Planung von blau-grüner Infrastruktur

Hitzestress

Mithilfe eines GIS-basierten Modellierungsansatzes wurden die Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre untersucht, insbesondere die Oberflächentemperatur und der Universal Thermal Climate Index (UTCI). Letzterer dient der Bestimmung der menschlichen Hitzebelastung. Der Modellierungsansatz basiert auf früheren Studien von Back et al. (2023) [11] und (2024) [1] und wurde angepasst, um eine Modellierung aller Parameter auf stadtweiter Ebene zu ermöglichen. Die Berechnungen basieren auf Falschfarben-Infrarotbildern (CIR, Colour Infrared). Dabei handelt es sich um multispektrale Bilder, die Informationen im nahen Infrarot-, Rot- und Grünbereich des elektromagnetischen Spektrums erfassen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Fähigkeit, verschiedene Wellenlängen zu reflektieren und zu absorbieren, sind diese Bilddaten besonders nützlich für die Analyse des Zustands der Vegetation oder der Bodenbedeckung. Bestimmte Reflexionsmuster der Vegetation korrelieren beispielsweise mit dem Wasserzustand, etwa mit Trockenheit. Die räumliche Auflösung der eingegebenen CIR-Bilddaten bestimmt die räumliche Genauigkeit der Ausgabedaten und beträgt in diesem Fall 0,2 Meter. Die Modellierung wird in ArcGIS Pro 3.3 [12] durchgeführt.

Fallstudie und Eingangsdaten

Das Fallbeispiel ist die Stadt Innsbruck, die auf einer Höhe von ca. 574 m ü. M. im Inntal in den österreichischen Alpen liegt (Fig. 1 A). Sie erstreckt sich über eine Fläche von 36,6 km² und hat etwa 130 000 Einwohner. Die Untersuchungen in dieser Studie umfassen die 172 Zählsprengel der Stadt. Neben den bereits beschriebenen Niederschlags- und Temperaturdaten aus der Klimamodellierung, benötigen die Simulationen ein Falschfarben-Infrarot Bild (Fig. 1 C), Informationen zum Sky View Factor (SVF) (Fig. 1 B) und eine Oberflächenklassifizierung (Fig. 1 D) als weitere Eingangsdaten.

Der SVF gibt an, wie viel vom Himmel von einem bestimmten Punkt aus sichtbar ist. Dadurch bestimmt dieser Faktor massgeblich, wie viel einfallende direkte und diffuse Sonnenstrahlung an diesem Punkt ankommt.

Die Oberflächenklassifizierung, die die Kategorien Wasser, Verkehrsflächen, Vegetation > 2 m, Vegetation < 2 m, Gründach und Gebäude umfasst, bestimmt die unterschiedlichen Oberflächentypen in der Stadt. Sie dient zur Berechnung des aktuellen Grünanteils, Gebäudeanteils und Versiegelungsanteils in den einzelnen Zählsprengeln. Diese Datensätze werden zusätzlich durch einen Gebäudedatensatz und ein digitales Oberflächenmodell unterstützt. Letzteres dient der Berechnung des SVF und als Eingangsdatensatz für die Überflutungssimulationen im Modell CA-ffé.

Alle nötigen Datensätze wurden von der Abteilung Geoinformation des Landes Tirol zur Verfügung gestellt.

Ergebnisse

Überflutungsgefährdung, Wasserbilanz und Hitzestress – Status quo

Auf Basis der Simulationen in den einzelnen Modellen wurde der Status quo in Bezug auf die Überflutungsgefährdung, die Wasserbilanz und den Hitzestress für die einzelnen Zählsprengel der Stadt Innsbruck ermittelt: Figur 2 A, B und C zeigen die Aufteilung der Komponenten der Wasserbilanz: Evapotranspiration, Grundwasserneubildung und Abfluss; Figur 2 D und E zeigen das Überstauvolumen und die Überflutungsfläche; Figur 2 F zeigt den menschlichen Hitzestress anhand des Universal Thermal Climate Index (UTCI) an einem Hitzetag mit einer Lufttemperatur von 31,2 °C.

