Klima: Klima – Vergangenheit/Bioklima

Deutscher Wetterdienst Bioklima

Einführung

Das Bioklima ist die Summe aller auf lebende Organismen wirkenden Faktoren des Klimas. Im Folgenden wird darunter speziell der Einfluss auf den Menschen verstanden. Um ein Gleichgewicht seiner Lebensfunktionen zu erhalten, muss sich der Mensch mit den atmosphärischen Umgebungsbedingungen dauernd auseinandersetzen. Sein Wohlbefinden, seine Leistungsfähigkeit und seine Gesundheit können davon stark beeinflusst sein.

Der Gesunde besitzt eine außerordentliche Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche atmosphärische Bedingungen, wobei die Anpassungsleistungen über autonome Regulationen meist unbemerkt erbracht werden. Wie zahlreiche epidemiologische Studien belegen wird das Anpassungsvermögen empfindlicher Personen - insbesondere bei entsprechender Prädisposition im Bereich des Herz-Kreislauf-Systems und der Atemwege - schneller überfordert. Als Beispiel zeigt Abb. 1 eine Beziehung zwischen Mortalitätsdaten aus Baden-Württemberg und den thermischen Bedingungen ausgedrückt über die gefühlte Temperatur (Walther, 1999). Man erkennt, dass hohe gefühlte Temperaturen also 'Wärmebelastung' starken Stress bedeuten. Kühle Bedingungen dagegen fordern den Organismus im Sinne eines Reizes, der seine Regulationsfähigkeit trainiert. Sind die Kältereize allerdings zu stark, führen auch kalte Bedingungen zu einer Belastung, die sich ungünstig auf den Organismus auswirken kann. Es muss aber auch unterhalb der Schwelle extremer Ereignisse von einer massiven Beeinflussung der Lebensqualität durch die gegebenen klimatischen Bedingungen ausgegangen werden.


Abb.1: Mortalitätsrate (relative Abweichung) in Baden-Württemberg in Abhängigkeit der gefühlten Temperatur (GT) unter warmen Bedingungen

 

Das angeführte Beispiel verdeutlicht die Relevanz des Klimas als natürliche Lebensgrundlage und unterstreicht zugleich die Wichtigkeit seiner Sicherung und Verbesserung durch die Raumplanung in allen Maßstäben.

Energiebilanzmodelle ermöglichen eine Bewertung von Klima

Der Mensch besitzt die Fähigkeit, die Temperatur in seinem Körperinneren unabhängig von wechselnden Umgebungsbedingungen innerhalb einer geringen Schwankungsbreite durch eine Reihe unwillkürlich ablaufender Regulationsmechanismen konstant zu halten. Die gesundheitliche Bedeutung hängt dabei mit der engen Vernetzung von Thermo- und Kreislaufregulation zusammen. Bei minimaler Aktivität des Thermoregulationssytems herrscht Behaglichkeit; je stärker es aber gefordert wird, umso eher wird die Umgebung als belastend empfunden.

Mit Hilfe von Energiebilanzmodellen des Menschen (VDI,1998) lässt sich die zu erbringende Anpassungsleistung an die Umgebungsbedingungen berechnen. Dabei ist nicht nur die Lufttemperatur von Bedeutung, sondern es sind ebenso Wind, Feuchte und Strahlungsverhältnisse zu berücksichtigen sowie neben diesen meteorologischen Größen auch die Aktivität und Bekleidung des Menschen. Ein solches Energiebilanzmodell ist das Klima-Michel-Modell (Jendritzky et al.,1990). Es basiert auf der Behaglichkeitsgleichung von Fanger (Fanger, 1972), verknüpft alle für den menschlichen Wärmehaushalt relevanten Größen und liefert eine Aussage über das durchschnittliche subjektive Empfinden des Menschen (Behaglichkeit, Wärmebelastung, Kältestress). Der Name <Michel> weist auf den Durchschnittsmenschen hin (hier: männlich, 35 Jahre alt, 175 cm groß, 75 kg schwer). Zur Beschreibung des thermischen Empfindens dient die gefühlte Temperatur (Staiger et al., 1997) in der Einheit °C. Sie ist ein Maß für die thermische Beanspruchung des Menschen in seiner atmosphärischen Umgebung. Sie vergleicht die tatsächlich vorgefundenen Bedingungen mit der Temperatur, die in einer Standardumgebung herrschen müsste, um ein identisches Wärme-, Behaglichkeits- oder Kaltgefühl zu haben. Die Bekleidung wird zwischen sommerlich und winterlich stets so gewählt, dass sich der Mensch unter den gegebenen Bedingungen nach Möglichkeit behaglich fühlt. Gefühlte Temperaturen zwischen 0°C und 20°C bedeuten Behaglichkeit, gefühlte Temperaturen kleiner als 0°C erzeugen ein Kalt- und größer als 20°C ein Warmgefühl. Auf der Basis von meteorologischen Daten lassen sich folglich mit dem Klima-Michel-Modell physiologisch relevante und damit bewertende Aussagen erzeugen.

