Erläuterungsbericht zur Stadtklimaanalyse

Mitteilungsvorlage
öffentlich
200346
Der Oberbürgermeister
Federführung:
56 Amt für Umwelt-, Verbraucherschutz und Lokale Agenda
Dezernat:
Dez. III
Erläuterungsbericht zur Stadtklimaanalyse
Beratungsfolge
Ausschuss für Umwelt und Verbraucherschutz 12.03.2020 Kenntnisnahme
Mitteilung:
Im Rahmen des Verbundvorhabens ZURES (Zukunftsorientierte Vulnerabilitäts-
und Risikoanalyse als Instrument zur Förderung der Resilienz von Städten und
urbanen Infrastrukturen) wurden 2018 die Klimaanalyse (DS 1811416) und
2019 die darauf aufbauende Planungshinweiskarte veröffentlicht (DS 1912146).
Als letztes Produkt im Rahmen des für den Projektteil der Stadt Bonn
mittlerweile abgeschlossenen ZURES-Projektes, wurde ein Bericht zur
Stadtklimaanalyse durch die Firma GEO-NET Umweltconsulting fertiggestellt.
Dieser erläutert die Grundlagen, Methoden und Ergebnisse und enthält zudem
ein Glossar zur Erklärung verwendeter Fachbegriffe neben einer Lesehilfe zur
Klimaanalyse- und zur Planungshinweiskarte. Der Bericht wird auf
www.bonn.de/zures veröffentlicht.
Anlage/n
1 Erläuterungsbericht_Bonn_rev03 (öffentlich)Seite 1 von 89

Stadtklimaanalyse
Bonn 2019
Grundlagen, Methoden, Ergebnisse
Stadt Bonn
Amt für Umwelt, Verbraucherschutz und Lokale Agenda
Erstellt von:
GEO-NET Umweltconsulting GmbH, Hannover/Dresden
Januar 2020Seite 2 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
I
Impressum
Auftraggeber
Bundesstadt Bonn
Amt für Umwelt, Verbraucherschutz und Lokale Agenda
Berliner Platz 2,
53111 Bonn
Autorin
Cornelia BurmeisterSeite 3 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
II
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis II
Abkürzungsverzeichnis VI
Glossar VII
Zusammenfassung 10
1 Stadtklimatische Untersuchungen 12
1.1 Gewählter Analyseansatz 12
1.2 Bisherige Stadtklimatische Untersuchungen 12
2 Fachliche Grundlagen 14
2.1 Der Stadtklimaeffekt 14
2.2 Die Rolle des Rheins in der Stadt 15
2.3 Untersuchungsgebiet 18
2.4 Klima 19
2.4.1 Makroklima 19
2.4.2 Niederschlag 20
2.4.3 Temperatur 23
2.4.4 Wind 26
2.4.5 Erwartbare Veränderungen durch den Klimawandel für Bonn 28
3 Methode der modellgestützten Stadtklimaanalyse 33
3.1 Das Stadtklimamodell FITNAH 3D 33
3.1.1 Grundlagen meso- und mikroskaliger Modelle 33
3.2 Betrachtete Wetterlage 35
3.3 Eingangsdaten 35
3.3.1 Abgrenzung und Bewertung der klimaökologisch wirksamen Nutzungsstrukturen 39
4 Modellergebnisse ausgewählter Parameter 41
4.1 Nächtliches Temperaturfeld 41
4.1.1 Allgemeines 41
4.1.2 Ergebnisse Temperaturfeld 42
4.2 Kaltluftströmungsfeld 43
4.2.1 Allgemeines 43
4.2.2 Ergebnisse Kaltluftströmungsfeld 44
4.3 Kaltluftvolumenstrom 47
4.3.1 Allgemeines 47
4.3.2 Ergebnisse Kaltluftvolumenstrom 48
4.4 Thermische Belastung am Tage 49
4.4.1 Allgemeines 49
4.4.2 Ergebnisse 50Seite 4 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
III
5 Klimaanalysekarten 52
5.1 Vorgehensweise 52
5.2 Nachtsituation 52
5.2.1 Bioklimatische Belastung in den Siedlungs- und Gewerbeflächen 52
5.2.2 Kaltluftprozessgeschehen über Grün- und Freiflächen 53
5.3 Tagsituation 53
6 Planungshinweiskarten 54
6.1 Vorgehensweise - Standardisierung der Parameter (z-Transformation) 54
6.2 Bewertung der Siedlungs- und Gewerbeflächen (Wirkungsraum) 55
6.2.1 Bewertung der Nachtsituation 55
6.2.2 Bewertung der Tagsituation 55
6.3 Bewertung der Grün- und Freiflächen (Ausgleichsraum) 57
6.3.1 Bewertung der Grünflächen in der Nacht 57
6.3.2 Bewertung der Grünflächen am Tage 64
6.4 Ergebnisse 66
6.4.1 Nachtsituation 66
6.4.2 Tagsituation 67
6.5 Lesehilfe für die Ergebniskarten 70
6.5.1 Beispiel Geislar 70
7 Literaturverzeichnis 76
Anhang 79Seite 5 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
IV
Abbildungsverzeichnis
ABBILDUNG 1: PRINZIPSKIZZE FLURWIND ................................................................................................................................... 14
ABBILDUNG 2: VERDEUTLICHUNG DES BERG-/TALWINDSYSTEMS. DAS WINDSYSTEM AM TAG UM 12 UHR ZEIGT DEUTLICH HANGAUFWÄRTS
GERICHTETE STRÖMUNG QUELLE: ÜBERSICHTSRECHNUNG IN 250M AUFLÖSUNG MIT FITNACH-3D, GROß 2018 . ......................... 15
ABBILDUNG 3: STRÖMUNG IN DER NACHT UM 23 UHR MIT TALWÄRTIG GERICHTETER STRÖMUNG. QUELLE: ÜBERSICHTSRECHNUNG IN 250M
AUFLÖSUNG MIT FITNACH-3D, GROß 2018. ..................................................................................................................... 15
ABBILDUNG 4: ZUSAMMENHANG ZWISCHEN GRÖßE, TIEFE UND FLUSSABSCHNITT ZUR TÄGLICHEN WASSERTEMPERATUR. QUELLE:
ÜBERNOMMEN AUS (CAISSIE 2006, S. 1391) ................................................................................................................. 16
ABBILDUNG 5: WASSERTEMPERATUR AM PEGEL BAD-HONNEF FÜR DAS JAHR 2017. QUELLE: (LANDESUMWELTAMT NRW 2017) ........... 17
ABBILDUNG 6: DIGITALES GELÄNDEMODELL VON BONN. QUELLE: VERARBEITETE LASERSCANDATEN 2017, 1X1M, GEODATEN, NRW ........ 18
ABBILDUNG 7: JÄHRLICHE NIEDERSCHLÄGE DER STADT BONN. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG DER DWD CDC GRIDS............................. 20
ABBILDUNG 8: RÄUMLICHE NIEDERSCHLAGSENTWICKLUNG FÜR BONN ANHAND DER DWD DATEN AB 1901. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG
AUF GRUNDLAGE DWD CDC GRIDS................................................................................................................................. 22
ABBILDUNG 9: ENTWICKLUNG DER MITTLEREN JAHRESTEMPERATUR FÜR BONN. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNGEN DER DWD CDC GRIDS. 23
ABBILDUNG 10: RÄUMLICHE VERTEILUNG DER MITTLEREN JAHRESTEMPERATUR FÜR DAS STADTGEBIET BONN IN KLIMAPERIODEN AB 1901.
QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG AUF GRUNDLAGE DWD CDC GRIDS...................................................................................... 24
ABBILDUNG 11: ENTWICKLUNG DER SOMMERTAGE (TMAX >=25°C) IN BONN AB 1961. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG AUF DER
GRUNDLAGE DWD CDC GRIDS ....................................................................................................................................... 25
ABBILDUNG 12: ENTWICKLUNG DER HEIßEN TAGE (TMAX>=30°C) IN BONN AB 1961. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG AUF DER GRUNDLAGE
DER DWD CDC GRIDS. ................................................................................................................................................. 25
ABBILDUNG 13: MITTLERE JÄHRLICHE WINDRICHTUNGS- UND WINDGESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG FÜR DIE DWD STATION 2667, KÖLN-
BONN. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG ............................................................................................................................. 26
ABBILDUNG 14: WINDRICHTUNGS- UND WINDGESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG FÜR DIE EINZELNEN JAHRESZEITEN FÜR DIE DWD STATION
2667, KÖLN-BONN. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG .......................................................................................................... 27
ABBILDUNG 15: WINDRICHTUNGS- UND WINDGESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG FÜR TAG UND NACHT FÜR DIE DWD STATION 2667, KÖLN-
BONN. QUELLE: EIGENE AUSWERTUNG ............................................................................................................................. 28
ABBILDUNG 16: REPRESENTATIVE CONCENTRATION PATHWAYS. QUELLE: (KLIMANAVIGATOR 2017).................................................... 29
ABBILDUNG 17: ÄNDERUNG DER JAHRESMITTELTEMPERATUR FÜR BONN IN UNTERSCHIEDLICHEN KLIMAWANDELSZENARIEN ANHAND DER
EURO-CORDEX DATEN. QUELLE: PAVLIK 2018, GEO-NET ................................................................................................... 30
ABBILDUNG 18: ÄNDERUNGEN AUSGEWÄHLTER KENNTAGE FÜR DIE KLIMASZENARIEN RCP 2.6 UND RCP 8.5 FÜR DIE STADT BONN. QUELLE:
CDA 2018 .................................................................................................................................................................. 31
ABBILDUNG 19: TEMPERATURVERLAUF UND VERTIKALPROFIL DER WINDGESCHWINDIGKEIT ZUR MITTAGSZEIT VERSCHIEDENER
LANDNUTZUNGEN ......................................................................................................................................................... 34
ABBILDUNG 20: MITTLERE MONATLICHE UND JÄHRLICHE ANZAHL VON WINDSCHWACHEN STRAHLUNGSNÄCHSTEN FÜR DÜSSELDORF
(FLUGHAFEN) UND DEN FLUGHAFEN KÖLN/BONN FÜR DEN ANGEGEBENEN ZEITRAUM. QUELLE: O. ROLL, DWD 2018 ................... 35
ABBILDUNG 21: ÜBERSICHT ÜBER DIE VERARBEITUNG DER EINGANGSDATEN, UM DIE FITNAH-3D MODELLEINGANGSDATEN ZU ERZEUGEN.
QUELLE: EIGENE DARSTELLUNG. ...................................................................................................................................... 37
ABBILDUNG 22: ÜBERSICHT ÜBER DIE FINALEN MODELLEINGANGSDATEN IM UNTERSUCHUNGSGEBIET................................................... 39
ABBILDUNG 23: SCHEMA DER WERTEZUORDNUNG ZWISCHEN FLÄCHEN- UND PUNKTINFORMATION ..................................................... 40
ABBILDUNG 24: NÄCHTLICHES TEMPERATURFELD IN EINEM AUSSCHNITT DES STADTGEBIETS BONN VERSCHIEDENER NUTZUNGSSTRUKTUREN IN
DER IST SITUATION. ....................................................................................................................................................... 42
ABBILDUNG 25: STRÖMUNGSFELD IN 2M Ü.GR. IN [M/S] ............................................................................................................. 46
ABBILDUNG 26: PRINZIPSKIZZE KALTLUFTVOLUMENSTROM............................................................................................................ 47
ABBILDUNG 27: VERTIKALPROFILE DER KALTLUFT, UNTERLAGERT IST DAS DGM. ............................................................................... 49
ABBILDUNG 28: VERANSCHAULICHUNG DER STANDARDISIERUNG ZUR VERGLEICHENDEN BEWERTUNG VON PARAMETERN (Z-
TRANSFORMATION) ....................................................................................................................................................... 54
ABBILDUNG 29: VERTEILUNG DER SIEDLUNGSFLÄCHEN, DIE AUFGRUND DER BEWERTUNG FÜR DEN TAG UND FÜR DIE NACHT IN DER KLASSE
SEHR UNGÜNSTIGE BIOKLIMATISCHE SITUATION SIND............................................................................................................ 56Seite 6 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
V
ABBILDUNG 30: BEWERTUNGSSCHEMA ZUR BIOKLIMATISCHEN BEDEUTUNG VON GRÜNFLÄCHEN IN DER NACHT. KLASSE „KEINE
BIOKLIMATISCHE BEDEUTUNG“ WURDE NACH ABSPRACHE MIT DEN VERWALTUNGSMITARBEITERN DER KLASSE „GERINGE
BIOKLIMATISCHE BEDEUTUNG ZUGEORDNET. ...................................................................................................................... 58
ABBILDUNG 31: LAGE DER GRÜNFLÄCHEN MIT EINER SEHR HOHEN BEDEUTUNG IN DER NACHT. ........................................................... 59
ABBILDUNG 32: LAGE DER GRÜNFLÄCHEN MIT EINER HOHEN BIOKLIMATISCHEN BEDEUTUNG IN DER NACHT. .......................................... 60
ABBILDUNG 33: LAGE DER GRÜNFLÄCHEN MIT EINER MITTLEREN BEDEUTUNG IN DER NACHT. ............................................................. 61
ABBILDUNG 34: LAGE DER GRÜNFLÄCHEN MIT EINER GERINGEN BIOKLIMATISCHEN BEDEUTUNG IN DER NACHT. ...................................... 62
ABBILDUNG 35: KALTLUFTLEITBAHNEN IN DER PLANUNGSHINWEISKARTE NACHT (AUSSCHNITT). DUNKELGRÜN GEFÄRBTE GRÜNFLÄCHEN MIT
DUNKELBLAUEN PFEILEN STELLEN DIE KALTLUFTLEITBAHNEN DAR. KALTLUFTLEITBAHNEN AUßERHALB DER STADT BONN SIND EBENFALLS
MIT EINEM DUNKELBLAUEN PFEIL DARGESTELLT................................................................................................................... 63
ABBILDUNG 36: BEWERTUNGSSCHEMA ZUR BIOKLIMATISCHEN BEDEUTUNG VON GRÜNFLÄCHEN AM TAGE ............................................ 65
ABBILDUNG 37: ANTEIL DER GRÜNFLÄCHEN IM HAUPTAUSGLEICHSRAUM HINSICHTLICH DER WÄRMEBELASTUNG. ................................... 69
ABBILDUNG 38: ZUSAMMENSTELLUNG VON KARTENMATERIAL ZUM BEISPIELGEBIET GEISLAR. ............................................................. 71
Tabellenverzeichnis
TABELLE 1: ÜBERSICHT ÜBER DIE EINGANGSDATEN UND DEREN AKTUALITÄT/AUFNAHMEZEITPUNKT. .................................................... 36
TABELLE 2: FITNAHEINGANGSDATENKLASSEN MIT EMPIRISCHEN WERTEN FÜR VERSIEGELUNGSGRAD UND STRUKTURHÖHE. ....................... 38
TABELLE 3: ZUORDNUNG VON SCHWELLENWERTEN FÜR DEN BEWERTUNGSINDEX PET WÄHREND DER TAGESSTUNDEN (NACH VDI 3787,
BLATT 2 11/2008). ...................................................................................................................................................... 50
TABELLE 4: FLÄCHENANTEILE DER NÄCHTLICHEN ÜBERWÄRMUNG IM SIEDLUNGS-, GEWERBERAUM INKLUSIVE STRAßEN UND GLEISE FÜR DIE
IST-SITUATION.............................................................................................................................................................. 52
TABELLE 5: FLÄCHENANTEILE BIOKLIMATISCH BELASTETER SIEDLUNGSGEBIETE IN DER NACHT UND ABGELEITETE PLANUNGSHINWEISE .......... 66
TABELLE 6: FLÄCHENANTEILE BIOKLIMATISCH BEDEUTENDER GRÜNAREALE IN DER NACHT UND ABGELEITETE PLANUNGSHINWEISE............... 67
TABELLE 7: FLÄCHENANTEILE BIOKLIMATISCH BELASTETER SIEDLUNGSGEBIETE AM TAGE UND ABGELEITETE PLANUNGSHINWEISE ................. 68
TABELLE 8: FLÄCHENANTEILE BIOKLIMATISCH BEDEUTENDER GRÜNAREALE AM TAGE UND ABGELEITETE PLANUNGSHINWEISE ..................... 68
TABELLE 9: AUFLISTUNG DER PLANUNGSHINWEISE AUS DER PHK NACHT UND TAG FÜR DEN WIRKRAUM IN GEISLAR. .............................. 72
TABELLE 10: AUFLISTUNG DER PLANUNGSHINWEISE FÜR DIE GRÜNFLÄCHEN IN DER NACHT. ................................................................ 73Seite 7 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
VI
Abkürzungsverzeichnis
DGM Digitales Geländemodell
DOM Digitales Oberflächenmodell
DWD Deutscher Wetterdienst
GIS Geografische Informationssysteme
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
KAK Klimaanalysekarte
KVS Kaltluftvolumenstrom
NDVI Normalised Difference Vegetation Index
PHK Planungshinweiskarte
RCP Represenatative Concentration Pathways
RGBI Rot-, Grün-, Blau-, Infrarotkanalige LuftbilderSeite 8 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
VII
Glossar
Albedo: Rückstrahlvermögen einer Oberfläche (Reflexionsgrad kurzwelliger Strahlung). Verhältnis der reflektierten zur
einfallenden Lichtmenge. Die Albedo ist abhängig von der Beschaffenheit der bestrahlten Fläche sowie vom
Spektralbereich der eintreffenden Strahlung.
