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Meteorologie

Ein Baum, ein Haus, ein Berg: Das alles spielt fürs Klima mit

Die Messungen laufen in der schönen Innsbrucker Innenstadt und draußen beim Flughafen im freien Gelände.Getty Images
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Mehr als die Hälfte der Erdbevölkerung lebt in Städten: Viele der Metropolen liegen in ungewöhnlicher Landschaft. Am Beispiel von Innsbruck und seinen Bergen werden Modelle an unerwartete Umstände angepasst.

„Was, bei dir schneit's? Bei uns regnet's nur.“ Solche Telefonate kennt jeder, und die zwei Enden der Telefonleitung müssen gar nicht weit auseinander liegen. Gerade bei Gesprächen innerhalb derselben Stadt ist die Überraschung groß, wenn Temperaturen und Wetter so verschieden sind. Städte schaffen sich ihr eigenes Klima: Am Flussufer sind Winde und Temperaturen anders als im Stadtzentrum. Die eine Straße im Schatten kann um einige Grad kühler sein als die Nachbargasse in der Sonne. Wer durch den Park spaziert, bemerkt das veränderte Mikroklima im Vergleich zum Parkplatz. Helen Ward hat – nach ihrem Physik-Master an der Oxford University – in London das Doktorat in Städtischer Meteorologie gemacht und kam 2017 an die Uni Innsbruck, weil diese Forschungen hier eine ganz spezielle Basis haben.

„Wir wissen, dass in einer Stadt die räumlichen Unterschiede bei Temperatur und Wind sehr stark sein können. Wir wissen auch, dass Berge das Wetter vielfältig beeinflussen: Aber keiner zeigte bisher, wie diese Faktoren gemeinsam wirken“, erklärt Ward. In einem Lise-Meitner-Projekt des Wissenschaftsfonds FWF hat sie daher untersucht, wie sich Städte in bergigem Gelände von Städten in flachem Gelände unterscheiden.

„Viele derzeitige Wetter- und Klimamodelle stammen aus weiten, flachen Gegenden. Wir erforschen erstmals die Einflüsse von Gebäuden und Infrastruktur einer Stadt kombiniert mit den Einflüssen des Gebirgstals“, sagt die Meteorologin. Immerhin kennen nicht nur Innsbrucker, sondern alle Bewohnerinnen und Bewohner von Städten in Bergen außergewöhnliche, oftmals gefährliche Wetterbedingungen mit Schneefällen, Überschwemmungen und Föhn. Die Luftqualität kann leiden, wenn Schadstoffe nicht so gut weggeblasen werden wie in flachen Landschaften.

Jeder Stadtteil hat sein eigenes Wetter

Es braucht also genauere Modelle und Berechnungen, die auch kleine Details des Geländes beachten, um nicht zuletzt Prognosen zu Klimawandelfolgen präziser zu gestalten und sinnvolle Maßnahmen zu finden. „In Innsbruck ist es manchmal an einem Ende der Stadt um zehn Grad kühler als am anderen Ende“, weiß Ward.

Hier spielen nicht nur klassische Mikroklima-Prozesse einer Stadt mit, sondern eben auch die Gebirgsumgebung. „Es ist nicht untypisch, dass der Föhn auf der einen Seite schon bläst, während woanders noch ein Kaltluftsee festsitzt“, sagt die Britin, die aus ihrer Heimat solche Phänomene gar nicht kannte. „Zu Anfang war mir das Bergwetter recht fremd, als ich nach Tirol gekommen bin.“ Die jahreszeitlichen Rhythmen mit sommerlichen Winden talaufwärts und im Winter talabwärts gerichteten Luftbewegungen sind nun aber Teil ihrer Berechnungen. „Zum ersten Mal zeigen wir, welchen Einfluss die Eigenschaften des Bergwetters auf die Turbulenzen und den Luftaustausch über der Stadt haben.“

Die Datenerhebung läuft seit etwa vier Jahren und ist sehr aufwendig. Auf dem Dach der Uni Innsbruck ragt ein hoher Messturm mitten im Stadtzentrum in die Luft, der die Windbewegungen dreidimensional in hoher zeitlicher Auflösung misst (zehn Mal pro Sekunde). Zugleich liefert der Messturm Informationen zu Temperatur, Wasserdampf und Luftgasen. „Unter anderem können wir den CO2-Gehalt bestimmen und sehen so die Summe aller Emissionen aus Haushalten, Gebäuden und Verkehr – abzüglich der CO2-Aufnahme durch Pflanzen und Umwelt“, sagt Ward.

