Lokale Kaltluftabflüsse:
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Karlsruhe
Inst. für Geographie und Geoökologie der Univ. Karlsruhe (TH)
2001
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| adam_text | Titel: Lokale Kaltluftabflüsse
Autor: Vogt, Joachim
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
Vorwort......................................................................................................................................I
Inhaltsverzeichnis..................................................................................................................Ill
Abbildungsverzeichnis.......................................................................................................VIII
Tabellenverzeichnis.............................................................................................................XV
Abkürzungsverzeichnis......................................................................................................XVI
1 Problemstellung und Zielsetzung.........................................................................................1
2 Funktion und Bedeutung lokaler und regionaler Kaltluftbewegungen für die
Raumplanung..........................................................................................................................4
2.1 Die Bedeutung von Planungsinstrumenten im öffentlichen Umweltschutz...............................4
2.2 Das Planungsinstrumentarium in Luftreinhaltung und Stadtklima............................................4
2.3 Der Stellenwert von Luftaustauschprozessen für Umweltfachplanungen und räumliche
Gesamtplanungen.....................................................................................................................8
2.4 Die zentrale Rolle des Luftaustausches durch bodennahe Kaltluftflüsse.................................9
2.5 Die lokale Analyse und Bewertung von bodennahen Kaltluftbewegungen im
Planungsprozess.....................................................................................................................12
2.6 Anforderungen räumlicher Planungen an die Bestimmung lufthygienischer
Ausgleichsleistungen..............................................................................................................16
3 Thermisch induzierte lokale und regionale Bergwinde als Untersuchungsobjekt........23
3.1 Maßstabsbezogene und thematische Eingrenzung thermisch induzierter lokaler und
regionaler Bergwinde..............................................................................................................23
3.2 Kenntnisstand zum Prozess der Bildung, Lagerung und Bewegung bodennah
gebildeter Kaltluft....................................................................................................................27
3.2.1 Der Prozess der strahlungsbedingten Abkühlung bodennaher Luft.......................................27
3.2.2 Der Vorgang der Kaltluftbewegung.........................................................................................37
3.2.2.1 Die Entwicklung von Modellvorstellungen der Kaltluftbewegung............................................37
3.2.2.2 Der Initialvorgang der Bewegung: Kaltlufttropfen am Hang....................................................43
3.2.2.3 Die Primärzirkulation am Hang...............................................................................................44
3.2.2.4 Die Sekundärzirkulation im Tal...............................................................................................47
3.3 Die Quantifizierungsversuche der abströmenden Luft............................................................49
3.4 Fragestellungen der vorliegenden Untersuchung...................................................................50
3.4.1 Ableitung von Fragestellungen mit dem Erkenntnisziel der Bestimmung von
Determinanten der Austauschleistung....................................................................................50
3.4.2 Definitorische Vorbemerkungen und messtechnische Voraussetzungen..............................51
3.4.3 Ermittlung von Vertikaldifferenzierungen bodennaher Kaltluftbewegungen...........................53
3.4.4 Ermittlung der Stationaritätsbedingungen von Bergwinden....................................................53
3.4.5 Untersuchung zur Zuverlässigkeit von Interpolationen senkrechter Sondierungen im
Talquerprofil............................................................................................................................54
3.4.6 Die Ermittlung der zeitlichen Repräsentativität von punktuellen Messungen für die
Strahlungsnacht......................................................................................................................54
3.4.7 Ermittlung des Jahresganges lufthygienischer Austauschprozesse aufgrund von
Bergwinden sowie ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit................................................................55
3.4.8 Untersuchung der Wechselwirkungen von abfließender Kaltluft und Bebauungs-
strukturen................................................................................................................................55
3.4.9 Vergleich von bodennahen Temperatur- und Strömungsfeldern sowie Austausch-
leistungen ...............................................................................................................................56
3.4.10 Untersuchung des Zusammenhanges von thermischen Schichtungsverhältnissen und
bodennahem Kaltluftabfluss...................................................................................................56
3.4.11 Untersuchung des Zusammenhanges von Oberflächenstrahlungstemperaturen und