Allochthone Wetterlage: Durch großräumige Luftströmungen bestimmte Wetterlage, die die Ausbildung kleinräumiger
Windsysteme und nächtlicher Bodeninversionen verhindert. Dabei werden Luftmassen, die ihre Prägung in anderen
Räumen erfahren haben, herantransportiert.
Ausgleichsraum: Grüngeprägte, relativ unbelastete Freifläche, die an einen → Wirkungsraum angrenzt oder mit diesem
über → Kaltluftleitbahnen bzw. Strukturen mit geringer Rauigkeit verbunden ist. Durch die Bildung kühlerer und
frischerer Luft sowie über funktionsfähige Austauschbeziehungen trägt dieser zur Verminderung oder zum Abbau der
Belastungen im Wirkungsraum bei. Mit seinen günstigen klimatischen Eigenschaften bietet er eine besondere
Aufenthaltsqualität für Menschen.
Austauscharme Wetterlage: → Autochthone Wetterlage
Autochthone Wetterlage: Durch lokale und regionale Einflüsse bestimmte Wetterlage mit schwacher Windströmung und
ungehinderten Ein- und Ausstrahlungsbedingungen, die durch ausgeprägte Tagesgänge der Lufttemperatur, der
Luftfeuchte und der Strahlung gekennzeichnet ist. Die meteorologische Situation in Bodennähe wird vornehmlich
durch den Wärme- und Strahlungshaushalt und nur in geringem Maße durch die Luftmasse geprägt, sodass sich
lokale Klimate wie das Stadtklima bzw. lokale Windsysteme wie z.B. Berg- und Talwinde am stärksten ausprägen
können.
Autochthones Windfeld: Strömungen, deren Antrieb im Betrachtungsgebiet selber liegt und die nicht durch großräumige
Luftdruckgegensätze beeinflusst werden, z.B. → Kaltluftabflüsse und → Flurwinde, die sich als eigenbürtige,
landschaftsgesteuerte Luftaustauschprozesse während einer windschwachen sommerlichen → autochthonen
Wetterlage ausbilden.
Bioklima: Beschreibt die direkten und indirekten Einflüsse von Wetter, Witterung und Klima (= atmosphärische
Umgebungsbedingungen) auf die lebenden Organismen in den verschiedenen Landschaftsteilen, insbesondere auf
den Menschen (Humanbioklima).
Flurwind: Thermisch bedingte, relativ schwache Ausgleichsströmung, die durch horizontale Temperatur- und
Druckunterschiede zwischen vegetationsgeprägten Freiflächen im Umland und (dicht) bebauten Gebieten entsteht.
Flurwinde strömen vor allem in den Abend- und Nachtstunden schubweise in Richtung der Überwärmungsbereiche
(meist Innenstadt oder Stadtteilzentrum).
Geostrophischer Wind: Der geostrophische Wind ist eine Einteilung des Windes nach den antreibenden Kräfteverhältnissen.
Der geostrophische Wind tritt oberhalb der Bodenreibungsschicht auf, z.B. besonders stark ausgeprägt als Jetstream.
Er wird angetrieben von der Druckgradientkraft (Luftbewegung vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet) und abgelenkt durch
die Corioliskraft.
Grünfläche: Als „Grünfläche“ werden in dieser Arbeit unabhängig von ihrer jeweiligen Nutzung diejenigen Flächen
bezeichnet, die sich durch einen geringen Versiegelungsgrad von maximal ca. 25 % auszeichnen. Neben Parkanlagen,
Kleingärten, Friedhöfen und Sportanlagen umfasst dieser Begriff damit auch landwirtschaftliche Nutzflächen sowie
Forsten und Wälder.
Kaltluft: Luftmasse, die im Vergleich zu ihrer Umgebung bzw. zur Obergrenze der entsprechenden Bodeninversion eine
geringere Temperatur aufweist und sich als Ergebnis des nächtlichen Abkühlungsprozesses der bodennahen
Atmosphäre ergibt. Der ausstrahlungsbedingte Abkühlungsprozess der bodennahen Luft ist umso stärker, je geringer
die Wärmekapazität des Untergrundes ist, und über Wiesen, Acker- und Brachflächen am höchsten. Konkrete
Festlegungen über die Mindesttemperaturdifferenz zwischen Kaltluft und Umgebung oder etwa die Mindestgröße
des Kaltluftvolumens, die das Phänomen quantitativ charakterisieren, gibt es bisher nicht.Seite 9 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
VIII
Kaltluftabfluss: Flächenhaft über unbebauten Hangbereichen auftretende Kaltluftabflüsse. Aufgrund der vergleichsweise
höheren Dichte von Kaltluft setzt diese sich, dem Gefälle folgend, hangabwärts in Bewegung. Der Abfluss erfolgt
schubweise. Er setzt bereits vor Sonnenuntergang ein und kann die ganze Nacht andauern.
Kaltlufteinwirkbereich: Wirkungsbereich der lokal entstehenden Strömungssysteme innerhalb der Bebauung (Siedlungs-
und Gewerbeflächen und Straßen innerhalb des Stadtgebiets gekennzeichnet, die von einem überdurchschnittlich
hohen → Kaltluftvolumenstrom durchflossen werden; Mittelwert des Kaltluftvolumenstroms über alle Flächen im
Stadtgebiet).
Kaltluftentstehungsgebiete: Grünflächen mit einem überdurchschnittlichen → Kaltluftvolumenstrom, die
→ Kaltluftleitbahnen speisen (→ Flurwinde zeigen in Richtung der Kaltluftleitbahnen) bzw. über diese hinaus bis in
das Siedlungsgebiet reichen..
Kaltluftleitbahnen: Kaltluftleitbahnen verbinden → Kaltluftentstehungsgebiete (→ Ausgleichsräume) und
Belastungsbereiche (→ Wirkungsräume) miteinander und sind somit elementarer Bestandteil des Luftaustausches.
Beinhalten thermisch induzierte Ausgleichströmungen sowie reliefbedingte → Kaltluftabflüsse.
Kaltluftvolumenstrom (KVS): Vereinfacht ausgedrückt das Produkt der Fließgeschwindigkeit der → Kaltluft, ihrer vertikalen
Ausdehnung (Schichthöhe) und der horizontalen Ausdehnung des durchflossenen Querschnitts (Durchflussbreite).
Der Kaltluftvolumenstrom beschreibt somit diejenige Menge an → Kaltluft in der Einheit m³, die in jeder Sekunde
durch den Querschnitt beispielsweise eines Hanges oder einer → Kaltluftleitbahn fließt. Anders als das
→ Strömungsfeld berücksichtigt der Kaltluftvolumenstrom somit auch Fließbewegungen oberhalb der bodennahen
Schicht.
Kelvin (K): SI-Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur, die zur Angabe von Temperaturdifferenzen verwendet wird.
Der Wert kann in der Praxis als Abweichung in Grad Celsius (°C) interpretiert werden.
Klima: Das Klima ist definiert als die Zusammenfassung aller Wettererscheinungen über einen längeren Zeitraum, der im
Allgemeinen 30 Jahre beträgt, was als Nomalperiode bezeichnet wird. Das Klima gibt den mittleren Zustand der
Atmosphäre an einem Ort oder Gebiet wider. Das Klima an einem Ort wird beschrieben über Mittelwerte,
Extremereignisse und Häufigkeiten, etc. pp. (DWD).
Klimaanalysekarte (KAK): Analytische Darstellung der Klimaauswirkungen und Effekte in der Nacht sowie am Tage im
Stadtgebiet und dem näheren Umland (Kaltluftprozessgeschehen, Überwärmung der Siedlungsgebiete).
Orographisch: beschreibt das Gelände morphologisch hinsichtlich seiner Hangrichtung und Hangneigung.
PET (Physiologisch äquivalente Temperatur): Humanbioklimatischer Index zur Kennzeichnung der Wärmebelastung des
Menschen, der Aussagen zur Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit sowie kurz- und langwelligen
Strahlungsflüssen kombiniert und aus einem Wärmehaushaltsmodell abgeleitet wird.
Planungshinweiskarte (PHK): Bewertung der bioklimatischen Belastung in Siedlungs- und Gewerbeflächen im Stadtgebiet
(→ Wirkungsräume) sowie der Bedeutung von Grünflächen als → Ausgleichsräume für die Tag- und die
Nachtsituation und Ableitung von allgemeinen Planungshinweisen.
Reliefenergie: Als Reliefenergie wird der Höhenunterschied zwischen höchstem und niedrigstem Punkt eines Gebietes, hier
das Untersuchungsgebiet verstanden (Kuttler 2009). Je größer dieser Unterschied, desto höher ist die Reliefenergie.
Städtische Wärmeinsel (Urban Heat Island): Städte weisen im Vergleich zum weitgehend natürlichen, unbebauten Umland
aufgrund des anthropogenen Einflusses (u.a. hoher Versiegelungs- und geringer Vegetationsgrad, Beeinträchtigung
der Strömung durch höhere Rauigkeit, Emissionen durch Verkehr, Industrie und Haushalt) ein modifiziertes Klima auf,
das im Sommer zu höheren Temperaturen und bioklimatischen Belastungen führt. Das Phänomen der Überwärmung
kommt vor allem nachts zum Tragen und wird als Städtische Wärmeinsel bezeichnet.
Strahlungswetterlage → Autochthone Wetterlage
Strömungsfeld: Für den Analysezeitpunkt 04:00 Uhr morgens simulierte flächendeckende Angabe zur Geschwindigkeit und
Richtung der → Flurwinde in 2 m über Grund während einer → autochthonen Wetterlage.Seite 10 von 89

Stadtklimaanalyse Bonn 2019
IX
Strukturwind: Kleinräumiges Strömungsphänomen, das sich zwischen strukturellen Elementen einer Stadt ausbildet (bspw.
zwischen einer innerstädtischen → Grünfläche und der Bebauung entlang einer angrenzenden Straße).
Synoptischer Wind: Synoptische Winde ist eine Einteilung nach der Größenordnung der Luftbewegungen. Der Begriff
bezeichnet alle Winde bis auf den → geostrophischen Wind. Unter synoptischen Winden wird der großräumige Wind
verstanden, der über längere Zeiträume anhält.
Wirkungsraum: Bebauter oder zur Bebauung vorgesehener Raum (Siedlungs- und Gewerbeflächen), in dem eine
bioklimatische Belastung auftreten kann.
z-Transformation: Umrechnung zur Standardisierung einer Variablen, sodass der arithmetische Mittelwert der
transformierten Variable den Wert Null und ihre Standardabweichung den Wert Eins annimmt. Dies wird erreicht,
indem von jedem Ausgangswert der Variablen das arithmetische Gebietsmittel abgezogen und anschließend durch
die Standardabweichung aller Werte geteilt wird. Dadurch nehmen Abweichungen unterhalb des Gebietsmittels
negative und Abweichungen oberhalb des Gebietsmittels positive Werte an, die in Vielfachen der
Standardabweichung vorliegen. Die Form der Verteilung bleibt dabei unverändert.Seite 11 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
10
Zusammenfassung
Die Ergebnisse erneuern die Arbeiten des DWD aus dem Jahr 1992 und schreiben diese fort. Der Vorteil in
der neuen Modellierung liegt eindeutig in der höheren Auflösung und der modellgestützten Simulation, so
dass sich räumliche Muster der Wärmebelastung auf Blockebene und darunter (in den Meteorologischen
Parameterkarten) eindeutig identifizieren lassen. Das verwendete 10 m x 10 m-Raster entspricht einem
mikroskaligen Ansatz und erlaubt die Berücksichtigung von Gebäuden als Strömungshindernisse.
Zusammen mit der kleinräumigen Erfassung von Grünstrukturen samt deren individueller Strukturhöhe,
können detaillierte Aussagen zum Einfluss des Stadtkörpers auf das Mikroklima und insb. das
Strömungsfeld getroffen werden. Der Blick in die Zukunft über erwartbare Klimawandeländerungen
mithilfe der Auswertungen der EUROCORDEX Daten erlaubt es, die Entwicklung für Bonn abzuschätzen.
Dem kann (und muss) bereits jetzt durch geeignete Maßnahmen im Umbau begegnet werden.