Gemeinsam mit einer Reihe von Messstationen rund um die Stadt erfasste sie somit die Bewegungen von Luft, Wärme und Schadstoffen. Ihr Team verglich auch die Messdaten aus dem Turm in der Innenstadt mit denen von einer Messstation am Flughafen: „Das zeigt klar, welche Veränderungen der Stadt und den Gebäuden zuzuschreiben sind und welche einfach durch die bergige Umgebung zustandekommen. Denn beim Flughafen ist Grasland, wenig Infrastruktur – doch die umgebenden Berge sind die gleichen wie in der Innenstadt.“

Vergleich mit Mexiko und den USA

Die Ergebnisse interessieren auch Klimaforscher und Meteorologen aus anderen Ländern. „Es gibt zwar Studien aus Städten mit Bergen, etwa Salt Lake City oder Mexico City. Doch dort sind die Gebirge immer ein Stück weiter weg von den Siedlungen. So nah wie in Innsbruck, wo im Tal die Stadt ist und direkt daneben die Gipfel um 2000 Meter höher liegen, das wurde noch nie untersucht“, sagt Ward.

Es geht immer darum, die bestehenden Modelle mit genaueren Daten zu vergleichen. So können auch Effekte des Tagesrhythmus sichtbar werden, etwa wenn der Föhn über Innsbruck sogar in der Nacht bläst: „Das ist für andere Städte untypisch. Aber so werden über Nacht Schadstoffe und CO2 aus der Siedlung hinausgeweht.“

Neue Modelle berechnen auch lokal unterschiedliche Sonnenauf- und -untergangszeiten, die je nach Hanglage variieren und etwa für Ansammlungen von Schadstoffen sorgen können, wenn sich Stadtteile im Bergschatten kaum erwärmen und die Luft wenig zirkuliert.

Auf einen Meter genau hinschauen

Die in Innsbruck gemessenen Daten wurden nun verwendet, um das „Weather Research and Forecasting Model“, das weltweit von Bedeutung ist, zu evaluieren. „Bisher schaffen wir eine räumliche Auflösung von einem Kilometer. In meinem nächsten Projekt, einem Elise-Richter-Stipendium des FWF, soll das noch genauer werden, mit einer Auflösung von einem Meter“, betont Ward.

Die Hoffnung ist, dass damit der Einfluss eines einzelnen Gebäudes bemessen werden kann oder dass punktgenau die Auswirkungen von Baumpflanzungen oder Bodenversiegelungen prognostiziert werden. Zu jeder Ecke einer Straße, auf den Parkplatz vor dem Supermarkt – überall kann man hineinzoomen. „Aber auch vertikal soll die Berechnung klappen: Wie fühlt es sich für die Fußgänger unten an und wie für die Leute auf der Dachterrasse? Wie zirkuliert die Luft über dem Berghang?“, führt Ward aus.

Gute und schlechte Effekte einer Allee

Viele kleinräumige Turbulenzen sind uns gar nicht bewusst: Ein neu errichtetes Gebäude kann für Schatten sorgen oder zu einer Hitzeinsel werden. Eine Allee mit neuen Bäumen kühlt normalerweise das Grätzel durch Verdunstung und Beschattung. „Doch wir wollen unerwartete Effekte sichtbar machen: So eine Allee bremst vielleicht die Luftzirkulation, wenn das Blätterdach Schadstoffe unter sich einschließt. Für solche komplexen Zusammenhänge müssen die Modelle einen echt guten Job machen“, klärt Ward auf. Ihr Job ist nun, die Luftzirkulationsmodelle immer besser an die echten Gegebenheiten anzupassen.

All diese Erkenntnisse helfen, weltweit ungewöhnliche Umgebungen besser abbildbar zu machen und Prognosen zu verbessern: Sei es für Megacitys an Meeresküsten, Metropolen auf Hochplateaus oder Städte in Flusstälern.

[SAOIC]