der Anzahl der FNK wird das eingangs erwähnte Konzept der Klimatope
zum Konzept der Arealtypen erweitert. Während ein Klimatop die Ausprägung
der atmosphärischen Grenzschicht über genau einer Flächennutzung
beschreibt, können in einem Arealtyp neben einer vorherrschenden Flächennutzung
untergeordnete Nutzungen auftreten. Dieser Ansatz ist auf der Maßstabsebene der
Regionalplanung (1:50.000...100.000) wirklichkeitsnäher und vereinfacht zusätzlich
die Verfahrenshandhabung. Die einzelnen FNK werden bzgl. ihrer Klimawirksamkeiten
ausführlich dargestellt und zusätzlich tabellarisch charakterisiert bzgl. ihrer
spezifischen klimatischen, lufthygienischen und bioklimatischen Wirksamkeiten (z. B.
Kaltluftproduktion, Staubbindung, lufthygienische Einschätzung, Gesamteinschätzung).
So wird dem Anwender ein schneller Überblick ermöglicht.
Die Verdunstung wird in sechs Klassen (VK) von je 25 mm Spannweite der Verdunstungshöhe
eingeteilt und jeder VK eine Ziffer (1...6) zugeordnet. Dabei muss
beachtet werden, dass nicht alle FNK durch dieselbe VK in gleicher Weise auf- oder
abgewertet werden. Zum Beispiel werden urbane FNK durch hohe VK wegen geringerer
Überwärmungsgefahr bioklimatisch aufgewertet. Dagegen setzt eine hohe
Verdunstung die Kaltluftproduktivität naturnäherer FKN herab.
Die letzte Stelle im Wertetripel wird durch das Relief bestimmt. Dieses wurde in die
zwei Geländeformklassen (GFK) ‚Senke’ (1) und ‚Hang/Scheitel’ (2) unterteilt und
dient der Einschätzung der Kaltluftdynamik. An dieser Stelle ist das Bewertungsverfahren
nicht automatisiert. Vielmehr ist der Planer gefordert, anhand seines Kartenmaterials
und zweier Tabellen zum Einen die Kaltluftdynamik zu bewerten und zum
Anderen die Wirkung der Kaltluft in potenziellen Akkumulationsgebieten einzuschätzen.
Dazu stehen ihm Angaben über die Größe möglicher Kaltlufteinzugsgebiete und
die Beschaffenheit der Kaltluftleitbahn (Hangneigung, -querprofil, -länge) sowie über
Klimate unterschiedlicher, im mitteleuropäischen Raum auftretender konkaver
Reliefformen zur Verfügung.
Das Bewertungsverfahren wurde in mehreren Auflösungen (1 km, 500 m, 200 m,
100 m und 50 m) auf zwei Untersuchungsgebiete angewendet, die exemplarisch für
die Landschaftsvielfalt Thüringens stehen. Dabei wurde u. a. deutlich, dass verschiedene
Naturraumausstattungen und Flächennutzungsstrukturen unterschiedliche
Auflösungsoptima bedingen.
Das Untersuchungsgebiet 1 (UG1) liegt im Thüringer Becken im Raum Sömmerda
und stellt einen stark ländlich geprägten, kaum reliefierten Raum dar. Kaltluftdynamiken
spielen daher kaum eine Rolle. Auswertungen verschiedener Rasterauflösungen
ergaben, dass eine Kantenlänge von ca. 100 m eine ausreichend detaillierte Ergebniskarte
erbringt, um die Klimawirksamkeit des Raumes zu untersuchen (s. Abb. 1).
Mit dem Untersuchungsgebiet 2 (UG 2) wurden Reliefeinflüsse auf die Klimawirksamkeit
von Flächen gezeigt. Das UG 2 liegt an der SO-Abdachung des Thüringer
Waldes bei Friedrichroda. Es weist damit eine größere Reliefenergie und eine stärkere
Flächendifferenzierung auf als das UG 1. An diesem Beispiel können sowohl
Fernwirkungen klimawirksamer Flächen als auch der Einfluss der stärker differenzierten
Eingangsebenen auf die Auflösung aufgezeigt werden. Die optimale Rastergröße
liegt hier bei ca. 50 m Kantenlänge (s. Abb. 2).

Abb. 1: Ergebniskarte UG 1 - 100 m-Auflösung
Abb. 2: Ergebniskarte UG 2 - 50 m-Auflösung

5 Fazit
Die Planungspraxis ist durch Zeitmangel und begrenzte Finanzen geprägt. Soll ein
bislang schwer fassbares Schutzgut wie das Klima in die Planung einbezogen werden,
können aufwendige und teure Bewertungsalgorithmen leicht dazu führen, diesen
Umweltaspekt völlig außer Acht zu lassen. Grundgedanke des in dieser Arbeit
entwickelten Bewertungsverfahrens war es deshalb, vorhandene Datenquellen und
Auswertungsmöglichkeiten zu nutzen und ein möglichst einfaches, die wichtigsten
Zusammenhänge erfassendes Verfahren zu erstellen. Landnutzungs- und Geländeinformationen
gehören zu den Grundlagendaten eines Planers. Die reale Verdunstung
wurde im Jahr 2007 am Lehrstuhl für Geoinformatik der FSU Jena entwickelt
und steht seitdem der TLUG zur Verfügung. ArcGIS-Anwendungen sind ebenfalls
Standardausrüstung vieler öffentlicher und privater Unternehmen, die Bezug zur
Raumbewertung haben. Deshalb sollte diese Methode geeignet sein, um bei Entscheidungsfragen
zu Flächeneignungen für ein Planvorhaben einen Überblick zu
gewinnen, welche klimatischen Auswirkungen eine Flächenumnutzung mit sich
bringt. Dadurch kann Schadenspotenzial von vorneherein abgeschätzt und unter
Berücksichtung aller weiteren Planungsfaktoren so gering wie möglich gehalten werden.
Der Mangel der nicht automatisierten Einbeziehung der Geländeform kann dabei als
Vorteil betrachtet werden. Durch die Anleitung zur Bewertung des Wirkungsgefüges
von ausgleichenden und belasteten Räumen muss der Planer den letzten Schritt
aktiv nachvollziehen und wird deshalb, gelangt er zu einem Ergebnis, dieses für
plausibel erachten. Gleichzeitig wird das Verständnis für geländeklimatische Prozesse
geschult, so dass folgende Bewertungen noch schneller durchgeführt werden
können.