Volumenflüssen......................................................................................................................57
3.4.12 Ursachen der zeitlichen Variabilität von Austauschleistungen...............................................57
3.4.13 Lassen sich Kaltluftvolumina in Talsystemen addieren?........................................................57
3.5 Der empirische Untersuchungsansatz...................................................................................58
4 Die empirische Analyse lokaler und regionaler Kaltluftbewegungen in
ausgewählten Testräumen..................................................................................................59
4.1 Methodische und arbeitstechnische Voraussetzungen..........................................................59
4.1.1 Techniken und Methoden der Messung von Luftbewegungen..............................................59
4.1.2 Probleme der eingesetzten Techniken und Methoden...........................................................62
4.2 Entwicklung eines Messverfahrens zur empirischen Analyse bestehender bodennaher
Kaltluftströmungen..................................................................................................................63
4.2.1 Aufgabenstellung....................................................................................................................63
4.2.2 Verfahrensbeschreibung der Einzelmessung........................................................................63
4.2.3 Beurteilung des Verfahrens bei Einzelmessungen................................................................69
4.2.4 Die Streuungen der Einzelmessungen im zeitlichen Microscale...........................................72
4.2.5 Vergleich thermoanemometrischer Messungen mit Rauchstrichsondierungen.....................76
4.3 Die Auswahl von unterschiedlichen Testgebieten und das Untersuchungsprogramm..........78
4.3.1 Die Kriterien der Auswahl.......................................................................................................78
4.3.2 Die Methoden und Arbeitstechniken der Analysen................................................................88
4.3.2.1 Sondermessnetze als Bezugsrahmen und die Anbindung von Einzelmessungen................88
4.3.2.2 Die klimatologische und die meteorologische Arbeitsweise der empirischen
Untersuchungen.....................................................................................................................96
4.3.2.3 Witterungstypisierung, Wahl der Messtermine bei diskontinuierlichen Experimenten...........98
4.4 Vertikalprofile der talwärtigen Geschwindigkeitskomponente..............................................103
4.4.1 Der Kenntnisstand................................................................................................................103
4.4.1.1 Theoretische Ansätze der Ermittlung vertikaler Geschwindigkeitsprofile............................103
4.4.1.2 Empirische Verfahren...........................................................................................................104
4.4.2 Ermittlung von Parametern des Vertikalprofiles durch Schätzfunktionen............................106
4.4.3 Ergebnisse der Sondierungen in den Untersuchungsgebieten............................................109
4.4.3.1 Bedingungen der Messtechnik.............................................................................................109
4.4.3.2 Vertikale Gliederung fließender Kaltluft................................................................................109
4.4.3.3 Die Stationarität interner Geschwindigkeitsminima..............................................................113
4.4.3.4 Räumliche und zeitliche Variabilität im Vergleich: mittlere Vertikalprofile der talwärtigen
Geschwindigkeitskomponente..............................................................................................115
4.4.3.5 Die Lage der Scherfläche zwischen Kaltluftströmung und überlagernder Luftbewegung ....138
4.4.3.6 Zusammenhang von bodennahen Geschwindigkeiten und Mächtigkeiten..........................140
4.5 Ergebnisse und Konsequenzen aus der Analyse vertikaler Geschwindigkeitsprofile von
Kaltluftbewegungen...............................................................................................................142
4.6 Die Interpolation im Talquerprofil und die Bestimmung von Abflussvolumina und
Austauschleistungen.............................................................................................................144
4.6.1 Kenntnisstand, angewandte Methoden und Verfahren.........................................................144
4.6.1.1 Probleme der Bestimmung von lokalen lufthygienischen Austauschleistungen...................144
4.6.1.2 Schätzverfahren des Volumenflusses in Abhängigkeit von Abkühlungsflächen..................145
4.6.1.3 Schätzverfahren des Volumenflusses bei Vertikalsondierungen..........................................147
4.6.1.4 Verfahren und Ergebnisse der Volumenbestimmung aufgrund von Vertikalsondierungen
mittels Interpolation und Extrapolation..................................................................................151
4.6.2 Feldexperimente zur Überprüfung der räumlichen Interpolation durch anisotropes
Kriging...................................................................................................................................152
4.6.2.1 Wahl des Untersuchungsraumes............................................................................................152
4.6.2.2 Zeitpunkt des Feldexperimentes............................................................................................152