Mittels des Stadtklimamodells FITNAH 3D wurden flächendeckende Ergebnisse der wichtigsten
meteorologischen Parameter Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit sowie Windrichtung und
Kaltluftvolumenstrom für die Nachtsituation bzw. Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET) für die
Tagsituation berechnet. Der Simulation liegt eine autochthone sommerliche Wetterlage zugrunde
(herabgesetzter Luftaustausch in der bodennahen Luftschicht, hohe Ein- und Ausstrahlung bei wolkenlosem
Himmel). Zur Inwertsetzung und Erstellung von Planungskarten wurden die rasterbasierten Ergebnisse auf
die Flächen einzelner Nutzungsstrukturen übertragen.
Die Klimaanalysekarten spiegeln die Überwärmung der Siedlungsflächen und das Kaltluftprozessgeschehen
für das gesamte Untersuchungsgebiet wider. Sie veranschaulichen die strukturellen Unterschiede auf das
Temperaturfeld sowie den städtischen Wärmeinseleffekt (bis zu 8 K höhere Temperaturen im Stadtkern),
bilden die in einer autochthonen Sommernacht entstehenden Ausgleichsströmungen ab (Flurwinde) und
identifizieren für die Durchströmung des Stadtgebiets besonders wichtige Kaltluftleitbahnbereiche.
Die Planungshinweiskarten quantifizieren die Belastung in den Siedlungsflächen (Wirkungsraum) sowie die
Bedeutung von Grünflächen als Ausgleichsräume im Stadtgebiet Bonns. In der Nacht ist ein erholsamer
Schlaf von besonderer Bedeutung, sodass in der Bewertung die bewohnten Gebiete im Vordergrund
stehen. Am Tage ist die Aufenthaltsqualität im Freien der maßgebliche Parameter und es werden sowohl
Gewerbeflächen als auch der Straßenraum untersucht und dargestellt.
In der Nacht belastete Siedlungsflächen treten insb. in der Innenstadt auf, wo das vorhandene hohe
Bauvolumen die tagsüber als Wärme gespeicherte Strahlung wieder abgibt. Am Tage sind deutliche
Unterschiede zwischen der Aufenthaltsqualität von hoch versiegelten Quartieren und Gewerbegebieten zu
stark durchgrünten Quartieren erkennbar.
Wohngebiete zeigen mehrheitlich eine mittlere Belastung, Gewerbeflächen sowie der Straßenraum
dagegen oftmals ungünstige bioklimatische Bedingungen. Die Stadt Bonn weist mit ihren großen
Waldgebieten Ennert und Kottenforst Erholungsgebiete vor allem für den Tag vor, die jedoch für viele
Stadtbewohner nicht fußläufig zu erreichen sind. Hier können innerstädtisch gelegene Grünflächen wie der
Freizeitpark der Rheinaue Entlastung am Tage bieten. Daher sollte auch auf eine dezentrale Versorgung der
Bevölkerung mit kleineren Parkanlagen (auch Pocketparks oder Begrünung von öffentlichen Plätzen)
geachtet werden.
Während insbesondere innerstädtische Parkareale sowohl in der Nacht als auch am Tage in der Regel eine
positive Wirkung ausüben, steht bspw. die günstige Wirkung von unversiegelten Freiflächen ohne
Baumbestand in der Nacht (Abkühlung, Durchströmbarkeit) eine meist sehr geringe Aufenthaltsqualität amSeite 12 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
11
Tage gegenüber (hohe Einstrahlung). Folglich gilt es beide Planungshinweiskarten Tag und Nacht bei der
Beurteilung von Flächen zu betrachten und je nach Funktion und Zweck des Gebäudes eine Wichtung der
Tag oder Nachtsituation vorzunehmen. Wenn eine Grünfläche neu bebaut wird oder im Bestand
nachverdichtet wird, hat diese Entwicklung unmittelbar Auswirkung auf benachbarte Gebiete und es
müsste eine neue Bewertung der Flächen und ihres Umfeldes erfolgen.
Aus den bisherigen Ergebnissen der Stadtklimaanalyse kann festgehalten werden, dass es in Bonn
thermisch belastete Siedlungsbereiche gibt, deren bioklimatische Situation mindestens erhalten, möglichst
durch geeignete Maßnahmen verbessert werden sollte. Die Versorgung der Innenstadt mit Kaltluft in der
Nacht ist nicht mehr gegeben aufgrund der dichten Bebauung und der Lage des Hauptsiedlungskörpers von
Bonn in der flachen niederrheinischen Bucht. Dadurch basiert die Durchlüftung in der Innenstadt
hauptsächlich auf Flurwindsystemen. Eine ausreichende Belüftung ist nicht nur dafür da die thermische
Belastung zu mildern, sondern kann sich auch positiv auf die in diesem Gutachten nicht näher betrachtete
Luftqualität auswirken. Entsprechend sollte die Verbesserung der Durchlüftung durch geeignete
Maßnahmen im Fokus stehen, was jedoch durch die historisch gewachsene Bebauungsstruktur in Bonn
sehr schwierig wird.
Bis hierhin sind den bewerteten Siedlungs- und Grünflächen jeweils allgemeine Planungshinweise
zugeordnet, die eine erste Einschätzung möglicher Maßnahmen bzw. Gebote erlauben, doch bezogen auf
den Einzelfall genauer betrachtet werden müssen.Seite 13 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
12
1 Stadtklimatische Untersuchungen
1.1 GEWÄHLTER ANALYSEANSATZ
Das Schutzgut Klima ist ein wichtiger Aspekt der Raumplanung und vor dem Hintergrund konkurrierender
Planungsziele sind flächenbezogene Fachinformationen ein wichtiges Hilfsmittel zu dessen sachgerechter
Beurteilung. Aus der Kenntnis des in einer Stadt vorherrschenden Lokalklimas, die dadurch mitbestimmte
lufthygienische Situation und den klimatischen Funktionszusammenhängen lassen sich Schutz- und
Entwicklungsmaßnahmen zur Verbesserung des Klimas ableiten. Dieser Leitgedanke zielt auf die Erhaltung
und Verbesserung günstiger bioklimatischer Verhältnisse und auch auf die Unterstützung gesundheitlich
unbedenklicher Luftqualität ab.
Im Rahmen des ZURES Projektes (Zukunftsorientierte Vulnerabilitäts- und Risikoanalyse als Instrument zur
Förderung der Resilienz von Städten und urbanen Infrastrukturen) erstellte die Geo-Net Umweltconsulting
GmbH eine Klimaanalyse für die Stadt Bonn. Die Klimaanalyse liefert nun eine hochaufgelöste
gebäudescharfe 10m-Modellierung für die Bundesstadt Bonn und berücksichtigt dabei bereits aktuelle
Bauvorhaben als auch individuelle Grünstrukturen wie Bäume im Stadtgebiet mit ihren Strukturhöhen
(Kapitel 3 und 4). Die mit dem Modell FITNAH durchgeführte Klimaanalyse ist methodisch aktuell und liefert
eine den heutigen Ansprüchen entsprechende höhere Auflösung um kommende Planungsprozesse
bewältigen zu können. Die mit diesem Gutachten vorliegende Klimaanalyse betrachtet die thermische
Belastung im Sommer für die Ist-Situation. Die Situation unter Klimawandelbedingungen wird anhand von
Statistiken für Bonn erläutert (siehe Kapitel 2.4).
Die vorliegende Klimaanalyse aktualisiert die vorhandene DWD Studie und liefert flächendeckende
Informationen zur thermischen Belastung und insbesondere des Kaltluftprozessgeschehens in der Nacht.
Die Ergebnisse spiegeln neben der Nacht-Situation auch die bioklimatische Belastung am Tage in den
Klimaanalysekarten wider (siehe Kapitel 5). Darüber hinaus wird, getrennt für die Nacht- und Tagsituation,
eine Bewertung der bioklimatischen Belastung in den Siedlungsräumen bzw. der Bedeutung von
Grünflächen als Ausgleichsräume vorgenommen und allgemeine Planungshinweise abgeleitet
(Planungshinweiskarten; Kapitel 6).
Der vorliegende Bericht stellt kurz die Vorgehensweise zur Erstellung einer Stadtklimaanalyse dar und geht
dabei auf die Methodik der Modellrechnung ein. Danach werden die einzelnen wichtigen Klimaparameter
wie Nachttemperatur und Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET, (Matzarakis et al. 1999)) vorgestellt,
erläutert und schließlich ihre Verarbeitung in die Klimaanalysekarten (siehe Kapitel 5) und
Planungshinweiskarten dargestellt (siehe Kapitel 6).
1.2 BISHERIGE STADTKLIMATISCHE UNTERSUCHUNGEN
Wie bereits weiter oben kurz erwähnt liegt eine Klimaanalyse der Stadt Bonn vom DWD aus den 90er
Jahren vor (Deutscher Wetterdienst 1991). Der DWD unternahm neben stationären Messungen auch
Messfahrten zu ausgesuchten Wetterlagen über mehrere Jahre. Hinzu kam die Modellierung der Stadt
Bonn im 50x50m Raster, um Flächen hinsichtlich ihrer Bedeutung einschätzen zu können.
Das Gutachten betrachtete also mehrere über das gesamte Jahr auftretende Wetterlagen und nicht wie in
dieser Klimaanalyse nur die wärmebelastende autochthone Wetterlage mit hoher Einstrahlung und
geringen Windgeschwindigkeiten. Damit sind im DWD Gutachten auch Aussagen zu Frischluftschneisen
möglich, wobei nicht gesagt ist, dass die Frischluftschneisen sowohl Kaltluft als auch saubere unbelasteteSeite 14 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
13
Luft befördern. Ebenfalls wurden Bauvorhaben, die 1989 geplant waren, zur klimatischen Bewertung und
Einschätzung übermittelt.
Dabei waren wesentliche Erkenntnisse:
 Die dicht bebauten Bereiche von Bonn sind generell wärmer, trockener im Sommer und schlecht
durchlüftet
 Die Bereiche außerhalb der Innenstadt in tiefen Lagen sind kühler als der Innenstadtbereich, etwas
feuchter im Frühjahr, Sommer und Herbst als der Innenstadtbereich und aufgrund der höheren
Windsgeschwindigkeiten als im Innenstadtbereich dementsprechend auch besser durchlüftet
 Die höher gelegenen Freiflächen außerhalb der Siedlungsflächen sind im Vergleich zu den anderen
zwei benannten Typen kühler, feuchter und weisen höhere Windgeschwindigkeiten auf
 Melbtal und Godesberger Bach sind wesentliche Kaltluftbahnen, die die Kaltluftzufuhr aus den
umgebenden Freiflächen weiterführen
 Die physiologische Belastung des Menschen wurde über den Predicted Mean Vote (PMV) simuliert
und im Ergebnis festgestellt (Seite 7ff), dass v.a. die ostexponierten Talhänge am rechtsrheinischen
Ufer und locker bebaute Siedlungsbereiche eine deutliche Wärmebelastung aufweisen. Letzt
genannte Siedlungsbereiche sind nach heutigem Kenntnisstand falsch bewertet, da gerade durch
den hohen Grünanteil wie Bäumen in den privaten Gärten die thermische Wärmebelastung als
nicht so hoch empfunden wird.Seite 15 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
14
2 Fachliche Grundlagen
2.1 DER STADTKLIMAEFFEKT
Durch den anthropogenen Einfluss herrschen in einer Stadt modifizierte Klimabedingungen vor, die
tendenziell mit steigender Einwohnerzahl bzw. Stadtgröße stärker ausgeprägt sind (Oke 1973). Gründe
hierfür sind bspw. der hohe Versiegelungsgrad, dem ein geringer Anteil an Vegetation und natürlicher
Oberfläche gegenüber steht, die Oberflächenvergrößerung durch Gebäude (Beeinträchtigung der Strömung
durch höhere Rauigkeit, Mehrfachreflexion der Gebäude) sowie Emissionen durch Verkehr, Industrie und
Haushalte (anthropogener Wärmefluss). Im Vergleich zum weitgehend natürlichen, unbebauten Umland
führen diese Effekte im Sommer zu höheren Temperaturen und bioklimatischen Belastungen. Das
Phänomen der Überwärmung kommt vor allem nachts zum Tragen und wird als Städtische Wärmeinsel
bezeichnet (Oke et al. 2017).
Solch belastenden Situationen entstehen vornehmlich bei Hochdruckwetterlagen und sind durch einen
ausgeprägten Tagesgang der Strahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind und Bewölkung bestimmt
(autochthone Wetterlagen). Durch lokal unterschiedliche Abkühlungsraten entstehen Temperatur- und
damit Dichteunterschiede, die Ausgleichsströmungen hervorrufen (Flurwinde; Abbildung 1).
Abbildung 1: Prinzipskizze Flurwind
Unter diesen Rahmenbedingungen kommt es tagsüber zu einem konvektiven Aufsteigen warmer Luft über
dem überwärmten Stadtkörper. Als Folge des entstehenden bodennahen Tiefdruckgebietes treten
Ausgleichsströmungen in Form eines bodennahen Zuströmens von Luft aus dem Umland über gering
bebaute Flächen hin zum Stadtgebiet auf. Das Aufsteigen von Warmluftblasen verursacht zusätzlich eine
Böigkeit der bodennah nachströmenden Luft, sodass die Ausgleichsströmungen am Tage weniger sensibel
auf Strömungshindernisse reagieren als in der Nacht. Während der Tagsituation führen sie aufgrund eines
meist ähnlichen Temperaturniveaus im Umland nicht zum Abbau von Wärmebelastungen in den
Siedlungsflächen, tragen aber zur Durchmischung der bodennahen Luftschicht und damit zur Verdünnung
von Luftschadstoffen bei.
In den Nachtstunden sind autochthone Wetterlagen dagegen durch stabile Temperaturschichtungen der
bodennahen Luft gekennzeichnet. Damit wird eine vertikale Durchmischung unterbunden und eine ggf.
überlagerte Höhenströmung hat keinen Einfluss mehr auf das bodennahe Strömungsfeld. Während der
nächtlichen Abkühlung fließt kühlere Umgebungsluft aus stadtnahen und ggf. innerstädtischen Grün- bzw.
Freiflächen in das wärmere Stadtgebiet ein. Da der bodennahe Zustrom mit geringen Strömungs-
geschwindigkeiten erfolgt, kann dieser Luftaustausch nur entlang von Flächen ohne blockierende
Strömungshindernisse erfolgen, insb. über sogenannten Kaltluftleitbahnen.Seite 16 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
15
Neben der vom Menschen freigesetzten Abwärme, kommt es durch den hohen Versiegelungsgrad zu einer
Erwärmung des Stadtgebietes. Während unbebaute Flächen im Umland schnell auskühlen, erfolgt der
Prozess des Abkühlens bei städtischen, versiegelten Flächen über einen längeren Zeitraum. Beton und
Asphalt besitzen eine geringe Albedo1, sodass viel Strahlung absorbiert wird und sich die Flächen am Tag
stark aufwärmen. In der Nacht kann die gespeicherte Wärme als langwellige Ausstrahlung an die
Atmosphäre abgegeben werden (Häckel 2012; Malberg 1985; Oke et al. 2017). Aufgrund der starken
Versiegelung und geringeren Wasserverfügbarkeit ist der Energieverbrauch zur Verdunstung herabgesetzt,
sodass der latente Wärmestrom in der Stadt geringer, der fühlbare Wärmetransport dagegen höher
ausfällt. Beide Aspekte haben höhere Temperaturen des Stadtgebiets im Vergleich zum Umland zur Folge
(Schönwiese 2013), sodass deren Bevölkerung einer größeren thermischen Belastung ausgesetzt ist.
