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Ingenieurbüro Lohmeyer
GmbH & Co. KG
Immissionsschutz, Klima,
Aerodynamik, Umweltsoftware
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Auftraggeber: Sächsisches Landesamt
für Umwelt und Geologie
Zur Wetterwarte 11
01109 Dresden
Dipl.-Met. A. Moldenhauer
Dipl.-Ing. H. Lorentz
November 2004
Projekt 70062-03-10
Berichtsumfang 31 Seiten
Dr.-Ing. T. Flassak
FACHINFORMATIONSSYSTEM
METEOKART GIS,
MODUL KALTLUFT FÜR
TEILGEBIET „OSTERZGEBIRGE“
- FACHBERICHT -

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I
Fachinformationssystem METEOKART GIS, Modul Kaltluft für
Teilgebiet „Osterzgebirge“ - Fachbericht
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I N H A L T S V E R Z E I C H N I S
1 VERANLASSUNG UND UNTERSUCHUNGSRAHMEN.......................................3
2 EINGANGSDATEN...............................................................................................4
2.1 Lage des Untersuchungsgebietes......................................................................4
2.2 Eingangsdaten Kaltluftrechnung.........................................................................5
3 KALTLUFTBILDUNG UND AUSWIRKUNGEN....................................................8
3.1 Allgemeines........................................................................................................8
3.2 Ursachen für Kaltluftbildung und -abfluss...........................................................9
3.3 Kaltluftentstehung über verschiedenen Oberflächen........................................10
3.4 Einfluss von Flächennutzungsänderungen auf Kaltluft.....................................13
3.5 Einfluss von künstlichen Hindernissen und Bewuchs.......................................14
3.6 Bestimmung von Kaltluftströmungen................................................................15
4 KALTLUFTSIMULATIONEN...............................................................................18
4.1 Qualitätssicherung............................................................................................18
4.1.1
Vergleich mit Messdaten Dresden-Rochwitz ......................................18
4.1.2
Vergleich mit Kaltluftrechnungen in Chemnitz ....................................21
4.1.3
Fazit....................................................................................................23
4.2 Ergebnis Kaltluftrechnung ................................................................................23
5 AUSBLICK..........................................................................................................25
6 LITERATUR........................................................................................................26
ANHANG A1: BESCHREIBUNG DES KALTLUFTABFLUSSMODELLS KALM....28
ANHANG A2: ERGEBNIS KALTLUFTRECHNUNG AUS LOHMEYER (2000)
(KARTE: „KALTLUFTSITUATION NACH 3 STUNDEN“)..................................30

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II
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Teilgebiet „Osterzgebirge“ - Fachbericht
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Hinweise:
Die Tabellen und Abbildungen sind kapitelweise durchnummeriert.
Literaturstellen sind im Text durch Name und Jahreszahl zitiert. Im Kapitel Literatur findet
sich dann die genaue Angabe der Literaturstelle.
Es werden Dezimalpunkte (= wissenschaftliche Darstellung) verwendet, keine Dezimalkom-
mas. Eine Abtrennung von Tausendern erfolgt durch Leerzeichen.