4.6.2.3 Bestimmung der Strömung im Talquerprofil mit unterschiedlichen Sondierungsdichten.....154
4.6.3 Folgerungen für die Wahl von Aufstiegspunkten..................................................................160
4.7 Abflussdynamik und Entwicklung der Austauschleistungen im Verlauf der
Strahlungsnacht....................................................................................................................161
4.7.1 Geschwindigkeitsentwicklung in der Strahlungsnacht an einzelnen bodennahen
Messpunkten und Folgerungen für die Bestimmung der Austauschleistungen....................161
4.7.1.1 Kenntnisstand, angewandte Methoden und Verfahren.........................................................161
4.7.1.2 Zeitliche Analyse der Geschwindigkeitsentwicklung von Bergwinden..................................164
4.7.1.2.1 Methodischer Ansatz und Auswahl der Untersuchungsgebiete...........................................164
4.7.1.2.2 Mittlere Geschwindigkeiten des Bergwindes an den ausgewählten Stationen.....................167
4.7.1.2.3 Der Zusammenhang von Geschwindigkeitsentwicklung und Abflussvolumen.....................169
4.7.1.2.4 Folgerungen für die Wahl von Messterminen und die Möglichkeiten der Quantifizierung
von Volumina durch punktuelle Messungen.........................................................................174
4.7.2 Prozesse beim Einsetzen der Strömung am Abend.............................................................174
4.7.3 Prozesse am Ende der nächtlichen Strömung......................................................................181
4.8 Austauschleistungen im Jahresgang....................................................................................190
4.8.1 Fragestellung........................................................................................................................190
4.8.2 Kenntnisstand und Annahmen..............................................................................................191
4.8.3 Bestimmung von Bergwindereignissen aufgrund kontinuierlicher Messungen....................193
4.8.3.1 Untersuchungsansatz...........................................................................................................193
4.8.3.2 Eignung von Messstandorten...............................................................................................194
4.8.3.3 Entwicklung und Diskussion von Definitionskriterien............................................................195
4.8.3.4 Auswertung der Messreihen Goldersbach-und Steinlachtal................................................198
4.8.3.5 Auswertung der Messreihen Ammertal-Aischbach und Etzelbachtal...................................204
4.8.4 Häufigkeit und Andauer von Bergwindereignissen im Jahresgang......................................207
4.8.5 Ansatzpunkte weitergehender Untersuchungen..................................................................213
4.9 Die Veränderung bodennaher Kaltluftbewegungen durch Bebauungsstrukturen................213
4.9.1 Fragestellung........................................................................................................................213
4.9.2 Kenntnisstand und Hypothesen...........................................................................................214
4.9.3 Wahl der Testgebiete...........................................................................................................216
4.9.4 Das Eindringen der Kaltluft des Bergwindes in die oberflächennahe Stadtatmosphäre......218
4.9.4.1 Untersuchungsmethodik.......................................................................................................218
4.9.4.2 Mittlere Vertikalprofile des Bergwindes im Randbereich der Bebauung im unteren
Steinlachtal...........................................................................................................................221
4.9.4.3 Mittlere Vertikalprofile des Bergwindes im Randbereich der Bebauung im unteren
Ammertal..............................................................................................................................226
4.9.5 Folgerungen.........................................................................................................................229
4.10 Der Zusammenhang zwischen bodennahen oberflächenparallelen Temperatur- und
Strömungsfeldern und Austauschleistungen........................................................................231
4.10.1 Ausgangssituation der Anwendung......................................................................................231
4.10.2 Hypothese............................................................................................................................233
4.10.3 Arbeitsmethoden und-iechniken..........................................................................................234
4.10.3.1 Messung der bodennahen Luftbewegung............................................................................234
4.10.3.2 Messung der bodennahen Lufttemperatur...........................................................................236
4.10.4 Oberflächenparallele Strömungs- und Temperaturfelder im unteren Ammertal..................236
4.10.5 Oberflächenparallele Strömungs- und Temperaturfelder im unteren Steinlachtal...............240
4.10.6 Konsequenzen für austauschorientierte Stadtklimaanalysen..............................................245
4.11 Thermische Schichtungsverhältnisse und die Parameter des bodennahen
Luftaustausches...................................................................................................................246
