Modellierung des Bodenwasserhaushalts
Um die Unterschiede in der Verdunstungsleistung verschiedener Böden zu quantifizieren, wurde das Zusammenwirken der Prozesse des Bodenwasserhaushalts an drei Standorten in Hamburg (siehe Abbildung 2) mit Hilfe des hydrologischen Modells ArcEGMO-PSCN (www.arcegmo.de) vom Büro für Angewandte Hydrologie München simuliert. Die Simulation erfolgte in Tagesschritten für den 20-Jahre-Zeitraum 1993 bis 2012. Bei den Standorten handelt es sich um Böden, die intensiv vom Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg untersucht wurden. Das Institut für Bodenkunde hat an den drei Standorten in mehreren Jahren auch Messwerte der Bodenfeuchte in unterschiedlichen Bodentiefen erhoben, die für Validierung des Modells genutzt wurden.
Abbildung 2: Verdunstungspotenzialkarte und Standorte für die Berechnung von Tageshöhen der tatsächlichen Verdunstung / Bild: Projektbericht "Quantifizierung der Verdunstungsleistung von Böden"
Als meteorologische Modelleingangsdaten wurden an der Station Hamburg-Fuhlsbüttel des Deutschen Wetterdienstes (DWD) gemessene Zeitreihen von Klimagrößen verwendet. Die Modellierung erfolgte an allen Standorten für ein 2 m-Profil, das in sechs bzw. sieben Bodenhorizonte mit jeweils eigenen bodenphysikalischen Parametern unterteilt wurde.
Neben den Bodeneigenschaften beeinflusst die Vegetationsbedeckung an den Standorten die Verdunstungsleistung entscheidend. Um den Einfluss der unterschiedlichen Vegetationsbedeckung (Wiese im Park Kiwittsmoor sowie im Amsinckpark und Laubwald im Park am Gazellenkamp) zu eliminieren und nur den Einfluss des Bodens auf die Verdunstungsleistung zu erfassen, wurden die Simulationen an den Standorten D_G3 und D_G4 sowohl mit Wiese als auch mit Laubwald als Vegetation durchgeführt.
Ergebnis der Modellierung sind Tagessummen der tatsächlichen (realen) Evapotranspiration [ETr] an den drei Standorten für den 20-Jahre-Zeitraum, die mit verschiedenen Methoden ausgewertet, graphisch dargestellt sowie bewertet wurden.
Ergebnisse für verschiedene Böden mit gleicher Vegetationsbedeckung
Besonders gravierend werden die Unterschiede in der Verdunstungsleistung an den Standorten, wenn in den Sommermonaten auf eine längere Phase mit geringen Niederschlägen eine trockene Hitzeperiode folgt. Dies verdeutlicht die Abbildung 3 für die Monate Juni und Juli 2006.
Abbildung 3: Die Verdunstungsleistung in den Monaten Juni und Juli 2006 - Zeitreihendarstellung (Tageswerte) (Vergrößerte Ansicht) / Bild: Projektbericht "Quantifizierung der Verdunstungsleistung von Böden"
In der Abbildung sind sowohl die Tagessummen der tatsächlichen Verdunstung [ETr; blaue Balken] als auch die Tagessummen der potenziellen Verdunstung [ETp] dargestellt. Die potenzielle Verdunstung ist eine Rechengröße, die aus gemessenen meteorologischen Daten bestimmt wird. Die potenzielle Verdunstung ist die maximal mögliche Verdunstungshöhe an einem Tag, die erreicht wird, wenn die im Boden zum Verdunsten verfügbare Wassermenge im optimalen Bereich für den Verdunstungsprozess liegt und diesen nicht limitiert. Ist in Abbildung 3 an einem Tag nur ein blauer Balken zu sehen, hat die tatsächliche Verdunstung die Höhe der potenziellen Verdunstung erreicht. An diesem Tag konnte der Boden die zum Erreichen der potenziellen Verdunstung notwendige Wassermenge bereitstellen.
Die Abbildung 3 veranschaulicht insbesondere die durchgängig hohe Verdunstungsleistung im Park Kiwittsmoor (Standort S_G3 mit Grundwasseranschluss), während der Bodenwasservorrat im Amsinckpark (Standort D_G4) bereits ab Mitte Juni nicht mehr ausreicht, um die potenziell mögliche Verdunstungsleistung zu erreichen.
Die Abbildung 4 zeigt eine Auswertung für den gesamten 20-Jahre-Zeitraum und alle darin enthaltenen Sommertage (Tage mit Maximum der Lufttemperatur >= 25 °C; insgesamt 574 Tage) und Sommermonate (Monate Juni, Juli und August; insgesamt 60 Monate).
Abbildung 4: Die Verdunstungsleistung an Sommertagen bzw. in den Sommermonaten im 20-Jahre-Zeitraum (Vergrößerte Ansicht) / Bild: Projektbericht "Quantifizierung der Verdunstungsleistung von Böden"
In den Verdunstungsleistungsdiagrammen wurden die Quotienten ETr/ETp für alle Sommertage statistisch ausgewertet und als Häufigkeitsverteilung dargestellt. Allgemein gilt, dass die Verdunstungsleistung an einem Standort umso größer ist, je kleiner die von den dargestellten Balken eingenommene Gesamtfläche ist.
Auch diese Abbildung verdeutlicht die hohe Verdunstungsleistung im Park Kiwittsmoor (Standort S_G3 mit Grundwasseranschluss). Aber auch am Standort D_G3 mit mittlerem Verdunstungspotenzial und entsprechend hoher Wasserspeicherfähigkeit (Park am Gazellenkamp) war an 47 Prozent der Sommertage die tatsächliche Verdunstung größer als 9/10 der für den jeweiligen Tag berechneten potenziellen Verdunstung.
Schlussfolgerungen
Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen, dass die Unterschiede in der Kühlleistung von Böden an Sommertagen insbesondere in lang anhaltenden Hitzeperioden sehr groß sein können. Dabei können an ein und demselben Tag im Extremfall eine gute Kühlleistung auf einem Boden mit Grundwasseranschluss und eine Nullleistung auf einem Boden mit geringer Wasserspeicherfähigkeit auftreten. An solchen Tagen beeinflussen Böden maßgeblich das Klima in der direkten Umgebung und damit das Wohlbefinden der Bürger in der Stadt.
Die Ergebnisse unterstreichen, dass es verstärkter Anstrengungen bedarf, um Böden mit hohem und mittlerem Verdunstungspotenzial im Stadtgebiet zu erhalten bzw. vor Versiegelung zu schützen. Nicht zuletzt lieferten die Untersuchungen auch detaillierte Erkenntnisse darüber, wie bei der Neuanlage von Parks - zum Beispiel in der HafenCity - die Kühlleistung von Boden und Vegetation gezielt optimiert werden kann, um maximal positive Effekte für das Stadtklima zu erreichen.
Weitere Ergebnisse, Details und dazugehörige Erläuterungen - insbesondere auch zum Einfluss der Vegetationsbedeckung auf die Verdunstungsleistung - können den Downloads entnommen werden.