Verkehr, Industrie und Heizungen bewirken nicht nur einen anthropogenen Wärmefluss, sondern führen
auch zu vermehrten Emissionen. Entsprechend weist die Luft in der Stadt erhöhte Verunreinigungen durch
Schadstoffe und Staub auf, die sich negativ auf die Gesundheit des Menschen auswirken können. Da die
Windgeschwindigkeiten in der Stadt in der Regel herabgesetzt sind, kann kein ausreichender Luftaustausch
stattfinden, um die Luftqualität merklich zu verbessern (Kuttler 2009). Vor allem bei windschwachen
Hochdruckwetterlagen ist das oftmals ein Problem in der Stadt. Dies erklärt die Notwendigkeit der
Betrachtung des Stadtklimas, insb. da ein Großteil der Bevölkerung in Städten wohnt und demzufolge
Belastungen so gering wie möglich gehalten werden sollten, um gesunde Wohn- und Arbeitsverhältnisse
sicherzustellen.
2.2 DIE ROLLE DES RHEINS IN DER STADT
Die Wirkungen des Rheins auf das Stadtklima können hauptsächlich durch die Entwicklung der
Wassertemperaturen beschrieben werden. Der Wärmeaustausch findet zwischen der Lufttemperatur und
der Wassertemperatur an der Wasseroberfläche statt. Die Wassertemperatur hängt von der Entfernung zur
Mündung, Ordnung und Breite des Flusses und meteorologische Gegebenheiten wie Sonneneinstrahlung,
der langwelligen Wärmestrahlung und der Verdunstung ab. Diese Prozesse zusammen resultieren in der
Wassertemperatur, die am Tag und innerhalb des Jahres schwankt.
Flüsse werden im Längsverlauf immer wärmer je weiter sie von der Quelle entfernt sind (natürlicher
Temperaturgradient) (Lozàn und Maier 2008, 296ff). Je breiter und damit mehr Wasservolumen der Fluss
besitzt, desto geringer ist die Wassererwärmung. Die Abbildung 4 verdeutlicht diesen Zusammenhang gut.
1 Rückstrahlvermögen einer OberflächeSeite 17 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
16
Abbildung 4: Zusammenhang zwischen Größe, Tiefe und Flussabschnitt zur täglichen Wassertemperatur. Quelle:
Übernommen aus (CAISSIE 2006, S. 1391)
Einfluss des Rheins auf das Stadtklima im Sommer
Die Strahlungsenergie der Sonne führt bei Wasser nicht nur zur Erwärmung sondern auch zur Verdunstung
(Evaporation). Die Strahlung dringt je nach Trübheitsgrad tief in den Wasserkörper ein. Bei Fließgewässern
wie dem Rhein kommt es durch die Bewegung zu Durchmischungsprozessen, so dass sich das Wasser bis in
tiefere Schichten erwärmt. Durch die zeitgleich auftretende Evaporation erwärmt sich das Wasser jedoch
weniger schnell als das bei anderen Strukturen der Fall ist wie bspw. Boden oder Gestein. Durch die geringe
Temperaturzunahme bei großer Energiezufuhr und geringe Temperaturabnahme bei Abkühlung sind
Wasserkörper gute Wärmespeicher (Kuttler 2009). Dementsprechend sind die Temperaturextreme im
Wasser geringer und treten zeitlich verzögert auf. Für den Austausch von Wärme zwischen der Luft- und
Wassertemperatur sind v.a. zwei Prozesse wichtig: Evaporation und Kondensation. Der Prozess der
Evaporation verbraucht Wärmeenergie und entzieht der unmittelbaren Umgebung somit die Wärme (Oke
et al. 2017, 158, 439).
Tagsüber haben Wasserkörper einen positiven Effekt auf den thermischen Komfort (Temperatur) und sind
in ihrem Temperaturauswirkungseigenschaften vergleichbar zu einer optimal mit Wasser versorgten
Grünfläche. Jedoch ist die Reichweite der Temperaturauswirkung durch die Wasserfläche geringer als die
einer Grünfläche und beschränkt sich hauptsächlich auf die Fläche des Wasserkörpers. Nachts haben
Wasserflächen keinen kühlenden Effekt, da sie selbst durch die hohe Wärmekapazität (Wärmespeicher) ein
höheres Temperaturniveau als die Lufttemperatur aufweisen (Kuttler 2009, S. 271). Der tageszeitliche
Wassertemperaturgang schwankt kaum. Bei der Erwärmung des Gewässers im Sommer gilt es noch zu
beachten, welchen Wasserstand der Fluss aufweist, denn Niedrigwasserstand führt zu einer stärkeren
Erwärmung des Wasserkörpers.
Für die Stadt Bonn bedeutet das, dass der Rhein im Sommer am Tage zur Kühlung der unmittelbar
angrenzenden Luftpakete beitragen kann. Chen et al. (2014) haben in ihrer Studie den Kühlungseffekt von
Flüssen auf Städte in Taiwan untersucht und kommen zu dem Ergebnis, dass der Kühlungseffekt weitaus
geringer ausfällt als in natürlichen Flussgebieten. In den sehr städtisch entwickelten Flussauen haben sie
eine Reichweite des Kühlungseffektes von 0m bis 75m anhand der Auswertung des Thermalbandes von
Satellitenbildern nachgewiesen.Seite 18 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
17
Da der Rhein teilweise im Stadtverlauf eingefasst ist und auch tiefer liegt als die Stadt, ist der Einfluss des
Rheins sehr auf das lokale Mikroklima begrenzt.
Nachts zieht der Rhein die Luftströmung und damit auch einen Teil der Kaltluft an, da er die wärmste
Struktur im Stadtgebiet in der Nacht ist. Weil der Rhein der tiefste Punkt im Stadtgebiet ist, wird dieser
Prozess noch weiter verstärkt.
Abbildung 5 verdeutlicht den Wassertemperaturverlauf innerhalb des Jahres 2017. In den Sommermonaten
Juni, Juli und August schwankt die Temperatur zwischen 20,8 bis 25,6°C. Die Kühlungswirkung des Rheins in
der Nacht ist somit weiter herabgesetzt, da die Wassertemperaturen die mittleren Lufttemperaturen
deutlich übersteigen.
Abbildung 5: Wassertemperatur am Pegel Bad-Honnef für das Jahr 2017. Quelle: (Landesumweltamt NRW 2017)
Weitere klimaökologische Funktionen von Fließgewässern.
Gewässer in Städten sind rauhigkeitsarme Strukturen und daher oft Ventilationsbahnen. Als solche
funktionieren sie in Abhängigkeit von ihrer Ausrichtung und der Luftströmung sowie je nach Wetterlage
und Windrichtung unterschiedlich gut.
Fazit zur Rolle des Rheins
Der Einfluss des Rheins auf das Bonner Stadtklima ist sehr lokal und trägt bei sommerlichen Wetterlagen
nicht zu einer großräumigen Kühlung des Stadtraums bei.Seite 19 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
18
2.3 UNTERSUCHUNGSGEBIET
LAGE VON BONN
Die kreisfreie Stadt Bonn liegt im Süden des Bundeslandes Nordrhein-Westfalen und gehört zum
Regierungsbezirk Köln. Sie liegt in der niederrheinischen Bucht und wird im Osten durch das Siebengebirge
mit dem großen Waldgebiet Ennert begrenzt (siehe auch Abbildung 6). Im Südwesten befindet sich der
Kottenforst, der Ausläufer der Eifel ist. In Höhe von Godesberg verengt sich das Rheintal auf wenige
Kilometer, dem sogenannten Godesberger Rheintaltrichter. Nördlich davon öffnet sich die niederrheinische
Bucht und das Stadtgebiet befindet sich v.a. auf flachem, ebenem Niveau in der Rheinflussaue. Die Bonner
Innenstadt weist Höhen von ca. 58m ü. NHN auf. Höchste Erhebungen im Bonner Stadtgebiet sind der
linkrheinisch liegende Venusberg mit 171m, rechtsrheinisch ist der Paffelsberg mit 195 m ü. NHN die
höchste Erhebung im Bonner Stadtgebiet. Der größere Teil des Stadtgebietes befindet sich auf
linksrheinischer Seite.
Abbildung 6: Digitales Geländemodell von Bonn. Quelle: Verarbeitete Laserscandaten 2017, 1x1m, Geodaten, NRWSeite 20 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
19
2.4 KLIMA
Das Klima charakterisiert gemäß Definition des Deutschen Wetterdienstes (DWD) den mittleren Zustand
der Atmosphäre an einem bestimmten Ort bzw. Gebiet und wird durch die statistischen
Gesamteigenschaften über einen genügend langen Zeitraum repräsentiert (Mittelwerte, Extremwerte,
Häufigkeiten, etc.). Im Allgemeinen werden Zeiträume von 30 Jahren zugrunde gelegt – so wurde z.B. die
für die langjährige Klimaentwicklung angegebene internationale klimatologische Referenzperiode auf den
Zeitraum 1961-1990 festgelegt (DWD; WMO 1996). Diese klimatologische Referenzperiode kann jedoch
den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde bspw. die
Referenzperiode von 1971 bis 2000 zugrunde gelegt.
2.4.1 MAKROKLIMA
Bonn gehört zum großräumigen Klimatyp: Maritimes Klima, welches durch milde, feuchte Winter und
warme Sommer gekennzeichnet ist. Charakterisiert werden kann das maritime Klima auch durch eine
geringere Temperaturamplitude zwischen den Jahreszeiten als das beim Kontinentalklima der Fall ist.
Durch die Tallage der Stadt Bonn kommt es jedoch auch hier zu Veränderungen des maritimen Klimas, nicht
zuletzt durch den städtischen Wärmeinseleffekt und die Stauwirkung des Siebengebirges und v.a. im
Westen durch den Kottenforst. Zur Darstellung einzelner ausgewählter Klimaparameter werden die DWD
Grids des Climate Data Centers2 in Form von Diagrammen und Kartendarstellungen ausgewertet (siehe
Abbildung 7 bis Abbildung 10).
2 https://cdc.dwd.de/portal/201912031600/index.htmlSeite 21 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
20
2.4.2 NIEDERSCHLAG
Abbildung 7: Jährliche Niederschläge der Stadt Bonn. Quelle: Eigene Auswertung der DWD CDC Grids.
Die Abbildung 7 zeigt den Verlauf der jährlichen Niederschlagssumme anhand der DWD Grids ab dem Jahr
1881 bis 2018 auf. Dabei sind auf der linken Achse die Abweichung der jeweiligen Niederschlagssumme
vom Mittel der DWD-Referenzperiode 1971 bis 2000 dargestellt, da diese Periode als Basis für die
Darstellung der Abweichungen für die Klimawandelfolgen genutzt wird (siehe Unterabschnitt 2.4.5). Die
Achse auf der rechten Seite gibt die jeweiligen Absolutwerte wieder. So ist bspw. der Mittelwert der
Periode 1971 bis 2000 auf der linken Seite die 0 (da hier die Änderungen zur Periode dargestellt werden),
und in der absoluten Zahl liegt der Mittelwert bei 685 mm. Das gleitende Mittel (die schwarze Kurve) ist an
der rechten Achse abzulesen. Die Abbildung verdeutlicht, dass ein stetiger Niederschlagszuwachs in Bonn
zu verzeichnen ist mit einem signifikanten Trend (rot gestrichelte Linie). Seit 1881 mit einer
Niederschlagssumme von 520 mm ist die Jahressumme bis 2014 auf 790 mm angestiegen, die
darauffolgenden Jahre verzeichnen wieder eine geringere Niederschlagssumme, im Jahr 2018 sind es 515
mm gewesen. Ein Muster in der Verteilung der Jahre mit den höchsten und niedrigsten
Niederschlagssummen ist nicht zu erkennen.
Ab Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1881 bis ca. 1950 ist zu sehen, dass die Niederschlagssummen
jeweils vom Mittelwert der Klimaperiode 1971 bis 2000 nach unten abweichen. Ab Mitte der 1970er Jahre
ist eine stetige Zunahme der Jahresniederschlagssummen zu erkennen, indem die Abweichung vom
Mittelwert der Klimaperiode 1971 bis 2000 nach oben, also positiv ausfällt. Dies kann als ein Hinweis für
den einsetzenden bereits jetzt stattfindenden Klimawandel gesehen werden. Die jeweilige Verteilung der
Jahresniederschläge innerhalb des Jahres sind leider nicht abzulesen, aber wären interessant in ihremSeite 22 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
21
Verlauf, um abschätzen zu können, ob der Niederschlag auch dann fällt, wenn die Verdunstung hoch ist
(hohe Temperatur), damit ersichtlich wird, ob der Niederschlag ausreichend ist.
In Abbildung 8, Abbildung 10, Abbildung 11 und Abbildung 12 sind die frei verfügbaren Daten des DWD-
Climate Data Centers räumlich dargestellt und nicht wie in den vorhergehenden Abbildungen räumlich
gemittelt. In Abbildung 8 ist die räumliche Verteilung der Niederschlagssummen in Klimaperioden zu sehen.
Es ist ersichtlich, dass die Niederschlagssummen generell seit der ersten dargestellten Klimaperiode von
1901 bis 1930 räumlich überall zunehmen, jedoch am stärksten im Nordwesten, im Ennert auf bis zu 800
mm/a als auch im Südosten im Kottenforst beim Venusberg auf ca. 770 mm/a für die letzte dargestellte
Klimatologie 1989 bis 2018.Seite 23 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
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Abbildung 8: Räumliche Niederschlagsentwicklung für Bonn anhand der DWD Daten ab 1881. Quelle: Eigene
Auswertung auf Grundlage DWD CDC Grids.Seite 24 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
23
2.4.3 TEMPERATUR
Die Abbildung 9 zeigt den Verlauf der mittleren jährlichen Temperaturen anhand der DWD Daten ab dem
Jahr 1881 bis 2018 auf. Auch hier sind die Werte einmal in Bezug zur Klimareferenzperiode 1971 bis 2000 in
ihrer Abweichung (linke Achse) und auf der Absolutskalenachse (rechts) dargestellt. Bis Anfang der 1970er
Jahre ist diese Abweichung der mittleren Jahrestemperatur größtenteils negativ und schwankt zwischen -
0,5 bis -1,5 Kelvin. Danach kommt es dann zu einer stetigen Zunahme der Jahresmitteltemperatur auf bis zu
11,9 °C im Jahr 2018, wobei das Jahr 2018 das wärmste Jahr seit 1881 in Bonn ist. Die Häufung der warmen
Jahre in der letzten Dekade kann die Richtung der weiteren Entwicklung für Bonn aufzeigen. Die kältesten
fünf Jahre liegen alle vor 1960. Drei davon sogar vor 1890. Im Jahr 1881 lag die mittlere Jahrestemperatur
bei ca. 9,2 °C, was ein Unterschied zur heutigen Situation (Jahr 2018) von ca. 2,7 °C mehr, also 11,9 °C
Jahresmitteltemperatur bedeutet.