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ERLÄUTERUNG VON FACHAUSDRÜCKEN
Temperaturgradient und Inversionen
Die Lufttemperatur nimmt im zeitlichen Mittel mit zunehmender Höhe ab. Im Jahresmittel
beträgt diese höhenbedingte Temperaturabnahme durchschnittlich 0.65 K pro 100 m Hö-
henstufe. Im Sommer und Frühjahr erhöht sich der Betrag der Temperaturabnahme, wäh-
rend er sich im Herbst und im Winter erniedrigt. Unter besonderen meteorologischen Bedin-
gungen kann aber auch eine Temperaturzunahme mit zunehmender Höhenlage beobachtet
werden. Hierbei spricht man von Inversionswetterlagen.
Luftschichtungszustände
Wird ein Luftpaket aus seiner Ruhelage heraus vertikal verschoben, so ändert sich dessen
Temperatur. Ist nun der Temperaturverlauf der ruhend gedachten Umgebung so beschaffen,
dass das Luftquantum durch positive oder negative Auftriebskräfte wieder in seine Aus-
gangsposition zurückgetrieben wird, so nennen wir die Temperaturschichtung
stabil
. Genügt
umgekehrt eine kleine Verschiebung aus der Ruhelage zur endgültigen Entfernung des
Luftpaketes, so liegt entsprechend eine
labile
Schichtung vor. Zwischen beiden Möglichkei-
ten liegt die thermisch
neutrale
Schichtung, bei der das vertikal verschobenen Luftpaket in
jeder Position in einem indifferenten Gleichgewicht ist, d. h. keine Auftriebskräfte auftreten.
Dieses Stabilitätsverhalten übt einen grundlegenden Einfluss auf den vertikalen Austausch
von Luftbeimengungen - und damit auch auf die Luftqualität - aus. Eine stabile Schichtung
wird im Vergleich zum neutralen Fall diesen Austausch behindern, im Extrem unterbinden,
sodass bei Vorhandensein von bodennahen Schadstoffquellen, wie z. B. eine Bundesstraße,
hohe Schadstoffkonzentrationen auftreten können; thermische Labilität wird dagegen zu
einer mehr oder minder starken Durchmischung eines Luftkörpers und damit zu einer Inten-
sivierung des Vertikalaustausches mit daraus resultierenden niedrigeren Schadstoffkonzent-
rationen im Nahbereich einer Straße führen.
Kaltluftstaugebiete und Kaltluftsammelbereiche
Geländemulden, Senken und Täler wirken als nächtliche Kaltluftsammelgebiete. Die dort in
windschwachen wolkenarmen Strahlungsnächten von den Kaltlufteinzugsgebieten der
Hänge und Höhen zusammenfließende Kaltluft lässt niedrigere nächtliche Temperaturmini-
ma entstehen, die am Tage - insbesondere im Sommer - durch die tälertypischen Über-
gangstemperaturen im statistischen Mittel wieder ausgeglichen werden. Extrem niedrige
nächtliche Temperaturminima ergeben sich, wenn eingeflossene Kaltluft an Strömungshin-

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dernissen zu einem stagnierenden Kaltluftsee aufgestaut wird. Es sind dies auch jene spät-
und frühfrostgefährdenden Bereiche, in welchen frostempfindliche Sonderkulturen häufiger
als im Umland geschädigt werden können.
Emission / Immission
Als Emission bezeichnet man die von einem Fahrzeug oder anderen Emittenten ausgesto-
ßene Luftschadstoffmenge in Gramm Schadstoff pro Stunde. Die in die Atmosphäre emit-
tierten Schadstoffe werden vom Wind verfrachtet und führen im umgebenden Gelände zu
Luftschadstoffkonzentrationen, den so genannten Immissionen. Diese Immissionen stellen
Luftverunreinigungen dar, die sich auf Menschen, Tiere, Pflanzen und andere Schutzgüter
überwiegend nachteilig auswirken. Die Maßeinheit der Immissionen am Untersuchungspunkt
ist μg (oder mg) Schadstoff pro m
3
Luft.

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1 VERANLASSUNG UND UNTERSUCHUNGSRAHMEN
Für die Arbeit der Immissionsschutzbehörden in Sachsen sowie zur späteren Übernahme ins
IMMIKART sollen die sich bei autochthonen Wetterlagen einstellenden Kaltluftsysteme zu-
nächst im Osterzgebirge mit dem Kaltluftmodell KALM flächendeckend berechnet werden.
Die berechneten Kaltluftdaten (Strömungsfelder und Schichtdicken) sollen unter dem geo-
grafischen Informationssystem ArcGIS tabellarisch und grafisch dargestellt werden können.
Das zu erarbeitende Programmsystem soll helfen, die oft komplizierte Immissionssituation im
Rahmen von Genehmigungsplanungen genauer zu beurteilen. Das Osterzgebirge ist als
Testgebiet zu betrachten. Zukünftig ist eine Ausdehnung auf ganz Sachsen angedacht.