Auswirkung von Abkopplungsmassnahmen und BGI-Implementierung

Die Ergebnisse bestätigen, dass eine grossflächige Flächenabkopplung geeignet ist, das Überstauvolumen und die Überflutungsfläche auf stadtweiter Ebene zu reduzieren. Der Effekt nimmt mit steigender Niederschlagsintensität etwas ab. Ebenso kann festgehalten werden, dass durch die grossflächige Abkopplung mit BGI, dimensioniert nach Regelblatt 45, die Wasserbilanz auf stadtweiter Ebene leicht verbessert wird. Dies ist an dem deutlichen Rückgang des Abflussanteils an der Wasserbilanz erkennbar. Jedoch ist auch zu erkennen, dass der Reduktion des Abflusses lediglich ein Anstieg der Infiltration entgegensteht. Der Anstieg der Evapotranspiration hingegen ist nur sehr gering (Tab. 1).

In Bezug auf die Hitzestressreduktion, zeigen die Ergebnisse, dass die Veränderung einer versiegelten Fläche in eine begrünte Fläche lokal den UTCI um bis zu 2,5 °C herabsetzen kann. Die Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass bei einer Entkopplung von 30% der versiegelten Fläche mit BGI in jedem Zählsprengel, dimensioniert nach Regelblatt 45, keine erkennbare Änderung des Hitzestress (auf Basis der berechneten UTCI-Werte) stattfindet – weder in den einzelnen Zählsprengeln, noch auf stadtweiter Ebene. Dies deckt sich mit dem sehr geringen Anstieg der Evapotranspiration im Wasserbilanzmodell.

Dass die BGI auf sehr lokaler Ebene bedeutende Auswirkungen auf den Hitzestress haben können (UTCI-Reduktion um bis zu 2,5 °C), jedoch weder auf Zählsprengel noch auf stadtweiter Ebene Auswirkungen zeigen, liegt daran, dass auch durch eine Entkopplung um 30% die Flächenveränderung zur stadtweiten Hitzereduktion zu gering ist. Durch eine Entkopplung von 30% in allen Zählsprengeln werden, in Abhängigkeit der Zählsprengelgrösse, beim Einsatz von Baumrigolen, Raingardens und Mulden lediglich bis zu 3,18% bzw. 5,09% der versiegelten Fläche in begrünte Fläche umgewandelt. Diese geringe Flächenänderung bewirkt nur eine sehr geringe Reduktion des mittleren UTCI bzw. des Hitzestresses.

Baumrigolen wurden in diesem Zusammenhang vereinfacht ohne Änderung des SVF im Stadtklimamodell umgesetzt. Sie hätten durch ihre Schatten spendende Wirkung potenziell einen grösseren Einfluss auf den UTCI.

Auswirkung von Begrünung und Beschattung auf den Hitzestress

In Figur 3 wurde der mittlere UTCI je Zählsprengel mit dem jeweiligen mittleren Begrünungsanteil und mittleren SVF verglichen. Die Grafik zeigt, dass der SVF und damit die Beschattung, einen grösseren Effekt auf den UTCI zeigt, als der Begrünungsanteil. Dies ist vor allem auf die deutliche Absenkung der mittleren Strahlungstemperatur zurückzuführen, einem der zentralen Faktoren für die Wahrnehmung von Hitzestress durch den Menschen. Durch die Verringerung der direkten Sonneneinstrahlung wird die auf den Körper einwirkende thermische Energie reduziert, was sich unmittelbar auf die Wärmebilanz des menschlichen Organismus auswirkt. Begrünungsmassnahmen wirken primär, neben Effekten auf die Wasserbilanz, auf die Energiebilanz der Oberfläche und führen in der Folge vor allem zu einer Reduktion der Oberflächentemperatur. Die Veränderung der thermischen Abstrahlung durch Begrünung ist jedoch im Vergleich zur Reduktion der direkten Sonneneinstrahlung durch Beschattung deutlich geringer, was die geringere Wirkung auf den UTCI erklärt.