Bioklimatologische Bewertung im Raum

Zur flächendeckenden Erfassung des Bioklimas wurden die 30jährigen Mess- und Beobachtungsdaten der Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes (Zeitraum: 1971 - 2000) mit dem Klima-Michel-Modell analysiert. Um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurde die Aktivität des Menschen konstant gehalten (Spazierengehen, Arbeitsleistung: 172,5 W), während die Bekleidung gemäß Definition der gefühlten Temperatur zwischen sommerlich und winterlich variiert wurde.

Anschließend wurde untersucht, wie häufig an jeder Station im Mittel Wärmebelastung im Sommerhalbjahr bzw. Kältereize im Winterhalbjahr auftreten. Die Übertragung in den Raum erfolgte mit einem statistischen Modell. Es basiert auf der Überlegung, dass das Klima und damit auch das Bioklima durch die natürlichen, klimatologischen Wirkungsfaktoren ('Klimafaktoren') bestimmt wird (Schirmer 1981). Es sind dies zum einen die eher regionalen Faktoren geographische Breite und Länge, Kontinentalität/Maritimität, Höhe über NN, zum anderen die eher lokalen Faktoren Geländeform, Exposition des Geländes und Flächennutzung. Digitale Höhen- und Landnutzungsdaten enthalten die notwendigen Informationen, um dann über einen Regressionsansatz pixelweise das Bioklima zu berechnen (Jendritzky et al. 1990, REKLIP, 1995).

Bioklimakarten - Interpretation und Bewertung

Zur Charakterisierung von unterschiedlichen Landschaften nach der Stärke der biometeorologischen Anforderungen an die Thermoregulation wird die Häufigkeit des Auftretens von Wärmebelastung und von Kältereizen tagsüber trotz jeweils angepasster Bekleidung benutzt.

So zeigen die Bioklimakarten die räumliche Verteilung der Tage mit Wärmebelastung (siehe Karte) bzw. mit Kältereizen (siehe Karte), die im vieljährigen Durchschnitt zu erwarten ist. Dabei versteht man unter einem Tag mit Wärmebelastung bzw. Kältereiz einen Tag, an dem tagsüber ein fester Wert der gefühlten Temperatur überschritten wird bzw. das Tagesmittel zwischen 7.00 und 19.00 MEZ einen festen Wert unterschreitet. Wärmebelastung tritt hauptsächlich bei sommerlichen, strahlungsreichen Hochdruckwetterlagen mit geringer Luftbewegung auf. Kältereize dagegen sind mit niedrigen Temperaturen und höheren Windgeschwindigkeiten verknüpft.

Am häufigsten ist in Hessen das Rhein-Main-Gebiet wärmebelastet, die mittleren Höhenlagen mit 12 bis 20 Tagen schon deutlich seltener und die Hochlagen der Mittelgebirge (z. B. Taunus, Rhön, Westerwald, Rothaargebirge) kaum. Hier spiegelt sich die Höhenabhängigkeit der Wärmebelastung deutlich wider. Nicht ganz so augenfällig, aber dennoch gut zu erkennen ist der Einfluss des Klimafaktors 'geographische Lage', der sich mit einem Süd-Nord-Gefälle bemerkbar macht: bei gleicher Höhenlage und Nutzung ist im Süden häufiger mit Wärmebelastung zu rechnen als im Norden.