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2 EINGANGSDATEN
2.1 Lage des Untersuchungsgebietes
Das zu betrachtende Untersuchungsgebiet ist in
Abb. 2.1
dargestellt und blau hinterlegt. Es
handelt sich um den Bereich des Osterzgebirges. Das dargestellte Untersuchungsgebiet
entspricht demjenigen Gebiet, welches vom Auftraggeber vorgegeben wurde, reduziert um
die Bereiche außerhalb Sachsens. Diese Reduktion war notwendig, da die Datengrundlagen
zur Kaltluftberechnung auf tschechischem Gebiet nur in einer sehr groben Auflösung vorlie-
gen und dementsprechend die dortige Aussagesicherheit für eine feine horizontale Auflö-
sung nicht gewährleistet ist.
Abb. 2.1:
Definition Untersuchungsgebiet und Rechengebiete

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2.2 Eingangsdaten Kaltluftrechnung
Für die Kaltluftrechnung mit dem Kaltluftabflussmodell KALM werden Informationen zur
Orographie und zur Landnutzung für das gesamte Einzugsgebiet der Kaltluft benötigt. Die
Daten zum Relief entstammen für den Bereich Sachsens vom Auftraggeber und entsprechen
den ATKIS-DGM-25-Daten des Sächsischen Landesvermessungsamtes. Außerhalb Sach-
sens lagen keine Angaben vor. Deshalb wurden diese Daten aus der Datenbank GTOPO30
(EROS Data Center, 2000) entnommen. Die horizontale Auflösung dieser Daten ist jedoch
mit ca. 1 km x 1 km relativ grob. Für die Aussagegüte der Kaltluftabflüsse in Sachsen ist dies
nicht relevant, da sich die Grenze zwischen Sachsen und Tschechien ohnehin im
Wesentlichen auf dem Gebirgskamm und somit auf einer Wasser- und damit auch
Kaltluftabflussscheide befindet.
Auch die Landnutzungsdaten wurden nur für den sächsischen Bereich zur Verfügung ge-
stellt. Deshalb wurde diese über die Sachsengrenze hinaus anhand von vorliegenden topo-
grafischen Karten ergänzt, wobei jedoch nur größere Rauigkeitshindernisse (Waldflächen)
aufgenommen wurden. Außerhalb der nachdigitalisierten Waldflächen wurde im tschechi-
schen Gebiet Freiland angesetzt. Der damit verbundene Fehler bei den Kaltluftrechnungen
ist jedoch sehr gering, da sich eventuelle Strömungshindernisse nur bis in eine Entfernung
von ca. 10-mal Hindernishöhe auf das Windfeld auswirken.
Für das gesamte Einzugsgebiet der Kaltluft (
=
ˆ
schwarz gekennzeichnetes Rechengebiet in
Abb. 2.1
) wurden diese Informationen in einem ca. 130 km x 120 km großen Rechengebiet
in einer Auflösung von 50 m x 50 m aufbereitet. In dieses äußere Rechengebiet, welches zur
Vermeidung von Randeffekten relativ groß gewählt wurde, wurde ein rechteckiges inneres
Untersuchungsgebiet von ca. 75 km x 70 km Ausdehnung mit der gleichen Auflösung von
50 m x 50 m eingebettet (inneres Kaltluftrechengebiet). Dieses innere Rechengebiet schließt
das hier zu betrachtende Untersuchungsgebiet vollständig ein.
Die vom Auftraggeber zur Verfügung gestellten Angaben zur Landnutzung (ATKIS-DLM-
Daten) wurden in die Landnutzungsklassen des Kaltluftmodells KALM überführt. Das für die
KALM-Rechnung aufbereitete digitale Höhenmodell sowie Landnutzungsmodell ist für die in
Sachsen liegenden Bereiche des Kaltluftrechengebietes in
Abb. 2.2
und
2.3
dargestellt.
Für das Untersuchungsgebiet erfolgte eine visuelle Prüfung der Daten. Auffälligkeiten
konnten nicht festgestellt werden.

