Stadtbauphysikalische Modellierung

Der gegenwärtige weltweite Trend zur Urbanisierung ist mit erheblichen Umweltkosten und nachteiligen Auswirkungen auf Gesundheit und Wohlbefinden der Stadtbewohner verbunden. Städtische Klimaphänomene umfassen hochfrequente und niederfrequente Ereignisse, welche über einen kurzen (Tage bis Wochen) oder längeren Zeitraum (mind. ein Jahr) zu analysieren sind. Langfristige Phänomene sind zumeist auf die globale Erwärmung zurückzuführen, wodurch die Kopplung mit einem globalen Atmosphärenmodell erforderlich sein kann. Dank der raschen wissenschaftlichen, rechnergestützten Entwicklung der letzten Jahrzehnte können Wissenschaftler*innen der Stadtbauphysik ihr Fachwissen nun gezielt auf reale Applikationen anwenden: Städtische Wärmeinseln, der Energiebedarf von Gebäuden, der thermische Komfort und die Schadstoffausbreitung sind mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bestimmbar und vorhersagbar. Mittels der stadtbauphysikalischen Untersuchungen können folglich städtebauliche Bedingungen und Entscheidungen umfassend charakterisiert bzw. frühzeitig abgewägt werden.

Für die Forschung des Fraunhofer IBP sind drei Simulationsmodelle von Bedeutung:

• Mesoskalige Modelle stellen das Stadtklima mit horizontalen Gitterauflösungen von mehreren hundert Metern dar. 
• Mikroskalige Modelle aus der numerischen Strömungsmechanik (engl.: »Computational Fluid Dynamics«, kurz CFD) bieten eine höhere Auflösung und berücksichtigen die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und den städtischen Strukturen mit Hilfe einer umfassenden physikbasierten 3D-Strömungsanalyse. 
• Während diese Modellierungsansätze – insbesondere bei längeren Simulationszeiträumen – rechenintensiv sind, ermöglichen entkoppelte Modelle schnellere Berechnungen. Dieses vereinfachte Stadthindernismodell, das den Kern dieses dritten Modellierungsansatzes bildet, ähnelt der städtischen Parametrisierung, die in mesoskaligen Modellen implementiert ist. Es ist jedoch nicht mit einer vollständigen mesoskaligen atmosphärischen Darstellung gekoppelt und wird stattdessen durch Randbedingungen beeinflusst, die direkt gemessen oder aus einer mesoskaligen Offline-Simulation abgeleitet werden.

Unsere Modelle verwenden:

• Umfassende städtische Metadaten (Landnutzung, 3D-Morphologie)
• Vor-Ort-Messungen urbaner meteorologischer Variablen, eventuell an mehreren Orten in der Stadt und in mehreren Höhen
• Fernerkundung der Landbedeckung, der Landoberflächentemperatur und der Aerosolkonzentration
• Drohnengestützte Messung der Eigenschaften städtischer Grenzschichten.