Kleinräumiger sind die Modifikationen, die durch die Art der Landnutzungen hervorgerufen werden. Besonders deutlich zeigen sie sich dort, wo nur geringe Höhenunterschiede auftreten, wie z. B. im Rhein-Main-Gebiet. Die Wälder (z. B. die Waldflächen südlich von Frankfurt) zeichnen sich dabei als Bereiche mit geringerer Wärmebelastung ab. Verantwortlich dafür sind der Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung und die geringere Lufttemperatur, während die Abschwächung der Abkühlungsgröße Wind innerhalb des Baumbestandes für sich betrachtet zu einer Zunahme der Wärmebelastung führen müsste. Dieser Effekt wird jedoch überkompensiert. In Siedlungsgebieten sind dagegen Tage mit Wärmebelastung noch häufiger anzutreffen als auf den umliegenden Freiflächen. Aufgrund unterschiedlicher Bebauungsdichte ( die Ausgangsdaten unterscheiden zwei Bebauungsklassen) lässt sich teilweise (z. B. in Frankfurt) eine weitere Differenzierung erkennen, wobei eine zunehmende Bebauungsdichte das Auftreten von Wärmebelastung begünstigt.

Analog zur Sommersituation prägen die Klimafaktoren 'geographische Lage' und 'Höhe' auch die bioklimatischen Verhältnisse im Winter maßgeblich. Dabei kommt es trotz entsprechender Winterbekleidung in den Hochlagen der Mittelgebirge sehr häufig zu Kältereizen. In mittleren Höhenlagen treten Kältereize mit von Nordost nach Südwest abnehmender Häufigkeit vermehrt bis gelegentlich auf. Im Rhein-Main-Gebiet sind Tage mit Kältereizen dagegen selten.

Auch die Abhängigkeit von der Oberflächenform und der Art der Landnutzung lässt sich in der Verteilung der Tage mit Kältereizen erkennen. So wird Kältestress in windgeschützten Tallagen weniger häufig angetroffen als bei gleicher Höhe in ebenem Gelände oder gar auf windexponierten Bergkuppen (z. B. die Seitentäler des Kinzigtals im Vergleich zu offenen Freiflächen in gleicher Höhenlage).

Die Auswirkungen unterschiedlicher Landnutzung zeigt sich wie schon bei der Sommersituation in der Ebene des Rhein-Main-Gebietes am deutlichsten. Man erkennt, dass sich sowohl der Stadt- wie auch der Waldeinfluss in Richtung einer Entlastung auf das Bioklima auswirken, d. h. in Wäldern und Städten ist gegenüber der Umgebung seltener mit Kältereizen zu rechnen. Als Ursache kann dabei vor allen Dingen die Reduktion der mittleren Windgeschwindigkeit innerhalb des Baumbestandes, aber auch innerhalb der Häuserschluchten angesehen werden.

Schlussbemerkung

Während Kältereize durch geeignete Verhaltensweisen wie das Aufsuchen von geschützten Bereichen vermindert oder sogar vermieden werden können, sind bei Wärmebelastung die Anpassungsmöglichkeiten begrenzt. Daher ist es wichtig, insbesondere den Faktor Wärmebelastung bei Planungsfragen in allen Maßstäben als kritische Randbedingung in die Betrachtungen einzubeziehen.

Literatur

Fanger, P.O., 1972: Thermal Comfort, Analysis and Applications in Environmental Engineering. McGraw-Hill, New York.

Jendritzky, G., G. Menz, H. Schirmer, W. Schmidt-Kessen, 1990: Methodik zur raumbezogenen Bewertung der thermischen Komponente im Bioklima des Menschen (Fortgeschriebenes Klima-Michel-Modell). - Beitr. Akad. Raumforsch. Landespl. 114.

REKLIP, Trinationale Arbeitsgemeinschaft Regio-Klima-Projekt (Hrsg.), 1995: Klimaatlas Oberrhein Mitte-Süd. Verlagsgemeinschaft vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich; IFG Institut für angewandte Geowissenschaften, Offenbach; Editions Coprur, Strasbourg.

Schirmer, H., 1981: Die klimatologischen Wirkungsfaktoren und ihre Bedeutung für die Planung. - Jahrb. Regionalwiss., 2: 140 - 148, Göttingen.

Steiger, H., K. Bucher, G., Jendritzky, 1997: Gefühlte Temperatur. Die physiologisch gerechte Bewertung von Wärmebelastung und Kältestress beim Aufenthalt im Freien mit der Maßzahl Grad Celsius. In: Annalen der Meteorologie 33, Offenbach, 100 - 107.

VDI, 1998: Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung von Klima und Lufthygiene für die Stadt- und Regionalplanung. Teil I: Klima. - VDI-Richtlinie 3787.

Walther, H.-M., 1999: Einfluss der thermischen Bedingungen auf die tägliche Mortalität in Baden-Württemberg. Institut für Meteorologie und Klimaforschung Universität Karlsruhe(TH)/Forschungszentrum Karlsruhe.

© 2013 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie