Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben eine erste städtische Hitzewellensimulation entwickelt, die die verstärkenden Auswirkungen der Gebäudeinfrastruktur berücksichtigt. Die Methode liefert ein genaueres Bild der Auswirkungen übermäßiger Hitze auf gefährdete Bevölkerungsgruppen, das lokalen Planern bei der Suche nach Abhilfemaßnahmen helfen kann.
Hitze tötet mehr Menschen als jede andere Form extremen Wetters. Hitzewellen werden heißer und dauern länger, und in dicht besiedelten Städten werden neue, wenig beneidenswerte Rekorde aufgestellt. Las Vegas, Nevada, verzeichnete am 7. Juli mit 120 Grad Fahrenheit die höchste Temperatur aller Zeiten und markierte gleichzeitig sieben aufeinanderfolgende Tage mit Höchsttemperaturen von 115 Grad oder mehr. Nach Angaben der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration war der Zeitraum von Juni bis August 2024 mit 2,74 Grad Fahrenheit über dem Durchschnitt der heißeste meteorologische Sommer auf der Nordhalbkugel seit Beginn der Aufzeichnungen.
Die Auswirkungen höherer Temperaturen in Städten werden durch das Vorhandensein und die Gestaltung der Gebäudeinfrastruktur verstärkt. Gebäude können die Windgeschwindigkeit und -richtung beeinflussen, Sonnenstrahlung absorbieren und die Wärmeübertragung aus einem System verringern. Die Darstellung dieser Details ist entscheidend für eine genaue Simulation, die als Entscheidungshilfe dienen kann.
„Es gibt eine große Wärmeverteilung zwischen Gebäuden. Das kann im Winter von Vorteil sein, aber wenn man im Sommer so viel Wärme in einem Viertel speichert, kann das eine Hitzewelle verstärken“, sagte Melissa Dumas vom ORNL leitete die Modellierungsarbeiten. „Wenn Sie diese Gebäude nicht in Ihrem Modell darstellen, können Sie nicht verstehen, was diese Verstärkung ist und wie sie städtische Wärmeinseln verstärkt.“
Die Wissenschaftler testeten ihren Ansatz, indem sie eine Hitzewelle im Juli 2010 in Washington, D.C. modellierten, bei der die Temperaturen ein Maximum von 102 Grad erreichten.
Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von Details zur Präsenz, Nähe, Struktur und Gestaltung von Gebäuden ihre Modellierung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Wärmeflüssen in der gesamten Stadt erheblich verbesserte beschrieben im Tagebuch npj Urbane Nachhaltigkeit.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Einbeziehung von Gebäudedaten eine deutlich genauere Simulation ermöglichte, insbesondere für die am stärksten gefährdeten Viertel der Stadt. Die Simulationen ohne Gebäudedaten waren positiv fehlerhaft, stellten die Wissenschaftler fest.
„Wir haben herausgefunden, dass die Stadtteile mit dem niedrigsten Durchschnittseinkommen am stärksten von der Hitzewelle betroffen waren – etwas, das wir ohne diese Gebäudedaten nicht hätten feststellen können“, sagte Dumas. Der Detaillierungsgrad der Gebäude reichte von 10 Metern über 100 Meter bis hin zu 1 Kilometer und deckte das gesamte Untersuchungsgebiet ab und lieferte eine 3D-Darstellung der thermischen Auswirkungen der Strukturen auf die Strukturen.
„Der Erhalt von Informationen in dieser Auflösung ermöglicht es uns zum ersten Mal, die Auswirkungen übermäßiger Hitze auf bestimmte Stadtteile quantitativ zu analysieren“, sagte Dumas. „Das Ergebnis ist ein Wettermodell, das alle meteorologischen Prozesse berücksichtigt und uns darüber hinaus ermöglicht, das Zusammenspiel zwischen der Lage von Gebäuden und den Auswirkungen auf die Menschen, die in diesen Wohnungen leben, zu untersuchen.“
„Wenn neue Stadtteile gebaut werden, ist die Kenntnis der Gebäudehöhe, -platzierung und -grundfläche, die zu einem energieeffizienten System führen, ein wichtiger Faktor, den Stadtplaner noch bevor sie über HVAC nachdenken, aus einem Modell, das diese Parameter berücksichtigt, ableiten und dann in ihr System integrieren können.“ Entscheidungsfindung“, sagte Dumas.
Die Wissenschaftler haben geschaffen ein Open-Source-Tool Dadurch können Benutzer benutzerdefinierte Modelle mithilfe lokaler Daten generieren. Die Software ist weiter beschrieben in der Zeitschrift für Open-Source-Software.
Zu den weiteren Wissenschaftlern, die an dem Projekt gearbeitet haben, gehören Joshua New von ORNL, Brett Bass, derzeit bei Procter & Gamble; Levi Sweet-Breu, derzeit an der Baylor University; Christa Brelsford, derzeit am Los Alamos National Laboratory; und Linying Wang von der Boston University.
Weitere Informationen:
Melissa R. Allen-Dumas et al., Sensitivität der mesoskaligen Modellierung gegenüber städtischen morphologischen Merkmalseingaben und Implikationen für die Charakterisierung städtischer Nachhaltigkeit, npj Urbane Nachhaltigkeit (2024). DOI: 10.1038/s42949-024-00185-6
Levi T. Sweet-Breu et al, naturf: ein Paket zur Generierung städtischer Parameter für die numerische Wettermodellierung, Zeitschrift für Open-Source-Software (2024). DOI: 10.21105/joss.06712