Austauschprozesse über Städten in komplexer Topographie

Das Projekt Understanding turbulent exchange over urban areas in highly complex terrain hat zum Ziel unser Verständnis von Wetter und Klima in Städten im Gebirge zu verbessern. Turbulenter Austausch bestimmt wie Emissionen (z.B. von CO2 aus dem Verkehr) in die Atmosphäre gelangen. An einem klaren Tag erwärmt sich die Oberfläche, was die Atmosphäre darüber aufheizt, so dass vertikale Bewegung (aufsteigende warme Luft) zu Transport von Schadstoffen in die Atmosphäre führt. Umgekehrt kühlt nachts oder im Winter die Oberfläche die darüber liegende Luft was zu einer Behinderung des Austauschs und hohen Schadstoffbelastungen führt. Ein genaues Verständnis dieser Austauschprozesse ist deshalb wichtig für die menschliche Gesundheit nicht nur wegen der Luftverschmutzung, sondern auch für die Vorhersage von Hitzewellen, Kaltluftansammlungen oder Überschwemmungen. Obwohl mehr als die Hälfte der Menschen in Städten wohnen und viele Städte weltweit in inhomogenen Gebieten liegen haben bisher die Probleme mit Messung und Modellierung in solch komplexer Umgebung die Untersuchung von Städten im Gebirge weitgehend verhindert. Das vorliegende Projekt möchte das ändern und detailliert untersuchen wie die Stadt Innsbruck und die umliegende Topographie den turbulenten Austausch beeinflussen um so den Einfluss von menschlichen Aktivitäten auf die Umwelt besser zu verstehen. Es wird z.B. untersucht wie sich die Stadtentwicklung auf die Luftqualität in und um die Stadt auswirken kann. Numerische Modellierung ist geeignet um solche Szenarien zu untersuchen. Die meisten verfügbaren Modelle wurden jedoch für einfachere Bedingungen (flache, homogene Oberfläche ursprünglich ohne Stadteinfluss) entwickelt. Um Modelldaten richtig zu interpretieren, ist es darum nötig Modelloutput mit Messdaten zu vergleichen um herauszufinden, ob die wichtigsten physikalischen Prozesse richtig abgebildet sind. Eine Reihe von Messsystemen wird deshalb benutzt, um die Modellqualität für verschiedene Jahreszeiten und räumliche Skalen zu untersuchen. Insbesondere werden Messungen mit einem Zwei-Wellenlängen Scintillometer durchgeführt, um so mittlere Turbulenz-Charakteristika, die dem Modelloutput besser entsprechen als traditionelle Turbulenzmessungen, zu erhalten. Außerdem wird der turbulente Austausch einiger exotischer Gase (z.B. Benzen, Toluol) untersucht um herauszufinden wie gut deren Verhalten mit dem von traditionellen Variablen (Wasserdampf, Temperatur) übereinstimmt. Das WRF-Modell, das zur Anwendung kommt, wird oft in Forschung und operationeller Prognose verwendet. Seine Verbesserung wird deshalb für die Öffentlichkeit wie auch für die Wissenschaft von Vorteil sein. Das Projekt stellt die wohl detaillierteste Studie bis dato zu turbulentem Austausch in Gebirgsstädten dar. Durch sorgfältige Datenanalyse und Modellierung an der Front unseres physikalischen Verständnisses wird das Projekt zum Fortschritt in weiten Bereichen der Atmosphärenforschung beitragen.

Städte in Gebirgstälern sind gefährlichen Wetterbedingungen, wie Hitzestress, starke Schneefälle, Überschwemmungen, Föhn und schlechte Luftqualität, ausgesetzt. Um diese Gefahren genauer vorhersagen zu können, müssen wir herausfinden, wie sich Städte in bergigem Gelände von Städten in flachem Gelände unterscheiden. Dieses Wissen ist notwendig um zu vermeiden, dass Maßnahmen zur Mitigation des Klimawandels unbeabsichtigte negative Konsequenzen bedingen. Dieses Projekt liefert viele neue Einblicke, wie Städte in bergiger Lage atmosphärische Turbulenz beeinflussen. Obwohl viele Menschen in Städten in komplexem Gelände leben, wurden diese Regionen bisher wenig untersucht. So zeigen die meteorologischen Beobachtungsdaten, die über den Dächern von Innsbruck, Österreich, gesammelt wurden, dass der lokale Sonnenauf- und -untergang im Tal wegen der Blockierung der Sonnenstrahlung durch die Berge verschoben ist und wegen der Ansammlung von Schadstoffen in der Talatmosphäre im Winter die Sonneneinstrahlung weiter reduziert wird. Auch der Talwind, abhängig von Tageszeit und Saison, beeinflusst die Luftströmung und den turbulenten Austausch. Dort, wo sich die Luftströmungen aus verschiedenen Tälern treffen, gibt es besonders ausgeprägte räumliche Variabilität. Bei Föhndurchbruch steigen die Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Turbulenz plötzlich an. Dies beeinträchtigt den Wärmeaustausch zwischen Stadt und Atmosphäre. So wurde beispielsweise im Winter festgestellt, dass zeitweise die Temperatur der Föhnluft die des Bodens überschritt und so zum Wärmetransport nach unten beitrug (das entspricht einer Umkehr der normalen Richtung des Wärmetransports in Städten). Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die extrem hohe Turbulenz während des Föhns zur Belüftung der Stadt beiträgt, indem die Durchmischung Schadstoffe aus der Stadt entfernt. Dieser Effekt macht sich besonders bemerkbar, wenn der Föhn über Nacht anhält. Trotz dieser Unterschiede zu Städten in flachem Gelände zeigen die Ergebnisse auch Gemeinsamkeiten. Normalerweise haben Städte eine geringe Menge an Vegetation, daher wird der Großteil der empfangenen Energie von der Sonne zum Erwärmen der Stadt und der Luft verwendet und weniger zur Verdunstung. Wie in anderen Städten werden auch in Innsbruck Kohlendioxidemissionen von menschlichen Aktivitäten dominiert (großteils Verkehr und Gebäudeheizungen). Dies war besonders sichtbar an der nennenswerten Verringerung der gemessenen Kohlendioxidemissionen während der COVID- 19-Lockdown-Maßnahmen. Zusätzlich wurden die Ergebnisse dieser Beobachtungsdaten zur Evaluierung des Weather Research and Forecasting (WRF)-Modells verwendet. Bei Schönwetterbedingungen wird die Atmosphäre über diesem komplexen Gelände einigermaßen gut dargestellt. Der Talwind und die Struktur der Talatmosphäre werden tagsüber meist korrekt simuliert, aber nachts sind die modellierten Temperaturen zu warm und die Stärke der Turbulenz wird fast immer unterschätzt. Die detaillierte Evaluierung der Leistungsfähigkeit des Modells in Innsbruck wird mit zukünftigen Arbeiten fortgesetzt, welche hochauflösende Simulationen umfassen und die Auswirkungen einzelner Gebäude auf die Bedingungen in der Stadt zeigen sollen. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sind nicht nur für andere Städte in Gebirgsregionen von Relevanz, sondern auch für Städte in größerer Entfernung zu Bergen und solchen in weniger komplexem Gelände, da ähnliche Zirkulationen teilweise auch dort auftreten.