Bäume nehmen in diesem Kontext eine besondere Rolle ein, da sie, abhängig von Kronendurchmesser und Alter, nicht nur über die Begrünungseffekte auf die Wasser- und Energiebilanz der Oberfläche wirken, sondern zusätzlich durch ihre Krone wirksame Beschattung bieten. Mit zunehmender Grösse steigt ihr Potenzial, die mittlere Strahlungstemperatur zu senken, wodurch sie direkt zur Reduktion des UTCI beitragen. Sie vereinen somit die Vorteile beider Strategien und stellen eine besonders effektive Massnahme zur Verbesserung des thermischen Komforts im urbanen Raum dar. Der kombinierte Effekt aus Verdunstungskühlung, Oberflächenabkühlung und Beschattung macht Bäume zu einer multifunktionalen Anpassungsmassnahme im Rahmen der klimagerechten Stadtgestaltung. Dabei wirkt sich, analog zu dichten Wäldern, eine höhere Baumdichte zusätzlich positiv aus, da sich die Effekte gegenseitig verstärken und eine flächige Reduktion der thermischen Belastung ermöglichen.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse dieser Studie belegen, dass die Umsetzung von Abkopplungsmassnahmen durch Blau-Grüne Infrastruktur, dimensioniert nach österreichischer Regelblattbemessung, das Potenzial besitzen, die städtische Wasserbilanz zu verbessern und die Überflutungsgefährdung zu reduzieren. Jedoch zeigt sich auch, dass diese Massnahmen nur in sehr begrenztem Masse zur Reduktion des Hitzestresses auf stadtweiter Ebene beitragen, da der Anstieg der Evapotranspiration in Relation zur Gesamtbilanz marginal bleibt. Begrünung ist in der Lage den Universal Thermal Climate Index tagsüber um bis zu 2,5 °C zu reduzieren, dieser Effekt wirkt jedoch nur sehr lokal.

Für die thermische Entlastung des urbanen Raums ist insbesondere die Beschattung entscheidend, wobei der Sky View Factor als zentraler erklärender Parameter identifiziert wurde. Bäume bieten in diesem Zusammenhang einen doppelten Nutzen. Sie fördern nicht nur die Wasserbilanz über Wurzelinfiltration und Verdunstung, sondern reduzieren gleichzeitig durch ihre Kronen die mittlere Strahlungstemperatur und damit den menschlichen Hitzestress.

Planung und Dimensionierung von BGI sollte in einem ganzheitlichen Ansatz nicht nur Regenwasser versickern und zur Überflutungsprävention beitragen, sondern auch so gestaltet werden, dass sie zur Verbesserung des Stadtklimas beiträgt. Dafür braucht es vor allem mehr Flächen und einen höheren Anteil an schattenspendenden Bäumen. Baumrigolen, Mulden und Regengärten sind vor allem dann stadtklimatisch wirksam, wenn sie einen Grossteil des zugeführten Regenwassers verdunsten und nicht dem Grundwasser zuführen.

Bibliographie

[1] Back, Y. et al. (2024): Role of Surface Energy Fluxes in Urban Overheating Under Buoyancy-Driven Atmospheric Conditions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129, e2023JD039723

[2] Almaaitah, T. et al. (2021): The potential of Blue-Green infrastructure as a climate change adaptation strategy: a systematic literature review. Blue-Green Systems, 3, 223–248

[3] Hauser, M. et al. (Under Review): Assessing combined sewer overflow performance under climate projections and urban development withrespect to European Urban Wastewater Treatment Directive and Austrian regulations. Journal of Hydrology

[4] Haslinger, K. et al. (2025): Increasing hourly heavy rainfall in Austria reflected in flood changes. Nature, 639, 667–672

[5] Büntgen, U. et al. (2021): Recent European drought extremes beyond Common Era background variability. Nature Geoscience, 14, 190–196

[6] Back, Y. et al. (2025): Current Interventions Are Inadequate to Maintain Cities’ Resilience During Concurrent Drought and Excessive Heat. Earth’s Future, 13, e2024EF005208

[7] Rybka, H. et al. (2023): Convection-permitting climate simulations with COSMO-CLM for Germany: Analysis of present and future daily and sub-daily extreme precipitation. Meteorologische Zeitschrift, 32(2), 91–111. 

[8] Rossman, L. (2015): Storm water management model user’s manual, version 5.1 (EPA-600/R-14/413b). US EPA National Risk Management Research Laboratory, Cincinnati, Ohio, USA

[9] Jamali, B. et al. (2019): A Cellular Automata Fast Flood Evaluation (CA-ffé) Model. Water Resources Research, 55, 4936–4953

[10] Hörnschemeyer, B. et al. (2021): Swmm-urbaneva: A model for the evapotranspiration of urban vegetation. Water (Switzerland), 13

[11] Back, Y. et al. (2023): Integrating CFD-GIS modelling to refine urban heat and thermal comfort assessment. Science of The Total Environment, 858, 159729. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.159729

[12] ESRI (2019): ArcGIS Desktop: Release 10. [Software]. Redlands, California.