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3 KALTLUFTBILDUNG UND AUSWIRKUNGEN
3.1 Allgemeines
Unter bestimmten meteorologischen Bedingungen können sich nachts über geneigtem Ge-
lände so genannte Kaltluftabflüsse bilden; dabei fließt in Bodennähe (bzw. bei Wald über
dem Kronenraum) gebildete kalte Luft hangabwärts. Die Dicke solcher Kaltluftschichten liegt
meist zwischen 1 m und 50 m, in so genannten Kaltluftseen, in denen sich die Kaltluft staut,
kann die Schicht auf über 100 m anwachsen. Die typische Fließgeschwindigkeit der Kaltluft
liegt in der Größenordnung von 1 m/s bis 3 m/s. Die folgenden beiden meteorologischen Be-
dingungen müssen für die Ausbildung von Kaltluftabflüssen erfüllt sein:
i) wolkenarme Nächte: durch die aufgrund fehlender Wolken reduzierte Gegenstrahlung
der Atmosphäre kann die Erdoberfläche kräftig auskühlen
ii) großräumig windschwache Situation: dadurch kann sich die Tendenz der Kaltluft, an
geneigten Flächen abzufließen, gegenüber dem Umgebungswind durchsetzen.
Die Produktionsrate von Kaltluft hängt stark vom Untergrund ab: Freilandflächen weisen bei-
spielsweise hohe Kaltluftproduktion auf, während sich bebaute Gebiete bezüglich der Kalt-
luftproduktion neutral bis kontraproduktiv (städtische Wärmeinsel) verhalten.
Unter Umweltgesichtspunkten hat Kaltluft eine doppelte Bedeutung: zum einen kann Kaltluft
nachts für Belüftung und damit Abkühlung thermisch belasteter Siedlungsgebiete sorgen.
Zum anderen sorgt Kaltluft, die aus Reinluftgebieten kommt, für die nächtliche Belüftung
schadstoffbelasteter Siedlungsräume. Kaltluft kann aber auch auf ihrem Weg Luftbeimen-
gungen (Autoabgase, Geruchsstoffe, Radon aus Haldenexhalation etc.) aufnehmen und
transportieren. Nimmt sie zu viele Schadstoffe auf, kann ihr Zufluss von Schaden sein. Vom
Standpunkt der Umweltbewertung und -Planung her ist es daher von großer Bedeutung,
eventuelle Kaltluftabflüsse in einem Gebiet qualitativ und auch quantitativ bestimmen zu
können. Als Hilfsmittel können z. B. Kaltluftabflussmessungen aber auch Kaltluftabflussmo-
delle eingesetzt werden. Innerhalb der vorliegenden Studie wird die Modellierung eingesetzt.
In den folgenden Abschnitten werden zuvor die Ursachen für Kaltluftbildung und -abfluss ein-
schließlich Einflussgrößen aufgezeigt und diskutiert. Dabei beziehen sich die nachfolgenden
Ausführungen in wesentlichen Teilen auf den Vorentwurf der VDI-Richtlinie 3787 Blatt 5
(2002) und die Auswertung weiterer vorliegender Literatur zur Problematik.

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3.2 Ursachen für Kaltluftbildung und -abfluss
Die nächtliche Strahlungsbilanz setzt sich aus der Ausstrahlung der Erdoberfläche und der
atmosphärischen Gegenstrahlung zusammen, wobei die Gegenstrahlung zum Erdboden
gerichtet ist. Hierdurch reduziert sie den Betrag der Strahlungsbilanz. Während die Aus-
strahlung von einer definierten Oberfläche ausgeht, empfängt die Erdoberfläche atmosphäri-
sche Gegenstrahlung aus verschiedenen Schichten der bodennahen Atmosphäre. Ihre In-
tensität hängt dabei von der Konzentration und Temperatur der Gase ab, die langwellige
Strahlung emittieren. Bei einer wolkenfreien Atmosphäre geht der entscheidende Anteil an
der Gegenstrahlung vom Wasserdampf (62 %) sowie vom CO
2
der Atmosphäre (22 %) aus.
Der verbleibende Anteil von 14 % verteilt sich auf die Spurengase Methan (2.5 %), Stick-
stoffdioxid (4 %) und Ozon (7 %) (Kondratyev et al., 1984). Untersuchungen belegen, dass
aufgrund der vertikalen Wasserdampfdiffusion der Atmosphäre für mittlere geografische
Breiten bei wolkenlosem Himmel rund 70 % der Gegenstrahlung aus bodennahen Luft-
schichten unterhalb von 150 m über Grund stammen (Swinbank, 1963). Durch anhaltende,
auch im Verlauf der Nacht in ihrer Intensität abnehmende Abkühlung, kann sich eine meh-
rere Dekameter dicke Kaltluftschicht bilden. In einer solchen stabilen Schichtung (im Ex-
tremfall eine Temperaturinversion) ist, bei schwachem Wind, der
turbulente Austausch
weit-
gehend unterdrückt. Bei auffrischendem Wind kann dagegen turbulenter Austausch die
Temperaturinversion zusammenbrechen lassen („break-down of stability“) und die boden-
nahe Kaltluft mit der darüber liegenden Warmluft durchmischen. Dieses führt zu einem kurz-
fristigen bodennahen Temperaturanstieg und zu einer Reduktion der weiteren Temperatur-
abnahme.
Zusammenfassend lassen sich somit zwei grundlegende meteorologische Voraussetzungen
nennen, von denen die Intensität der Kaltluftentstehung abhängt: Wolkenlosigkeit während
einer windschwachen Hochdruckwetterlage sowie geringer Wasserdampfgehalt der Atmo-
sphäre.
Die Kaltluftströmung (oder auch Kaltluftabfluss) wird als Verlagerung von kalten (dichten)
Luftmassen in wärmerer (weniger dichter) Umgebungsluft von folgenden wesentlichen Grö-
ßen beeinflusst:
- eine der Geländeneigung folgende Abtriebskomponente, die von der Schwerebeschleuni-
gung und der Dichtedifferenz zur umgebenden Luft bestimmt wird;
- der Druckdifferenz zwischen stromauf und stromab gelegenen Stirnflächen;