Abbildung 9: Entwicklung der mittleren Jahrestemperatur für Bonn. Quelle: Eigene Auswertungen der DWD CDC Grids.
Die Abbildung 10 verdeutlicht noch einmal die räumliche Verteilung der mittleren Jahrestemperatur im
Stadtgebiet für Bonn. Auch hier sind wieder die deutlichen Unterschiede zwischen den einzelnen
Landschaftsräumen ersichtlich. So verzeichnet der Kottenforst im Südwesten und wiederum der Ennert im
Osten zwar eine Zunahme der mittleren jährlichen Temperatur, jedoch im Vergleich zu den anderen
Gebieten bleiben sie kühler bzw. unter den Jahresmitteltemperaturen der anderen Gebiete in Bonn. Das
Rheintal ist in seiner Struktur bereits in der ersten dargestellten Klimaperiode 1881 - 1910 zu erkennen und
verzeichnet mit über 11 °C in der aktuellen Klimaperiode 1989 – 2018 die höchste Jahresmitteltemperatur,
v.a. für die Innenstadtbereiche und nördlich anschließenden Gebiete.Seite 25 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
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Abbildung 10: Räumliche Verteilung der mittleren Jahrestemperatur für das Stadtgebiet Bonn in Klimaperioden ab
1881. Quelle: Eigene Auswertung auf Grundlage DWD CDC Grids.Seite 26 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
25
Die Abbildung 11 und Abbildung 12 zeigen die räumliche Verteilung der Anzahl der Sommertage und
Heißen Tage für die Stadt Bonn, beginnend für die Klimaperiode 1961 bis 1990 bis zur Klimaperiode 1989
bis 2018.
Vor allem die Abbildung 11 zeigt deutlich die hohe Anzahl (Skala beachten!) an Sommertagen. In der ersten
Klimaperiode 1961 – 1990 sind ca. 37 Tage im Bonner Rheintal als Sommertage pro Jahr identifiziert. In der
aktuellen Klimaperiode 1989 – 2018 sind es bereits 48 Sommertage im Rheintal und dem Stadtgebiet von
Bonn. Die Höhenlagen und damit Waldgebiete wie der Ennert und der Kottenforst treten hier wieder
deutlich „kühler“ mit einer geringeren Anzahl an Sommertagen zutage.
Abbildung 11: Entwicklung der Sommertage (Tmax >=25°C) in Bonn ab 1961. Quelle: Eigene Auswertung auf der
Grundlage DWD CDC Grids
In der Abbildung 12, die die Anzahl der Heißen Tage für Bonn wiedergibt, sieht man erneut das Rheintal
sehr deutlich mit einer höheren Anzahl an heißen Tagen hervortreten. In der ersten Klimanormperiode
1961 – 1990 waren es 7 Tage, in der aktuellen Klimaperiode dann bis zu 11 heiße Tage im Rheintal und
bebauten Stadtgebiet von Bonn.
Abbildung 12: Entwicklung der Heißen Tage (Tmax>=30°C) in Bonn ab 1961. Quelle: Eigene Auswertung auf der
Grundlage der DWD CDC Grids.Seite 27 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
26
2.4.4 WIND
In der Abbildung 13 sind die Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten seit dem November 1993 bis
Dezember 2018 für die DWD Station am Köln-Bonner Flughafen dargestellt. Die Hauptwindrichtung ist sehr
deutlich mit Südost abzulesen, wobei die mittleren Windgeschwindigkeiten zwischen 0,3 bis 10,7 m/s
schwanken. Die häufigste Windgeschwindigkeit für die Hauptwindrichtung ist die Klasse 1,6 bis 3,3 m/s mit
6% Anteil. Weitere häufig auftretende Windrichtungen sind Ost, Südsüdost und Westnordwest.
Abbildung 13: Mittlere jährliche Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsverteilung für die DWD Station 2667, Köln-
Bonn. Quelle: Eigene AuswertungSeite 28 von 89

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Abbildung 14: Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsverteilung für die einzelnen Jahreszeiten für die DWD Station
2667, Köln-Bonn. Quelle: Eigene Auswertung
Die Abbildung 14 zeigt die saisonale Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsverteilung für die Station Köln-Bonn
Flughafen. Wesentlicher Unterschied ist die Häufigkeit der Hauptwindrichtung aus Ostsüdost. Im Herbst ist der
Gesamtanteil an dieser Windrichtung bei > 15%, im Frühjahr bspw. nur bei 10%. Die Windrichtungen Westnordwest
und Nordwest sind vor allem im Frühjahr und Sommer häufiger mit 7% vertreten als in den anderen Jahreszeiten. Im
Sommer sind eher die geringeren Windgeschwindigkeiten vertreten (blasse Farbtöne bi 5,4 m/s), Im Frühjahr gibt es
häufiger höhere Windgeschwindigkeiten.Seite 29 von 89

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Abbildung 15: Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsverteilung für Tag und Nacht für die DWD Station 2667, Köln-
Bonn. Quelle: Eigene Auswertung
Die Abbildung 15 zeigt die Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsverteilung in der Nacht und am Tag.
Hier ist als erstes zu erkennen, dass die Hauptwindrichtung Ostsüdost auch hier wieder deutlich hervortritt.
In der Nacht kommt diese Hauptwindrichtung zu 17% vor jedoch mit geringeren Windgeschwindigkeiten
(höherer Anteil der blassen Farbtöne bis 5,4 m/s). Am Tage tritt die Hauptwindrichtung mit bis zu 10% auf,
aber auch Westnordwest mit 7 %, was in der Nacht nicht so stark ausgeprägt ist.
2.4.5 ERWARTBARE VERÄNDERUNGEN DURCH DEN KLIMAWANDEL FÜR BONN
Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hat mit dem 5. Sachstandsbericht die
unterschiedliche Entwicklung des Weltklimas mit den Klimaszenarien, den „RCP“s (representative
concentration pathways) bis 2100 beschrieben (IPCC 2014) (siehe Abbildung 16). Deren Bezeichnung
enthält den zusätzlichen Strahlungsantrieb in W m-2 bis zum Jahr 2100 im Vergleich zum vorindustriellen
Stand Mitte des 19.Jahrhunderts:
 Das Szenario RCP2.6 beschreibt einen Anstieg des anthropogenen Strahlungsantriebes bis zum Jahr
2040 auf knapp 3 W m-2. Zum Ende des Jahrhunderts sinkt dieser langsam, aber stetig auf 2,6 W m-2.
Die globale Mitteltemperatur würde in diesem Szenario die 2 °C-Grenze voraussichtlich nicht
überschreiten (IPCC 2014).
 RCP4.5 zeigt einen steilen Anstieg des anthropogenen Strahlungsantriebes bis etwa zur Mitte des 21.
Jahrhunderts, der danach nur noch geringfügig bis etwa 2075 steigt und in der Folge stagniert.
 Das Szenario RCP 8.5 weist den stärksten Anstieg des Strahlungsantriebes auf, der sich bis zum Ende
des Jahrhunderts nicht abschwächt und eine Zunahme der globalen Mitteltemperatur um ca. 4 K
gegenüber dem Zeitraum 1986-2005 bewirken würde (IPCC 2014). Dieses Szenario entspricht amSeite 30 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
29
ehesten dem „Weiter wie bisher“-Trend und würde sich vermutlich ohne zusätzliche Bemühungen zur
CO2-Reduzierung einstellen.
Abbildung 16: Representative Concentration Pathways. Quelle: (Klimanavigator 2017)
Betrachtet man die Abbildung 17, in der die Änderung der Jahresmitteltemperatur für Bonn dargestellt ist,
basierend auf den EURO-CORDEX Modellensembledaten, ist ersichtlich, dass bis 2100 eine Zunahme unter
dem stärksten Klimawandelszenario 8.5 auf ca. 12,3 °C Jahresmitteltemperatur zu erwarten sind. Vergleicht
man diesen Wert mit der Jahresmitteltemperatur aus den DWD Daten für 2018 in Höhe von 11,9°C (siehe
Abbildung 9), lässt sich daraus schlussfolgern, dass das Wetter im Jahr 2018 ein typischer Zustand im Jahr
2100 sein wird und jedes Jahr auftreten bzw. noch fast ein halbes Grad wärmer ausfallen wird. Die
regionalen Modellläufe der EURO-CORDEX Gruppe ergeben tendenziell eher zu kühle
Jahresmitteltemperaturen für die Zukunft. Daher werden die Jahresmitteltemperaturen zum Ende des
Jahrhunderts höchstwahrscheinlich über den gleitenden Mittelwerten in der Abbildung 17 liegen.
Weiterhin muss für die einzelnen RCPs Zeiträume definiert werden, die es erlauben, auch Aussagen für eine
nahe (2035), mittlere (2050) und ferne Zukunft (2100) zu treffen.
Für die nun folgende aufgeführte Darstellung wurde für die Stadt Bonn aus dem EURO-CORDEX-
Modellgitter (europäische Initiative, die die globalen Klimaszenarien downgescalt hat) der nächstgelegene
sowie seine acht umliegenden Gitterpunkte ausgewählt (räumliche Auflösung ≈ 12,5 km). Die Daten dieser
Gitterpunkte wurden zu einheitlichen Zeitreihen räumlich aggregiert und ausgewertet – die Datensätze
umfassen jeweils Werte in einer zeitlichen Auflösung von einem Tag bis zum Jahr 2100. Folgende 30-jährige
Zeiträume (Perioden) wurden zur Bestimmung der Klimaänderungen festgelegt:
 p0 1971 – 2000 (Referenzperiode)
 p1 2015 – 2045 (Zukunftsperiode zentriert auf das Jahr 2030)
 p2 2041 – 2070 (Zukunftsperiode zentriert auf das Jahr 2055)Seite 31 von 89

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 p3 2071 – 2100 (Zukunftsperiode zentriert auf das Jahr 2085)
Abbildung 17: Änderung der Jahresmitteltemperatur für Bonn in unterschiedlichen Klimawandelszenarien anhand der
EURO-Cordex Daten. Quelle: Pavlik 2018, Geo-Net
Abbildung 18 enthält die Entwicklung von Sommertagen, Heißen Tagen und Tropennächten für die
Szenarien RCP 2.6 und RCP 8.5 in den drei oben genannten Zukunftsperioden. Die Grafiken wurden mit
dem Climate Data Analyzer CDA, einem bei Geo-Net entwickelten Tool erzeugt.
RCP 2.6 RCP 8.5Seite 32 von 89

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Abbildung 18: Änderungen ausgewählter Kenntage für die Klimaszenarien RCP 2.6 und RCP 8.5 für die Stadt Bonn.
Quelle: CDA 2018
Die Stadt Bonn weist bspw. in der Periode P1 (2015 – 2045) für das RCP 2.6 eine mittlere Anzahl von ca. 280
Sommertagen für die 30-Jahresperiode auf. Betrachtet man die mittlere Anzahl der Sommertage unter dem
RCP 8.5 zeichnet sich eine deutliche Zunahme ab in der Periode P3 (2071 – 2100) um über das 3-fache zum
RCP 2.6 Periode 1 (auf im Median 1021 Sommertage). Das würde bedeuten, dass es in Bonn, wenn die
Entwicklung so weitergeht wie bisher, was dem RCP 8.5 entspricht, eine jährliche Zunahme bis 2100 um 34
Sommertage pro Jahr zu erwarten sind.
Die heißen Tage (Maximaltemperatur ≥ 30°C), die in der zweiten Zeile dargestellt sind, werden ebenso
zunehmen. Im RCP 2.6 werden in der ersten Klimawandelperiode ca. 100 Heiße Tage zu erwarten sein, was
3 pro Jahr ausmachen wird. Schaut man weiter in die Zukunft bis 2100 werden die heißen Tage im RCP 2.6
(schwacher Klimawandel) im Mittel nach wie vor ungefähr bei 100 liegen, im RCP 8.5 jedoch bereits eine
mittlere Zunahme von 491 Tagen für die 30-jahresperiode zu erwarten sein, was pro Jahr ca. 16 Tage mehr
sein werden.
Die Entwicklung der Tropennächte ist in der letzten Zeile der Abbildung 18 dargestellt. Im schwachen
Klimawandelszenario (RCP 2.6, links) ist eine sehr geringe Zunahme von im Mittel 12 Tropennächten in der
Periode 1 abzulesen. In der letzten Periode dann von ca. 19 Tropennächten. Im Starken
Klimawandelszenario (RCP 8.5) für Periode 3 sind es schon 236 Tropennächte, was im Vergleich zur
heutigen Situation ca. 8 mehr im Jahr sein werden. Hier kommt zum Tragen, dass in der Auswertung der
EURO-CORDEX Daten (Jacob et al. 2014; Pavlik et al.), aus denen die Grafiken erzeugt wurden, die Stadt
Bonn zwar räumlich innerhalb der 9 Gitterzellen liegt, aber durch die umliegenden Zellen, die das UmlandSeite 33 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
32
repräsentieren, stark abgeschwächt sind. Es ist eine deutlich höhere Zunahme an Tropennächten um den
Faktor 3 bis 5 für das Stadtgebiet zu erwarten.
Die Grafiken verdeutlichen die möglichen Entwicklungen von ausgewählten Kenntagen für Bonn unter
Klimawandelbedingungen ohne die Berücksichtigung von Klimaschutz- und Anpassungsmaßnahmen in der
Stadt Bonn ab dem jetzigen Zeitpunkt.Seite 34 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
33
3 Methode der modellgestützten Stadtklimaanalyse
3.1 DAS STADTKLIMAMODELL FITNAH 3D
Neben globalen Klimamodellen und regionalen Wettervorhersagemodellen wie sie zum Beispiel vom DWD
für die tägliche Wettervorhersage routinemäßig eingesetzt werden, nehmen kleinräumige
Modellanwendungen für umweltmeteorologische Zusammenhänge im Rahmen von stadt- und
landschaftsplanerischen Fragestellungen einen immer breiteren Raum ein. Die hierfür eingesetzten mikro-
und mesoskaligen Modelle erweitern das Inventar meteorologischer Werkzeuge zur Berechnung
atmosphärischer Zustände und Prozesse.
Der Großteil praxisnaher umweltmeteorologischer Fragestellungen behandelt einen Raum von der
Größenordnung einer Stadt bzw. Region. Die bestimmenden Skalen für die hier relevanten
meteorologischen Phänomene haben eine räumliche Erstreckung von Metern bis hin zu einigen Kilometern
und eine Zeitdauer von Minuten bis Stunden. Unter Verwendung des üblichen Einteilungsschemas
meteorologischer Phänomene werden diese in die Meso- und Mikroskala eingeordnet. Beispiele für
mesoskalige Phänomene sind Land-See-Winde, Flurwinde oder die Ausbildung einer städtischen
Wärmeinsel, wobei der Übergang zur Mikroskala fließend ist (bspw. der Einfluss von Hindernissen auf den
Wind wie Kanalisierung, Umströmung bzw. Düseneffekte, aber auch die klimaökologischen Auswirkungen
von Begrünungsmaßnahmen).
