Mesoskalige Analyse

Städtische Wärmeinseln in Berlin
© Fraunhofer IBP
Karte der städtischen Wärmeinsel für Berlin.

Wir verwenden das »Weather Research and Forecasting« (WRF) Modell, um grobgerasterte Klimaprognosen zu erstellen. Das WRF-Modell ist ein numerisches Wettervorhersagesystem, das sowohl der Atmosphärenforschung als auch der operativen Vorhersage dient. Dieses Modell wurde, durch Einbeziehung spezieller Parametrisierungen, auf die Anwendung der Stadthindernisschicht (urban canopy layer) erweitert. In letzter Zeit sind Parametrisierungen der Stadthindernisschicht mit Gebäudeenergiemodellen gekoppelt worden, um die Abschätzung des Energieverbrauchs von Gebäuden zu ermöglichen. Die Ergebnisse einer WRF-Simulation können direkt interpretiert werden oder dazu dienen, die Randbedingungen für ein mikroskaliges CFD-Modell wie PALM-4U zu liefern.

Neben anderen Modulen umfasst WRF ein vollständig gekoppeltes Landoberflächenmodell: Die Ergebnisse des WRF-Modells hinsichtlich atmosphärischer Bedingungen, kurzwelliger/langwelliger Strahlung und Niederschlag werden zur Aktualisierung des Landzustands verwendet, was wiederum die WRF-Simulation der atmosphärischen Bedingungen beeinflusst. Über städtischen Gebieten wird eine Parametrisierung der Stadthindernisschicht vorgenommen, um die morphologischen und thermophysikalischen Merkmale der Stadt entsprechend zu berücksichtigen. Angesichts der kritischen Bedeutung der Bodenfeuchtebedingungen in den meisten europäischen Städten verbessern wir die Standardimplementierung von WRF indem wir das entkoppelte hochauflösende Landdaten-Assimilationssystem (HRLDAS) zur Initialisierung der Landzustandsvariablen einbeziehen. Da die Simulationszeit zum Erreichen eines Gleichgewichts des Bodenzustandes über ein Jahr betragen kann, reduziert sich der rechnerische Aufwand durch Einsatz des schnelleren HRLDAS-Modells erheblich im Vergleich zur aufwändigen Atmosphärensimulation mit WRF über solch einen langen Zeitraum.

Zwei Ableger des WRF-Modells, die für die Erforschung des Stadtklimas von Bedeutung sind, sind WRF-Chem und WRF-Hydro. WRF-Hydro wird benutzt, um Überschwemmungen, hydrologische Zustände und die räumliche Verteilung von Wasserressourcen zu simulieren. Es handelt sich um ein physikbasiertes hydro-meteorologisches Modell, das die meteorologischen Randbedingungen (Landoberflächenzustände und -flüsse) von WRF erhält. Unter Verwendung des assimilierten Niederschlags auf der Grundlage von WRF, führt WRF-Hydro zu allgemein zufriedenstellenden Ergebnissen bei der Hochwasservorhersage. Die durch WRF-Hydro gewonnenen Kenntnisse können die Entscheidungsträger über Standort, Zeitpunkt und Dauer von Überschwemmungen, unter Berücksichtigung der Landschaftsgeometrie, informieren. WRF-Chem kann meteorologische Bedingungen zusammen mit Luftschadstoffkonzentrationen simulieren, wobei der Schwerpunkt auf Stickoxiden, Feinstaub und Ozon (O3) liegt. Mit WRF-Chem wurden verschiedene Gasphasenchemie- und Aerosolmechanismen dem WRF-Basismodell hinzugefügt. Eine wichtige Anwendung von WRF-Chem in einer städtischen Umgebung ist die Simulation von oberflächennahen atmosphärischen Ozonkonzentrationen. Das in städtischen Gebieten vorkommende Ozon ist zum Großteil ein sekundärer Schadstoff, der in der Anwesenheit von Vorläufern wie Stickstoffoxid und Kohlenmonoxid entsteht. Die Erzeugung von Ozon in Städten wird durch intensive photochemische Aktivität und die vorherrschenden urbanen mikroklimatischen Bedingungen begünstigt.

Anwendungsbeispiele:

  • Hochauflösende räumliche Kartierung der aktuellen oder zukünftigen städtischen Wärmeinsel (Gemeinden)
  • Hochwasserschutz (Gemeinden)
  • Vermeidung von Hitzebelastung oder Luftverschmutzung (Gesundheitsbehörden, Stadtbewohner)
  • Vorhersage von Extremereignissen (Behörden für öffentliche Sicherheit, Versicherungsgesellschaften)
  • Kombinierte Wirkung von städtischer Wärmeinsel und globaler Erwärmung (Gemeinden, nationale energiepolitische Entscheidungsträger)

Publikationen

  • Vogel, J.; Afshari, A. (2020), Comparison of Urban Heat Island Intensity Estimation Methods Using Urbanized WRF in Berlin, Germany, Atmosphere, Volume 11, 1338, https://doi.org/10.3390/atmos11121338