Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5650
Main Title: Spatial variability of human-biometeorological conditions related to heat stress in Berlin, Germany, with focus on air temperature and radiation
Translated Title: Räumliche Variabilität human-biometeorologischer Größen bezogen auf Hitzestress in Berlin, Deutschland – mit Fokus auf Lufttemperatur und Strahlung
Author(s): Jänicke, Britta
Advisor(s): Scherer, Dieter
Referee(s): Scherer, Dieter
Schneider, Christoph
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Heat stress endangers the health and lives of people especially in cities, since air temperature is often higher there than in the surrounding countryside. Human-biometeorological conditions related to heat stress are spatially variable, also within a city. Processes from the meso- to the micro-scale, i.e., large-scale weather situations and individual streets, have to be considered to capture this spatial variability. Analyses of human-biometeorological conditions on different scales are essential to examine the spatial variability and to understand underlying processes. They also enable the identification of hotspots in the city, which is valuable for implementing adaptation measures. So far, however, high-resolution and city-wide analyses, which consider micro- and meso-scale processes, have been rare. The aim of this work is to investigate spatial variability of human-biometeorological conditions related to heat stress in Berlin at different scales and to contribute to future multi-scale analyses. Models on meso- and micro-scales were tested in terms of deviations from observations of near-surface air temperature (T2) and mean radiant temperature (Tmrt). These models were then applied together with measurements to assess spatial variability of human-biometeorological conditions in Berlin. Furthermore, the propagation of spatial patterns from one scale to the other was examined. To study the meso-scale, the Central Europe Refined Analysis (CER) was developed and T2 was evaluated against weather stations. The CER is a new dataset based on dynamical downscaling of a global reanalysis using the Weather Research and Forecasting model (WRF). On the micro-scale, three widely-used models – ENVI-met, RayMan and SOLWEIG – were evaluated, with respect to Tmrt. SOLWEIG was selected for further use due to the smallest deviations from observations and fast computation. A new sub-version of SOLWEIG for automated workflows was developed, which allows city-wide simulations. Thus, the weather situation from a meso-scale model as well as the influence of micro-scale urban structures on Tmrt was considered. The spatial variability of human-biometeorological conditions in Berlin was examined with the meso-scale analysis CER and the coupled SOLWEIG model. An indoor/outdoor observation network was also used for assessing the spatial variability on the building-scale. The results reveal a high degree of spatial variability at the meso-, micro-, city , and building-scale for T2, Tmrt, and the Universal Thermal Climate Index (UTCI). At the meso-scale, a nocturnal urban heat island, and intra-urban differences between built-up and green areas were established, reaching 1.3 K and 0.4 K as a monthly average, respectively. At the city-scale and with regard to Tmrt, the degree of spatial variability was higher. Around noon, Tmrt values varied between 30°C and 60°C; the highest Tmrt values were reached in open, unshaded areas. The effect of façade greening on spatial variability of Tmrt and UTCI on the micro-scale, however, was low. The spatial variability at building-scale was high, with differences in the UTCI between buildings of 3 K on average over the summer. Thus, in some buildings, on more than 50% of the summer days, moderate heat stress occurred (UTCI ≥ 26°C). Spatial patterns, however, were not directly propagated from one scale to the other. Different processes were relevant for different scales. The pattern of Tmrt at the city-scale was influenced by the meso-scale T2 pattern in the daytime, but the spatial variability was mainly a result of the shadows cast by buildings and trees. At the building-scale, the spatial patterns of the indoor UTCI were hardly affected by the spatial patterns of the outdoor UTCI in the immediate neighbourhood of the building. Other factors, such as ventilation and building characteristics, seem more important. Knowledge about propagation through the scales is particularly valuable for future multi-scale model development.