Obwohl die allgemeine Struktur und physikalischen Ursachen dieser lokalklimatischen Phänomene im
Wesentlichen bekannt sind, gibt es nach wie vor offene Fragen hinsichtlich der räumlichen Übertragbarkeit
auf andere Standorte oder der Sensitivität bezüglich der Wechselwirkungen einzelner Strömungssysteme
untereinander. Ein Grund hierfür sind die relativ kleinen und kurzen Skalen dieser Phänomene und deren
unterschiedliches Erscheinungsbild in komplexem Gelände. Entsprechend ist es schwierig aus einer
beschränkten Anzahl von Beobachtungen eine umfassende Charakterisierung zu erhalten, jedoch kann
dieser Nachteil mit Hilfe ergänzender Modelluntersuchungen überwunden werden.
Beginnend mit einem Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft wurden in
Deutschland eine Reihe mesoskaliger Modelle konzipiert und realisiert (Deutsche Forschungsgemeinschaft
1988). Der heutige Entwicklungsstand dieser Modelle ist extrem hoch und zusammen mit den über die
letzten Dekaden gewonnenen Erfahrungen im Umgang mit diesen Modellen stehen neben Messungen vor
Ort und Windkanalstudien universell einsetzbare Werkzeuge zur Bearbeitung umweltmeteorologischer
Fragestellungen in stadt- und landschaftsplanerisch relevanten Landschaftsausschnitten zur Verfügung.
Sofern ausreichend detaillierte Eingangsdaten zur Verfügung stehen, ist das Modell FITNAH3D (Gross 1989,
1993, 2002) in der Lage, räumlich hoch aufgelöste Berechnungen in einem 10x10m-Raster durchzuführen
und ermöglicht damit mikroskalige Stadtklimaanalysen.
3.1.1 GRUNDLAGEN MESO- UND MIKROSKALIGER MODELLE
Die Verteilung lokalklimatisch relevanter Größen wie Wind und Temperatur können mit Hilfe von
Messungen ermittelt werden. Aufgrund der großen räumlichen und zeitlichen Variation der
meteorologischen Felder im Bereich einer komplexen Umgebung sind Messungen allerdings nur punktuell
repräsentativ und eine Übertragung in benachbarte Räume selten möglich. Stadtklimamodelle wie
FITNAH3D können zu entscheidenden Verbesserungen dieser Nachteile herangezogen werden, indem sie
physikalisch fundiert die räumlichen und/oder zeitlichen Lücken zwischen den Messungen schließen,
weitere meteorologische Größen berechnen und Wind- bzw. Temperaturfelder in ihrer raumfüllenden
Struktur ermitteln. Die Modellrechnungen bieten darüber hinaus den Vorteil, dass Planungsvarianten undSeite 35 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
34
Ausgleichsmaßnahmen in ihrer Wirkung und Effizienz studiert und auf diese Art und Weise optimierte
Planungslösungen gefunden werden können.
Für jede meteorologische Variable wird eine physikalisch fundierte mathematische Berechnungsvorschrift
aufgestellt. Die Modelle basieren daher, genauso wie Wettervorhersage- und Klimamodelle, auf einem Satz
sehr ähnlicher Bilanz- und Erhaltungsgleichungen. Das Grundgerüst besteht aus den Gleichungen für die
Impulserhaltung (Navier-Stokes Bewegungsgleichung), der Massenerhaltung (Kontinuitätsgleichung) und
der Energieerhaltung (1. Hauptsatz der Thermodynamik).
Je nach Problemstellung und gewünschter Anwendung kann dieses Grundgerüst erweitert werden, um z.B.
die Effekte von Niederschlag auf die Verteilung stadtklimatisch wichtiger Größen zu berücksichtigen. In
diesem Falle müssen weitere Bilanzgleichungen für Wolkenwasser, Regenwasser und feste
Niederschlagspartikel gelöst werden. Die Lösung der Gleichungssysteme erfolgt in einem numerischen
Raster. Die Rasterweite muss dabei so fein gewählt werden, dass die lokalklimatischen Besonderheiten des
Untersuchungsraumes vom jeweiligen Modell erfasst werden können. Je feiner das Raster gewählt wird,
umso mehr Details und Strukturen werden aufgelöst.
Allerdings steigen mit feiner werdender Rasterweite die Anforderungen an Rechenzeit und die benötigten
Eingangsdaten. Hier muss ein Kompromiss zwischen Notwendigkeit und Machbarkeit gefunden werden. In
der vorliegenden Untersuchung beträgt die für die Modellierung mit FITNAH3D verwendete horizontale
räumliche Maschenweite 10m. Die vertikale Gitterweite (z-Richtung) ist dagegen nicht äquidistant und in
der bodennahen Atmosphäre besonders dicht angeordnet, um die starke Variation der meteorologischen
Größen realistisch zu erfassen. So liegen die untersten Rechenflächen in Höhen von 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40,
50 und 70 m über Grund (ü.Gr.). Nach oben hin wird der Abstand immer größer und die Modellobergrenze
liegt in einer Höhe von 3000 m ü.Gr. In dieser Höhe wird angenommen, dass die am Erdboden durch
Orographie und Landnutzung verursachten Störungen abgeklungen sind.
Die Auswertungen der FITNAH-Modellierung beziehen sich auf das bodennahe Niveau der Modellrechnung
(2 m ü.Gr. = Aufenthaltsbereich der Menschen).
Abbildung 19: Temperaturverlauf und Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit zur Mittagszeit verschiedener LandnutzungenSeite 36 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
35
3.2 BETRACHTETE WETTERLAGE
Die durchgeführte numerische Simulation mit FITNAH3D legt eine autochthone Wetterlage zugrunde. Diese
wird durch wolkenlosen Himmel und einen nur sehr schwach überlagernden synoptischen Wind
gekennzeichnet, sodass sich die lokalklimatischen Besonderheiten einer Stadt besonders gut ausprägen.
Diese Wetterlage trat in den Sommermonaten (Juni, Juli, August) im Raum Bonn in den Jahren 1996 bis
2015 im Mittel an ca. 27 Tagen auf, was ca. 29 % ausmacht (siehe Abbildung 20). Ein Drittel aller Tage sind
also autochthone Wetterlagen, die mit einer hohen Sonneneinstrahlung und keinem überprägten
Windsystem einhergehen.
Abbildung 20: Mittlere monatliche und jährliche Anzahl von windschwachen Strahlungsnächsten für Düsseldorf
(Flughafen) und den Flughafen Köln/Bonn für den angegebenen Zeitraum. Quelle: O. Roll, DWD 2018
Entsprechend wurden die großräumigen synoptischen Rahmenbedingungen für die Modellrechnung
folgendermaßen festgelegt:
 Lufttemperatur 22 °C über Freiland um 21:00 Uhr
 Relative Feuchte der Luftmasse 50 %
 Bedeckungsgrad 0/8
 Kein überlagernder geostrophischer Wind
Die vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten während der austauscharmen Wetterlage bedingen
einen herabgesetzten Luftaustausch in der bodennahen Luftschicht. Bei gleichzeitig hoher Ein- und
Ausstrahlung können sich somit lokal bioklimatische Belastungsräume ausbilden (Darstellung eines worst
case-Szenarios). Charakteristisch für diese (Hochdruck-)Wetterlage ist die Entstehung eigenbürtiger
Kaltluftströmungen (Flurwinde), die durch den Temperaturgradienten zwischen kühlen Freiflächen und
wärmeren Siedlungsräumen angetrieben werden.
In Abbildung 19 sind schematisch die für eine austauscharme sommerliche Wetterlage simulierten
tageszeitlichen Veränderungen der Temperatur und Vertikalprofile der Windgeschwindigkeit zur
Mittagszeit für die Landnutzungen Freiland, Stadt und Wald dargestellt. Beim Temperaturverlauf zeigt sich,
dass unversiegelte Freiflächen wie z.B. Wiesen und bebaute Flächen ähnlich hohe Temperaturen zur
Mittagszeit aufweisen können, während die nächtliche Abkühlung über Siedlungsflächen vor allem durch
die Wärme speichernden Materialien deutlich geringer ist. Waldflächen nehmen eine mittlere Ausprägung
ein, da die nächtliche Auskühlung durch das Kronendach gedämpft wird. Hinsichtlich der
Windgeschwindigkeit wird die Hinderniswirkung von Bebauung und Vegetationsstrukturen im Vertikalprofil
deutlich.
3.3 EINGANGSDATEN
Bei einem numerischen Modell wie FITNAH 3D werden zur Festlegung und Bearbeitung einer
Aufgabenstellung eine Reihe von Eingangsdaten benötigt, die charakteristisch für die Landschaft desSeite 37 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
36
Untersuchungsgebiets sind und die größerskaligen meteorologischen Rahmenbedingungen wie Wetterlage
oder Klimaszenario definieren. Für jede Rasterzelle müssen jeweils als repräsentativer Wert folgende Daten
vorliegen:
 Geländedaten (z.B. Geländehöhe, Neigung, Orientierung)
 Nutzungsstruktur (Verteilung der Landnutzung, Digitales Landschaftsmodell)
Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die verwendeten Eingangsdaten und ihre Aktualität.
Tabelle 1: Übersicht über die Eingangsdaten und deren Aktualität/Aufnahmezeitpunkt.
Daten Bemerkung Auflösung Aktualität
Realnutzung Nutzung gesamtstädtisch 02/2017
administrative Grenzen Stadt gesamtstädtisch 2011, 2016
DGM Geländemodell 1m Auflösung 1m 11/2016
DOM Laserscandaten (last pulse) 1m 1m 09/2016
Gebäude mit z-Höhe gesamtstädtisch 02/2017
Grünflächen Grünflächen in der Stadt gesamtstädtisch 01/2017
Bäume (öffentlich) Bäume mit Höhe gesamtstädtisch 01/2017
Straßen Straßenflächen gesamtstädtisch 01/2017
Luftbilder RGB und CIR 0,1m 2013
aktuelle Baustellen verschiedene Shapes und Bauleitpläne
Gebäude für Aufstockungen Zeilenbauweise, 1950-70er Jahre mit mind. 4
Wohneinheiten
gesamtstädtisch 06/2017
Wohnbaulandpotenzialflächen Daten aus verschiedenen Quellen: FNP-Potentiale,
Flächen mit geringem Bebauungsgrad,
Wohnbaulandpotenzialkataster
gesamtstädtisch 06/2017
Integrierten Freiraumsystems
(IFS)
Enthält Grünflächen der Stadt Bonn und zeigt ihre
Entwicklung auf
gesamtstädtisch 2012
Im Unterschied zur mesoskaligen Modellierung wurden darüber hinaus Gebäude sowohl in Bezug auf ihren
Grundriss als auch ihre Höhe erfasst, sodass deren Effekte auf das Mikroklima und insb. das Strömungsfeld
berücksichtigt werden. Weiterhin wurden Bäume für die Modellrechnung berücksichtigt. Da die
Bundesstadt Bonn nur die öffentlichen Bäume zur Verfügung stellen konnte, wurde über den NDVI
(normalised difference vegetation index) in Kombination mit dem Digitalen Oberflächenmodell (DOM) die
privaten Bäume nacherfasst, so dass sie in die Berechnung einfließen konnten. Der NDVI ist ein Maß um
zwischen vegetationsbestandenen (positive Werte) und versiegelten Flächen (negative Werte) zu
unterscheiden. Er wurde anhand von RGBI-Luftbildern, die in 10x 10cm Auflösung vorlagen, die einen Roten
und Infraroten Kanal besitzen, berechnet. Die räumliche Auflösung von 10 m ermöglichte diese detaillierte
Erfassung von Grünstrukturen, allerdings sind Einzelne (insb. kleinkronige) Bäume auf dieser
Maßstabsebene nicht im Modell berücksichtigt, da sie kleiner als eine 10x10m Rasterzelle sind. Ist eine
10x10m Rasterzelle zu 60% mit einer Baumkrone ausgefüllt, so wurde diese Rasterzelle als Baum in das
Modell überführt.Seite 38 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
37
Abbildung 21: Übersicht über die Verarbeitung der Eingangsdaten, um die FITNAH-3D Modelleingangsdaten zu erzeugen. Quelle:
Eigene Darstellung.
Die Versiegelungsgrade wurden für die Siedlungsflächen anhand des NDVI abgeleitet, indem den Werten
auf der Grundlage einer visuellen Abschätzung Versiegelungsgrade zugewiesen und dann auf die 10x10m
Rasterzelle übertragen wurden.
Abbildung 21 zeigt die verwendeten Eingangsdaten und deren Verarbeitung, um sie für das Modell
passfähig zu machen. Es standen für die Erzeugung des Geländemodells hochaufgelöste 1m-Daten zur
Verfügung, die auf Modellauflösung von 10 x 10m gebracht wurden. Dabei bestand eine wesentliche
Herausforderung, dass das Digitale Oberflächenmodell (DOM) in einem nicht regelmäßigen Gitter
übergeben wurde, was in einem ersten Schritt behoben werden musste. Danach konnte aus dem DOM und
DGM die Strukturhöhe, also die absolute Höhe der einzelnen Objekte wie Haus und Baum ermittelt
werden.
Die Realnutzungskartierung wurde mit aktuellen Entwicklungsvorhaben abgeglichen, die vom Planungsamt
übermittelt wurden. Dabei handelte es sich um Flächen, für die es einen rechtsgültigen Bebauungsplan gibt
und eine Umsetzung in den nächsten 5 Jahren als sehr wahrscheinlich gilt. Für folgende Planungsvorhaben
wurden die Eingangsdaten in der Ist-Rechnung geändert und aktualisiert:
 Bebauung am Hauptbahnhof „Urban Soul“
 Beckers Garten
 Bonner Bogen
 Campus Poppelsdorf
 DeutschherrenstraßeSeite 39 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
38
 Geislar-West
 Hermann-Ehlers Straße
 Niederkasseler Straße
 Otto-Hahn-Straße
 Reuterbrücke
 Röhfeldstraße
 Niederkasseler Straße
 Siebengebirgsterrassen
 Steinbach und Schäfer
 Südüberbauung
 Endenich – Westside
Somit sind die Eingangsdaten sehr aktuell und garantieren eine längere Gültigkeit der Ergebnisdaten und –
karten.
Tabelle 2: Fitnaheingangsdatenklassen mit empirischen Werten für Versiegelungsgrad und Strukturhöhe.
