Mesoskalige Analyse

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

Um grobgerasterte Klimaprognosen zu erstellen, verwendet unser Expertenteam das »Weather Research and Forecasting Model (WRF)«. Hierbei handelt es sich um ein numerisches Wettervorhersagesystem, das der Atmosphärenforschung und auch der operativen Vorhersage dient. Durch Einbeziehung spezieller Parametrisierungen ist das WRF-Modell jedoch auch auf die Stadthindernisschicht (engl. »urban canopy layer«) anwendbar. Zudem wurden diese Parametrisierungen jüngst mit Gebäudeenergiemodellen gekoppelt, wodurch die Abschätzung des Energieverbrauchs von Gebäuden möglich ist. Die Ergebnisse einer WRF-Simulation können direkt interpretiert werden oder die Randbedingungen für ein mikroskaliges CFD-Modell wie PALM-4U liefern.

Neben anderen Modulen umfasst WRF ein vollständig gekoppeltes Landoberflächenmodell: Die Ergebnisse dieses Modells hinsichtlich atmosphärischer Bedingungen, kurzwelliger/langwelliger Strahlung und Niederschlag werden zur Aktualisierung des Landzustands verwendet, was wiederum die WRF-Simulation der atmosphärischen Bedingungen beeinflusst. Um die morphologischen und thermophysikalischen Merkmale der Stadt entsprechend zu berücksichtigen, wird über städtischen Gebieten eine Parametrisierung der Stadthindernisschicht vorgenommen. Angesichts der kritischen Bedeutung der Bodenfeuchtebedingungen in den meisten europäischen Städten verbessern unsere Forschenden die Standardimplementierung von WRF zusätzlich, indem sie 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, bietet sich der Einsatz des schnelleren HRLDAS-Modells an: Der rechnerische Aufwand reduziert sich im Vergleich zur aufwändigen Atmosphärensimulation mit WRF erheblich.

Bedeutend für die Erforschung des Stadtklimas sind zudem WRF-Chem und WRF-Hydro, zwei Ableger des WRF-Modells. WRF-Hydro, ein physikbasiertes hydro-meteorologisches Modell, simuliert Überschwemmungen, hydrologische Zustände und die räumliche Verteilung von Wasserressourcen und liefert zufriedenstellende Ergebnisse bei der Hochwasservorhersage. Entscheidungsträger*innen können so – unter Berücksichtigung der spezifischen Landschaftsgeometrie – Informationen zu Standort, Zeitpunkt und Dauer von Überschwemmungen erhalten. WRF-Chem dient der Simulation von meteorologischen Bedingungen zusammen mit Luftschadstoffkonzentrationen, wobei der Schwerpunkt auf Stickoxiden, Feinstaub und Ozon (O3) liegt. Das WRF-Basismodell wird hier folglich um verschiedene Gasphasenchemie- und Aerosolmechanismen ergänzt.

Anwendungsbeispiele:

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

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
 

Highlightprojekte