Hitzestress gefährdet die Gesundheit und das Leben von Menschen insbesondere in Städten, weil dort die Lufttemperatur häufig höher ist als im Umland. Zudem sind die für Hitzestress relevanten human-biometeorologischen Bedingungen innerhalb einer Stadt räumlich variabel. Um diese räumliche Variabilität zu erfassen, müssen Prozesse von der Meso- bis zur Mikroskala, also die großskalige Wettersituationen genauso wie einzelne Straßenzüge, berücksichtigt werden. Analysen human-biometeorologischer Bedingungen auf verschiedenen Skalen sind essenziell, um die räumliche Variabilität in Städten zu erfassen und zugrundeliegende Prozesse zu verstehen. Sie ermöglichen auch, Hotspots in der Stadt zu identifizieren, um dort Anpassungsmaßnahmen umzusetzen. Bisher sind hochaufgelöste und stadtweite Analysen, die mikro- und mesoskalige Prozesse berücksichtigen, jedoch kaum vorhanden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die räumliche Variabilität von human-biometeorologischen Bedingungen in Berlin auf verschiedenen Skalen zu untersuchen und einen Beitrag für künftige multiskalige Analysen zu leisten. Dazu werden verschiedene Modelle auf der Meso- und Mikroskala bezogen auf Abweichung zu Messungen der mittleren Strahlungstemperatur (Tmrt) und oberflächennaher Lufttemperatur (T2) getestet. Die Modelle wurden dann zusammen mit Messungen verwendet, um die räumliche Variabilität human-biometeorologischer Bedingungen in Berlin zu erfassen. Außerdem wurde die Übertragung der räumlichen Muster von der einen zur anderen Skala untersucht. Zur Untersuchung der Mesoskala wurde die Central Europe Refined Analysis (CER) entwickelt und anhand von Messdaten bezogen auf T2 evaluiert. Die CER ist einen neuer Datensatz basierend auf dynamischem Downscaling einer globalen Reanalyse mit dem Weather Research and Forecasting model (WRF). Auf der Mikroskala wurden drei häufig verwendete Modelle, ENVI-met, RayMan und SOLWEIG, hinsichtlich der Tmrt evaluiert. Aufgrund der geringsten Abweichungen zu Messdaten und der kurzen Rechenzeit wurde SOLWEIG für die weitere Verwendung ausgewählt. Eine neuentwickelte Sub-Version von SOLWEIG mit einem automatisierten Arbeitsablauf ermöglicht es, stadtweite Simulationen durchzuführen. Dadurch werden sowohl die Wettersituation aus einem mesoskaligen Modell als auch der mikroskaligen Einfluss von Stadtstrukturen auf die Tmrt berücksichtigt. Anhand der mesoskaligen Analyse CER und des gekoppelten SOLWEIG Modells wurde die räumliche Variabilität human-biometeorologischer Größen in Berlin untersucht. Ein Innen-/Außenraum-Klimamessnetz wurde verwendet, um die räumliche Variabilität auf der Gebäudeskala zu betrachten. Die Ergebnisse zeigen eine hohe räumliche Variabilität der T2, Tmrt und des Universal Thermal Climate Index (UTCI) auf der Meso-, Stadt- und Gebäudeskala. T2 wies auf der Mesoskala eine nächtliche städtische Wärmeinsel (1.3 K im Monatsmittel) und intra-urbane Differenzen zwischen bebauten Flächen und Grünflächen (0.7 K im Monatsmittel) auf. Auf der Stadtskala und in Bezug auf Tmrt war die räumliche Variabilität ausgeprägter. Zur Mittagszeit traten Tmrt-Werte zwischen 30°C und 60°C auf, wobei die höchsten Werte an offenen, nicht-beschatteten Flächen vorkamen. Die Wirkung von Fassadenbegrünung auf die räumliche Variabilität von Tmrt und UTCI in der Mikroskala war hingegen gering. Auf der Gebäudeskala war die Variabilität bezogen auf den UTCI mit bis zu 3 K im Sommermittel deutlich ausgeprägt, so dass in manchen Gebäuden an 50% der Sommertage moderater Hitzestress (UTCI ≥ 26°C) auftrat. Die räumlichen Muster übertrugen sich aber nicht direkt von der einen zur anderen Skala. Auf den jeweiligen Skalen waren unterschiedliche Prozesse relevant. Das Muster der Tmrt tagsüber auf der Stadtskala war zwar auch von der mesoskaligen Lufttemperaturverteilung beeinflusst, die räumliche Variabilität wurde allerdings hauptsächlich durch Schattenwürfe von Gebäuden und Bäumen verursacht. Auch auf der Gebäudeskala war das räumliche Muster von UTCI im Innenraum kaum von dem räumlichen Muster im Außenraum im direkten Umfeld der Gebäude beeinflusst. Dort scheinen andere Faktoren wie Belüftung und Gebäudeeigenschaften mehr Einfluss zu haben. Solche Kenntnisse über die Übertragung der Muster zwischen den Skalen sind besonders für künftige multiskalige Modellentwicklungen wichtig.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6069
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5650
Exam Date: 29-Jul-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 27-Dec-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::500 Naturwissenschaften
Subject(s): urban climate
heat stress
mean radiant temperature
spatial variability
air temperature
Stadtklima
Hitzestress
räumliche Variabilität
mittlere Strahlungstemperatur
Lufttemperatur
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