Klasse Flächentyp Beschreibung Mittlerer
Versiegelungsgrad (%)
Mittlere
Strukturhöhe (m)
1 Zentrumsbebauung Kerngebietsnutzung, welche durch einen sehr hohen
Bebauungs- und Versiegelungsgrad gekennzeichnet ist. 95 25,0
2 Block- und
Blockrandbebauung
Vergleichsweise dicht bebaute und häufig auch stark
versiegelte Siedlungsfläche. Baustrukturell ist sie meist
durch geschlossene Blockinnenhöfe geprägt. Sie
umfasst sowohl Vorkriegs- als auch Nachkriegsbauten.
78 15,0
3 Industrie- und
Gewerbefläche
Sie weist einen ähnlich hohen Versiegelungsgrad wie
die Zentrumsbebauung auf, gleichzeitig ist der
versiegelte Flächenanteil oft größer als der mit
Gebäuden bestandene.
87 10,0
4 Zeilen- und
Hochhausbebauung
Zu diesem Flächentyp zählen sowohl freistehende
Punkthochhäuser als auch halboffene Blockrand-
bebauung und Zeilenbebauung. Gemeinsames
Merkmal ist ein relativ hoher Grünflächenanteil,
welcher sich durch die zwischen den Gebäudekörpern
befindlichen Abstandsflächen ergibt.
55 15,0
5 Einzel- und
Reihenhausbebauung
Dieser Typ weist unter den Siedlungsräumen den
geringsten Überbauungsgrad auf. Der Übergang
zwischen dicht ausgeprägter Reihenhausbebauung und
einer Zeilenbebauung ist fließend.
41 5,0
6 Straßenraum Ebenerdig versiegelte Fläche des Straßenraums. 95 0,0
7 Gleisfläche Schienenverkehrsfläche mit geringer Strukturhöhe. 25 0,5
8 Baulich geprägte
Grünfläche
Unter diesem Flächentyp sind vegetationsgeprägte
Flächen zusammengefasst, welche zugleich auch einen
gewissen Anteil an versiegelter Fläche (Zuwegungen)
und/oder Bebauung aufweisen. Dazu zählen z.B.
Kleingartenanlagen und Gartenbauflächen, sowie Spiel-
und Sportplätze. Es überwiegt aber letztlich die
Eigenschaft als Grünfläche.
25 5,0
9 Freiland
Beinhaltet vor allem landwirtschaftlich genutzte
Wiesen und Weiden sowie ackerbaulich genutzte
Flächen. Innerstädtisch handelt es sich meist um
Rasenflächen mit geringem Gehölzanteil.
5 1,0
10 Gehölz
Diese Nutzungskategorie umfasst sowohl
innerstädtische Parkareale und Gehölzflächen als auch
Obstbauflächen, Baumschulen und Straßenbegleitgrün.
5 2,0Seite 40 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
39
11-13 Wald
Waldflächen (unterschieden nach Laub-, Nadel- und
Mischwald) sowie waldartige Bestände im
Siedlungsbereich.
5 12,5
14 Wasserfläche Still- und Fließgewässer. 0 0
15 Weinanbaugebiete Gebiete und/oder Hänge, an denen Wein kultiviert
wird. 5 2
16 Gebäude* Tatsächliche Verortung der Gebäude, nur für 10m
Rechnung in Bonn 100 z-Höhe
Die Abbildung 22 zeigt noch einmal das Modelluntersuchungsgebiet in der Struktur, in der FITNAH-3D
damit umgehen kann.
Abbildung 22: Übersicht über die finalen Modelleingangsdaten im Untersuchungsgebiet.
3.3.1 ABGRENZUNG UND BEWERTUNG DER KLIMAÖKOLOGISCH WIRKSAMEN NUTZUNGSSTRUKTUREN
Ziel der Eingangsdatenaufbereitung ist es, aus den flächenhaft vorliegenden Nutzungsinformationen
punkthaft gerasterte Modelleingangsdaten mit einer Maschenweite von 10 m zu erzeugen. Aus diesen
punkthaften Repräsentationen der Eingangsvariablen ergeben sich die in gleicher Weise aufgelösten
Modellergebnisse in Form flächenbezogener Klimaparameter (vgl. Abbildung 23). Qualifizierende Aussagen
zur bioklimatischen Bedeutung bestimmter Areale können sich allerdings nicht auf einzelne Rasterzellen
beziehen. Hierfür muss eine Zonierung des Untersuchungsraumes in klimatisch ähnliche FlächeneinheitenSeite 41 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
40
erfolgen. Diese sollten in der Realität nachvollziehbar und administrativ oder nutzungstypisch abgrenzbar
sein. Um die Ausprägung der Klimaparameter auf planungsrelevante und maßstabsgerechte Einheiten zu
übertragen, wurden den Referenzflächen der verwendeten digitalen Nutzungsinformationen die relevanten
Klimaparameter wie z.B. Lufttemperatur oder Kaltluftvolumenstrom zugeordnet. Dafür wurden alle
Rasterzellen, die von einer bestimmten Fläche überdeckt werden, mit Hilfe zonaler Analysen
zusammengefasst und statistisch ausgewertet. Auf diese Weise erhält jede Fläche eine umfassende Statistik
aller zugehörigen Klimaparameter, die u.a. den Mittelwert der flächenspezifischen Werteausprägungen
umfasst.
Aufgrund dieser Vorgehensweise liegen die Ergebnisse der Klimaanalyse in zweifacher Form vor: Zum einen
als hochaufgelöste rasterbasierte Verteilung der Klimaparameter in einer Auflösung von 10x10m (vgl.
Kap. 4). Zum anderen beruht eine weitere Darstellungsweise (Planungshinweiskarten) auf Baublöcken
(polygonbasiert), die die planungsrelevanten, maßstabsgerechten und räumlich in der Realität
abgrenzbaren Flächeneinheiten wiedergeben (vgl. Kap. 5 und 6). Auf diese Weise bleiben alle
Informationen erhalten: die Heterogenität der Klimaparameter als Detailinformation in 10x10m Auflösung
und die abstrahierte Darstellung der klimatischen Funktionszusammenhänge in den Synthesekarten
Planungshinweiskarte Tag und Nacht.
Abbildung 23: Schema der Wertezuordnung zwischen Flächen- und PunktinformationSeite 42 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
41
4 Modellergebnisse ausgewählter Parameter
Im Folgenden werden die rasterbasierten Modellergebnisse der Parameter Lufttemperatur,
Kaltluftströmungsfeld und Kaltluftvolumenstrom (Nachtsituation) sowie Physiologisch Äquivalente
Temperatur (PET; Tagsituation) beschrieben. Sie basieren auf einer räumlichen Auflösung von 10 m (pro
Rasterzelle ein Wert) und gelten für den Aufenthaltsbereich des Menschen (in 2 m ü. Gr.) sowie eine
autochthone Sommerwetterlage (vgl. Kap. 3.2). Flächenbezogene Analysen werden im anschließenden
Kapitel zu den Klimaanalysekarten vorgenommen (z.B. die Ableitung von Kaltluftleitbahnen).
4.1 NÄCHTLICHES TEMPERATURFELD
4.1.1 ALLGEMEINES
Der Tagesgang der Lufttemperatur ist direkt an die Strahlungsbilanz eines Standortes gekoppelt und zeigt
daher i.d.R. einen ausgeprägten Rückgang während der Abend- und Nachtstunden. Kurz vor Sonnenaufgang
des nächsten Tages wird das Temperaturminimum erreicht. Das Ausmaß der Abkühlung kann, je nach
meteorologischen Verhältnissen, Lage des Standorts und landnutzungsabhängigen physikalischen Boden-
bzw. Oberflächeneigenschaften, große Unterschiede aufweisen. Besonders auffällig ist das thermische
Sonderklima der Siedlungsräume mit seinen gegenüber dem Umland modifizierten klimatischen
Verhältnissen.
Das Ausmaß der Temperaturabweichung im Siedlungsbereich ist vor allem von der Größe der Stadt und der
Dichte der Überbauung abhängig. Doch auch über Grün- oder grün dominierten Flächen weisen
Luftvolumina keinen einheitlichen Wärmezustand auf. Die Abkühlungsrate natürlicher Oberflächen wird
insb. von ihren thermischen Bodeneigenschaften (Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität) sowie
eventuell vorhandenen Oberflächenbedeckungen bestimmt (Bewuchs, Laubstreu, etc.). Dynamische
Luftaustauschprozesse zwischen den Flächen, das Relief in Form von Geländehöhe, Exposition sowie
Geländeneigung und die Lage im Mosaik der Landnutzungen üben weiteren Einfluss aus. Es macht bspw.
einen Unterschied, ob sich eine Freifläche neben einem Gewässer, Waldgebiet oder im dicht versiegelten
Bereich befindet.
Eine Sonderstellung nehmen Wald- und Gewässerflächen (siehe auch Kapitel 2.2) ein. Der gedämpfte,
insgesamt vermittelnde Tagesgang der Temperatur im Wald beruht zu einem großen Teil auf dem
zweischichtigen Strahlungsumsatz zwischen Atmosphäre und Kronendach sowie zwischen Kronendach und
Stammraum. Größere Waldgebiete sind wichtige Frischluftproduktionsgebiete, in denen sauerstoffreiche
und wenig belastete Luft entsteht. Während im Stammraum tagsüber durch Verschattung und Verdunstung
relativ geringe Temperaturen bei hoher Luftfeuchtigkeit vorherrschen, treten nachts durch die
abschirmende Wirkung des Kronendachs vergleichsweise milde Temperaturen auf. Stadtnahe Wälder
können demnach auch am Tage Kaltluft zugunsten des Siedlungsraumes erzeugen, nachts fällt deren
Kaltluftproduktion in 2m Höhe dagegen geringer aus. Höhere Kaltluftproduktionsraten sind erst über dem
Kronendach zu finden. Der Wald stellt ein Strömungshindernis dar. Die hohe spezifische Wärmekapazität
von Wasser, seine besondere Art der Strahlungsabsorption und die im Wasserkörper stattfindenden
turbulenten Durchmischungsvorgänge sorgen für eine (von hohen Absolutwerten ausgehend) deutlich
verringerte Temperaturamplitude im Tagesgang über größeren Gewässern. Da hier die Lufttemperaturen
im Sommer tagsüber niedriger und nachts höher als in der Umgebung sind, wirken größere Gewässer auf
bebaute Flächen am Tage klimatisch ausgleichend, während sie in der Nacht deren Abkühlung verringern
(vgl. auch Kap. 2.2).Seite 43 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
42
Die Ermittlung des bodennahen Temperaturfeldes ermöglicht es, Bereiche mit potenziellen bioklimatischen
Belastungen abzugrenzen, Aussagen zum Auftreten thermisch und/oder orographisch induzierter
Ausgleichsströmungen zu treffen und die räumliche Ausprägung sowie Wirksamkeit von Kalt- bzw.
Frischluftströmungen abzuschätzen. Die aufgeführten Absolutwerte der Lufttemperatur sind exemplarisch
für eine autochthone Sommernacht als besondere Wetterlage zu verstehen. Die daraus abgeleiteten
relativen Unterschiede innerhalb des Stadtgebiets bzw. zwischen den Nutzungsstrukturen gelten dagegen
weitestgehend auch während anderer Wetterlagen, sodass die Flächenbewertung etwa der
Planungshinweiskarten auf diesen beruht (vgl. Kap. 6).
4.1.2 ERGEBNISSE TEMPERATURFELD
Das sich um 04:00 Uhr in der Nacht einstellende Lufttemperaturfeld im Untersuchungsraum umfasst bei
Minimalwerten um die 9,6°C über stadtfernen Freiflächen und Maximalwerten von mehr als 21,5°C im
Stadtkern eine Spannweite von ca. 12 K (siehe Karte Lufttemperatur um 4 Uhr nachts). Die mittlere
Temperatur im Untersuchungsgebiet liegt unter den angenommenen meteorologischen
Rahmenbedingungen bei 14,8 C.
Lufttemperatur um 4 Uhr nachts
in [°C] in 2m ü.Gr.
Abbildung 24: Nächtliches Temperaturfeld in einem Ausschnitt des Stadtgebiets Bonn verschiedener
Nutzungsstrukturen in der Ist Situation.Seite 44 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
43
Das Temperaturfeld ist auch innerhalb der bebauten Gebiete räumlich differenziert, weil Areale mit
Zeilenhaus- oder Blockbebauung und Verkehrsanlagen unterschiedliche Boden- und Oberflächen-
eigenschaften aufweisen (vgl. Abbildung 24). So treten die höchsten Temperaturen im Ausschnitt in
Abbildung 24 vor allem im Zentrum Rheinviertel und Vor dem Sterntor mit Werten von > 20 °C auf. Auch
der Güterbahnhof weist solche Werte in der Nacht aufgrund seiner starken Versiegelung auf. Im Gegensatz
dazu sind stärker durchgrünte Viertel wie Neu Endenich am Messdorfer Feld oder auch Teile von
Tannenbusch oder das Berufskolleg an der Köln-Ellertstraße in einem Temperaturbereich von 17 bis 19°C in
der Nacht vorzufinden.
Im nächtlichen Temperaturfeld treten unbebaute, vegetationsgeprägte Freiflächen mit deutlich geringeren
Werten hervor. Die niedrigsten Temperaturen im Untersuchungsgebiet sind mit weniger als 10°C über
ausgedehnten landwirtschaftlich genutzten Arealen im Umland zu verzeichnen. Ähnlich geringe Werte
können in Bereichen von Senken auftreten, in denen sich Kaltluft aufgrund ihrer – im Vergleich zu
wärmeren Luftmassen – höhere Dichte sammelt. In Wäldern dämpft das Kronendach die nächtliche
Ausstrahlung und damit auch ein stärkeres Absinken der bodennahen Lufttemperatur im Wald, sodass in
2 m ü. Gr. Temperaturwerte um 15° bis 16°C im Kottenforst und Ennert erreicht werden. Verglichen mit
den weitläufigen Freiräumen des Umlandes weisen innerstädtische Grünflächen wie Parks höhere
Temperaturen auf. Die Hofgartenwiese weist auf der Rasenfläche eine Temperatur von ca. 14 °C in der
Nacht auf, die umgebenden Bäume von 16 bis 18°C (siehe Abbildung 24), ähnlich ist es im Römerbad, auf
dem Nordfriedhof oder im Freizeitpark Rheinaue. Wobei eine Abhängigkeit von der Größe und
Grünstruktur besteht. So sinkt die Temperatur über kleineren Grünflächen nur selten unter 15°C, da sie in
eine insgesamt wärmere Umgebung eingebettet sind (z.B. Grünflächen zwischen Gallierweg und
Arminiusstraße). Nichtsdestotrotz kühlen sie die umliegenden Siedlungsflächen ab.
4.2 KALTLUFTSTRÖMUNGSFELD
4.2.1 ALLGEMEINES
Die Kaltluftströmung ist in der vorliegenden Untersuchung ein wichtiger Parameter zur Beurteilung des
Kaltlufthaushaltes, wobei sich vor allem die Luftaustauschprozesse am Stadtrand erst in der zweiten
Nachthälfte vollständig entwickeln. Diese Windsysteme können Kaltluft transportieren.