4.11.1 Kenntnisstand und Annahmen.............................................................................................246
4.11.2 Arbeitsmethoden und -techniken..........................................................................................250
4.11.3 Ergebnisse der winterlichen Feldexperimente.....................................................................251
4.11.4 Ergebnisse der sommerlichen Feldexperimente..................................................................258
4.11.5 Ergebnisse einer herbstlichen Aufstiegsfolge......................................................................264
4.11.6 Die Wechselwirkung zwischen bodennaher thermischer Schichtung und bodennaher
autochthoner Strömung........................................................................................................264
4.12 Oberflächenstrahlungstemperatur und Austauschleistungen..............................................266
4.12.1 Kenntnisstand und Annahmen.............................................................................................266
4.12.2 Hypothese und Auswahl eines geeigneten Testraumes......................................................269
4.12.3 Ergebnisse der Testfläche 1.................................................................................................270
4.12.4 Ergebnisse der Testfläche 2.................................................................................................273
4.13 Die zeitliche Variabilität von Austauschleistungen und ihre Ursachen................................274
4.13.1 Kenntnisstand zu Störeinflüssen, Unterbrechung und Ende der Bewegungen...................274
4.13.1.1 Differenzierung von Störeinflüssen......................................................................................274
4.13.1.2 Der Kenntnisstand zum Einfluss überlagernder Windfelder.................................................276
4.13.2 Weiterführende Hypothesen zu den Einflüssen des überlagernden Windfeldes.................282
4.13.3 Entstehung, Lagerung und Bewegung von Kaltluft in windexponierten Gebieten unter
dem Einfluss externer Meteorologie.....................................................................................283
4.13.3.1 Auswahl eines Untersuchungsgebietes................................................................................283
4.13.3.2 Methodik und Arbeitstechnik.................................................................................................283
4.13.3.3 Meteorologische Bedingungen während der Feldexperimente............................................284
4.13.3.4 Das bodennahe horizontale Strömungsfeld während der Feldexperimente.........................287
4.13.3.5 Bestimmung der Volumenflüsse in den Hohlformen.............................................................294
4.13.4 Fazit und Folgerungen für die Beurteilung von Instationaritäten des Bergwindes...............300
4.14 Die Ermittlung von Volumenflüssen in Talsystemen.............................................................301
4.14.1 Fragestellung und Hypothese...............................................................................................301
4.14.2 Der Kenntnisstand zur Volumenbilanzierung im Konfluenzbereich......................................302
4.14.3 Empirische Untersuchung zur Volumenbilanzierung im fränkischen Karst..........................307
4.14.4 Probleme des Untersuchungsansatzes und Konsequenz für die empirische
Bilanzierung lufthygienischer Ausgleichsleistungen in Tälern..............................................311
5 Planungsrelevante Ergebnisse und ihre Konsequenzen für die Ableitung von
Planungszielen....................................................................................................................313
5.1 Grundlegende Ergebnisse der empirischen Untersuchungen..............................................313
5.2 Konkretisierung der Zielvorgaben für räumliche Planungen.................................................319
5.3 Die empirische Analyse als Bestandteil der Prognose bodennaher Kaltluftbewegungen
für räumliche Planungen.......................................................................................................320
5.3.1 Der Stellenwert von Prognosen bodennaher Kaltluftbewegungen.......................................320
5.3.2 Modelle bodennaher Kaltluftbewegungen.............................................................................320
5.3.3 Schnittstellen zwischen Empirie und Modellierung...............................................................323
6 Zusammenfassung.............................................................................................................327
7 Literaturverzeichnis............................................................................................................332
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| spelling | Vogt, Joachim Verfasser aut Lokale Kaltluftabflüsse von Joachim Vogt Karlsruhe Inst. für Geographie und Geoökologie der Univ. Karlsruhe (TH) 2001 XVI, 354 S. graph. Darst., Kt. txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Karlsruher Schriften zur Geographie und Geoökologie 14 Air masses Atmospheric circulation Atmospheric physics Boundary layer (Meteorology) Kaltluft (DE-588)4454890-4 gnd rswk-swf Luftbewegung (DE-588)4470653-4 gnd rswk-swf Kaltluft (DE-588)4454890-4 s Luftbewegung (DE-588)4470653-4 s b DE-604 Karlsruher Schriften zur Geographie und Geoökologie 14 (DE-604)BV008873659 14 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=012885076&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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