Die variable bodennahe Lufttemperaturverteilung bedingt horizontale und vertikale Luftdruckunterschiede,
welche wiederum Auslöser für lokale thermische Windsysteme sind. Die wichtigsten nächtlichen
Luftströmungen dieser Art sind Hangabwinde und Flurwinde – erstgenannte treten im
Untersuchungsgebiet aufgrund der vergleichsweise geringen Reliefenergie seltener auf.
Ab einer Geländeneigung von ein bis zwei Grad setzen nach Sonnenuntergang über natürlichen
Oberflächen abwärts gerichtete Strömungen ein, weil die hangnahe Luft durch nächtliche Ausstrahlung
stärker abkühlt als die freie Luft in gleicher Höhe. Aufgrund ihrer höheren Dichte fließt die kühlere
Bodenluft hangabwärts. Die Ausprägung dieses kleinräumigen Phänomens wird in erster Linie durch das
Temperaturdefizit zur umgebenden Luft und durch die Neigung des Geländes bestimmt (Kuttler 2009).
Hangabwinde erreichen maximale Abflussgeschwindigkeiten von etwa 3 m s-1, ihre vertikale Mächtigkeit
liegt zumeist unterhalb von 10 m (Kuttler 2009; Schönwiese 2013). In ebenen Lagen bilden sich unter
günstigen Bedingungen sogenannte Flurwinde aus, die radial auf einen überwärmten Raum ausgerichtet
sind. Flurwinde entstehen, wenn sich infolge der Überwärmung von überbauten oder versiegelten
Gebieten gegenüber dem Umland ein lokales thermisches Tief aufbaut. Der resultierende Druckgradient
kann daraufhin durch einströmende kühlere Luftmassen aus dem Umland ausgeglichen werden. Flurwinde
sind eng begrenzte, oftmals nur gering ausgeprägte Strömungsphänomene (Geschwindigkeit i.d.R. deutlichSeite 45 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
44
< 2 m s-1.), die bereits durch einen schwachen überlagernden Wind überdeckt werden können.
Kleinräumige Strömungsphänomene, die zwischen einzelnen strukturellen Elementen innerhalb der Stadt
auftreten, werden Strukturwinde genannt.
Den hier beschriebenen Phänomenen kommt eine besondere landschaftsplanerische Bedeutung zu.
Größere Siedlungen wirken aufgrund ihrer hohen aerodynamischen Rauigkeit als Strömungshindernis. Aus
diesem Grund sind die Durchlüftung der Stadtkörper und ihr Luftaustausch mit dem Umland generell
herabgesetzt. Die Abfuhr von schadstoffbelasteten und überwärmten Luftmassen in den Straßenschluchten
kann in Abhängigkeit von Bebauungsart und -dichte deutlich eingeschränkt sein. Speziell bei
austauschschwachen Wetterlagen wirken sich diese Faktoren bioklimatisch zumeist ungünstig aus. Daher
können die genannten Strömungssysteme durch die Zufuhr frischer und kühlerer Luft eine bedeutende
klima- und immissionsökologische Ausgleichsleistung für die Belastungsräume erbringen.
4.2.2 ERGEBNISSE KALTLUFTSTRÖMUNGSFELD
Da die Stadt Bonn im flachen Gebiet dicht bebaut ist, kommen die Hangabwinde nicht bis direkt ins
Zentrum. Die thermisch induzierten Flurwinde innerhalb des Stadtgebietes sind ebenfalls recht gering
ausgeprägt aufgrund der kleinen innerstädtischen Grünflächen.
Abbildung 25 zeigt das für den Zeitpunkt 04:00 Uhr modellierte Strömungsfeld für einen Ausschnitt des
westlichen Bonner Stadtzentrums, das sich während einer sommerlichen austauscharmen
Strahlungswetternacht herausgebildet hat. Die momentane Strömungsrichtung und
Strömungsgeschwindigkeit wird über die Pfeilrichtung und Pfeillänge in Form von Vektoren dargestellt3. Im
Strömungsfeld sind die Hinderniswirkung der Gebäude und die daraus resultierende Umlenkung der
Strömung gut zu erkennen4.
Abgebildet sind alle Rasterzellen mit einer Windgeschwindigkeit von mindestens 0,2 m s-1 (in einer 50x50m
Auflösung), für die unter Berücksichtigung der gebietstypischen Ausprägung eine potenzielle
klimaökologische Wirksamkeit angenommen werden kann.
Die für das 2 m-Niveau wiedergegebenen Strömungsgeschwindigkeiten reichen von vollkommener
Windstille bis zu reliefbedingten Maximalwerten von ca. 1,6 m s-1 im Bereich des Ausschnittes in Abbildung
25 wo das Katzenlochbachtal, dann mit Endenicher - und Lengsdorfer Bach auf die bebauten Strukturen
trifft und entlang der Hänge vom Poppelsdorfer Friedhof v.a. nach Norden herunterströmt, aber bereits an
der Trierer Straße und Sebastianstraße zum Erliegen kommt, da die Gebäude mit der Längsseite zur
Strömung stehen. Im gesamten Bonner Stadtgebiet herrschen zum größten Teil Windgeschwindigkeiten um
4 Uhr nachts von 2 m/s-1 vor, nur in den Hangbereichen des Mehlemer Bach tritt auch einmal 3m/s-1 auf.
Außerhalb der Stadtgrenzen lassen sich solche Windgeschwindigkeiten nur im Südosten im Siebengebirge
und im Westen in Gielsdorf, direkt anschließend an Dransdorf finden.
Die Innenstadt wird von den Kaltluftausgleichsströmungen aus den Bachtälern nicht mehr erreicht. Vom
Venusberg strömt die Kaltluftluft auch nur bis in die ersten Bebauungsbereiche. Die Bachtäler im
Südwesten von Bonn wie bspw. Godesberger Bach, Annaberger Bach, Wittgesbach oder Mehlemer Bach
befördern die Kaltluft weiter in die Bebauung, da diese dort lockerer steht (siehe
Kaltluftvolumenstromkarte mit Windpfeilen).
3 Bei gesamtstädtischer Betrachtung bzw. einem kleineren Maßstab werden die Pfeile für eine übersichtlichere Darstellung in
geringerer Auflösung abgebildet, hier im 50x50m Raster
4 Einzelne Gebäude werden in den Modellergebnissen fälschlicherweise überströmt, doch handelt es sich dabei um Ausnahmefälle.Seite 46 von 89

Stadtklimaanalyse Bundesstadt Bonn 2018
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Aufgrund der höheren Reliefenergie auf der rechtsrheinischen Seite im Siebengebirge ist die
Windgeschwindigkeit höher, bspw. für Königswinter, was jedoch nicht mehr zu Bonn gehört. Der Kirvelbach
an der Stadtgrenze zu Königswinter befördert Kaltluft in das rechtsrheinische Bonner Stadtgebiet.
Rechtsrheinisch ist vor allem der Ennert zu nennen, der für flächenhaften Kaltluftstrom sorgt.
Da der Rhein in der Nacht wärmer ist als seine unmittelbaren umgebenden Strukturen (siehe Kapitel 2.2)
strömt die kältere Luft zum Rhein, eine typische Strömung für thermisch induzierte lokale Flurwinde.
Der Rhein ist als sehr rauhigkeitsarme Struktur auch in einigen Bereichen eine gute Strömungsbahn. Bei
einer autochthonen Wetterlage kommt ihm aber eine geringere Bedeutung zu als bei anderen Wetterlagen
mit Anströmungsrichtung. Ebenso können Teile der Straßen und Eisenbahnschienen, die vom Stadtrand
eindringende Strömung in das Siedlungsgebiet noch eine gewisse Strecke weiter ins Stadtgebiet
transportieren.Seite 47 von 89

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Strömungsfeld in 2m ü.Gr. in [m/s]
Abbildung 25: Strömungsfeld in 2m ü.Gr. in [m/s]Seite 48 von 89

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4.3 KALTLUFTVOLUMENSTROM
4.3.1 ALLGEMEINES
Wie bereits im Kapitel 3.2 zum autochthonen Windfeld erläutert, kommt den lokalen thermischen
Windsystemen eine besondere Bedeutung beim Abbau von Wärme- und Schadstoffbelastungen größerer
Siedlungsräume zu. Weil die potenzielle Ausgleichsleistung einer grün dominierten Fläche aber nicht allein
aus der Geschwindigkeit der Kaltluftströmung resultiert, sondern zu einem wesentlichen Teil durch ihre
Mächtigkeit mitbestimmt wird (d.h. durch die Höhe der Kaltluftschicht), muss zur Bewertung der
Grünflächen ein umfassenderer Klimaparameter herangezogen werden: der sogenannte
Kaltluftvolumenstrom.
Vereinfacht ausgedrückt stellt der Kaltluftvolumenstrom das Produkt aus der Fließgeschwindigkeit der
Kaltluft, ihrer vertikalen Ausdehnung (Schichthöhe) und der horizontalen Ausdehnung des durchflossenen
Querschnitts (Durchflussbreite) dar. Er beschreibt somit diejenige Menge an Kaltluft in der Einheit m³, die in
jeder Sekunde durch den Querschnitt beispielsweise eines Hanges oder einer Leitbahn fließt (vgl. Abbildung
26). Da die Modellergebnisse nicht die Durchströmung eines natürlichen Querschnitts widerspiegeln,
sondern den Strömungsdurchgang der gleichbleibenden Rasterzellenbreite (hier 10 m), ist der
resultierende Parameter streng genommen nicht als Volumenstrom, sondern als rasterbasierte
Volumenstrom-Dichte aufzufassen.
Abbildung 26: Prinzipskizze Kaltluftvolumenstrom
Dieser Wert kann über ein 10 m breites, quer zur Luftströmung hängendes Netz veranschaulicht werden,
das ausgehend von der Obergrenze der Kaltluftschicht bis hinab auf die Erdoberfläche reicht. Wird nun die
Menge der pro Sekunde durch das Netz strömenden Luft bestimmt, ist diese als rasterbasierte
Volumenstromdichte zu verstehen.
Wie auch die anderen Klimaparameter ist der Kaltluftvolumenstrom eine Größe, die während der
Nachtstunden in ihrer Stärke und Richtung veränderlich ist. Der jeweilige Beitrag beschleunigender und
bremsender Faktoren zur Dynamik der Strömung wird unter anderem stark von der bisherigen zeitlichen
Entwicklung des Abflusses beeinflusst. So können sich beispielsweise die Kaltluftströmungen über einer
Fläche im Laufe der Nacht dadurch ändern, dass die Fläche zunächst in einem Kaltluftabflussgebiet und
später in einem Kaltluftsammelgebiet liegt. Letzteres kann als Hindernis auf nachfolgende Luftmassen
wirken und von diesen über- oder umströmt werden. Die sich im Verlauf der Nacht einstellenden
Strömungsgeschwindigkeiten hängen im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz der Kaltluft gegenüber
der Umgebungsluft, der Hangneigung und der Oberflächenrauigkeit ab – wobei die Kaltluft selber auf alle
diese Parameter modifizierend einwirken kann.Seite 49 von 89

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Gebäude, Mauern oder Straßendämme können als Strömungshindernisse wirken und luvseitig markante
Kaltluftstaus auslösen. Werden die Hindernisse von größeren Luftvolumina über- oder umströmt, kommt es
im Lee zu bodennahen Geschwindigkeitsreduktionen, die in Verbindung mit vertikalen oder horizontalen
Verlagerungen der Strömungsmaxima stehen kann. Die Eindringtiefe von Kaltluft in bebautes Gebiet hängt
wesentlich von der Siedlungsgröße, Bebauungsdichte, anthropogenen Wärmefreisetzung und der Menge
einströmender Kaltluft ab.
4.3.2 ERGEBNISSE KALTLUFTVOLUMENSTROM
Die räumliche Ausprägung des Kaltluftvolumenstroms im Untersuchungsraum folgt im Wesentlichen dem
Muster des Kaltluftströmungsfeldes (siehe Abbildung 25 und Karte Kaltluftvolumenstromdichte). Die
Kaltluftvolumenströme für Bonn sind in ihrer Ausprägung als mäßig bis gering mit einem Maximalwert von
127 m³/s zu werten im Vergleich zu anderen Städten wie bspw. Freiburg mit Maximalwerten von 580 m³/s,
wobei Freiburg v.a. aufgrund der starken Reliefunterschiede profitiert. Nichtsdestotrotz ist es umso
wichtiger, die Kaltluftströmungen in Bonn zu erhalten, v.a. wenn es durch den Klimawandel zu einer
Erhöhung der Temperaturen kommen wird (siehe Kapitel 2.4.3 und Kapitel 2.4.5).
Die geringsten Werte der Kaltluftvolumenstromdichte finden sich abermals im Stadtzentrum.
Die Kaltluft, die auf Freiflächen entsteht, die unmittelbar an den Siedlungsraum grenzen (Stadtrandlagen),
strömt als Ausgleichsleistung in Richtung der Siedlungsgebiete und sorgt besonders in Hanglagen für die
höchsten Kaltluftvolumenstromwerte. Zu nennen sind hier die Bachtäler wie Katzenlochbachtal, Endenicher
Bach, Engelsbach, Godesberger Bach, die sehr gut von den Hangabflüssen versorgt werden. Auch die
ausströmende Kaltluft aus dem Kottenforst und Ennert versorgen die Randlagen der Stadt Bonn. Dem
Messdorfer Feld kommt eine gesonderte Bedeutung zu. Es versorgt hauptsächlich die angrenzende
Bebauung mit Kaltluft. Da es jedoch sehr flach ist, bleibt die Kaltluft in der Mitte des Messdorfer Feldes
stehen und fängt erst in den Randbereichen an zu fließen und nutzt dann Lücken wie rauigkeitsarme
Straßen: Am Bleichgraben, Euskirchener Bahnweg, an der alten Stadtgärtnerei um weiter in die bebauten
Strukturen zu fließen.
In der Abbildung 27 ist an 2 Profilpunkten: im Katzenlochbachtal und Messdorfer Feld die Temperatur und
Windgeschwindigkeit im Vertikalprofil (in z-Richtung) dargestellt. Die Karte auf der linken Seite gibt einen
Überblick über die Lage der Profilpunkte. Beim ersten Punkt, der zentral auf dem Messdorfer Feld liegt, ist
gut zu sehen, dass die Bodeninversion in einer Höhe von 20m aufgelöst wird, da danach dann eine
Inversion einsetzt (die Temperatur wird wieder kühler bzw. bleibt gleich). Das bedeutet, dass die Kaltluft
dort eine Mächtigkeit von 20m aufweist. Mit ca. 13 °C in der bodennahen Schicht ist die Luft recht kalt. Es
ist ersichtlich, dass die Kaltluft steht, da die Windgeschwindigkeit mit 0,25 m/s sehr gering ist und bis 20m
sogar noch bis 0,05 m/s abnimmt. Das zweite Vertikalprofil im Katzenlochbachtal weist

Gekürzt — den vollständigen Text enthält das PDF.