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- der Reibung der Erdoberfläche;
- der Wirkung der Luftmassen oberhalb der Kaltluftschicht;
- den Reibungskräften an den Seitenflächen der Kaltluftschicht.
Folgende wesentliche Wechselwirkungen zwischen Kaltluftströmung und Topografie bzw.
Landnutzung sind bekannt:
- von der Landnutzung abhängige Kaltluftproduktion
- Advektion (Transport der Kaltluft mit der Strömung)
- Reibung zwischen Erdoberfläche und Luft: diese Reibung variiert mit der Landnutzung
(Freiland: niedrige Reibung, Siedlung: hohe Reibung)
- Beschleunigung oder Abbremsen der Strömung durch Änderung der Geländehöhe
und/oder der Kaltluftschichtdicke
- Beschleunigung oder Abbremsen bzw. Umleiten der Strömung durch Bebauung bzw. Be-
wuchs als Hindernis.
Dies soll im Weiteren erläutert werden.
3.3 Kaltluftentstehung über verschiedenen Oberflächen
Die Kaltluftentstehung über einer natürlichen Oberfläche wird - abgesehen von den bereits
genannten Einflussgrößen - durch die thermischen Stoffeigenschaften (besonders Wärme-
leitfähigkeitskoeffizient und Wärmekapazitätsdichte
1
) des entsprechenden Substrates sowie
durch eventuell vorhandene Oberflächenbedeckungen bestimmt, die in der Regel aus
pflanzlichem Bewuchs, Laubstreu oder Schnee bestehen. Der Einfluss der Vegetation ist
abhängig von ihrem Flächenanteil an der Gesamtfläche sowie von der Art des Bestandsauf-
baus (z. B. Wiesen-, Kraut-, Strauch- oder Baumvegetation). Die Auswirkungen von Laub-
streu und Schnee auf die Kaltluftentstehung werden von deren Zusammensetzung, Schicht-
dicke und Alter bestimmt. Die bodenphysikalischen Eigenschaften werden über Art und Zu-
stand des Substrates festgelegt. Bestimmende Faktoren sind hierbei in erster Linie die
Dichte, der Luft- und Wassergehalt sowie das Porenvolumen, daneben Bodenfarbe, -struktur
1
Produkt aus spezifischer Wärmekapazität und Dichte

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und -zusammensetzung. Exposition und Geländeneigung üben einen weiteren Einfluss auf
die Kaltluftentstehung aus. Die genannten Größen bestimmen den Grad der Strah-
lungsabsorption und damit die Oberflächentemperatur sowie die Höhe des Wärmeleitfähig-
keitskoeffizienten und die Stärke der Wärmekapazitätsdichte. Eine große Amplitude des Ta-
gesganges der Bodentemperatur ist in der Regel ein Indiz für eine starke Kaltluftentstehung
in den Abend- und Nachtstunden. Darüber hinaus bestimmt die Dauer der nächtlichen Aus-
strahlung, die in den mittleren Breiten im Sommer 9 bis 10 Stunden, im Winter 15 bis 17
Stunden erreichen kann, die Kaltluftentstehung. Böden mit hoher Dichte leiten die Wärme
besser und sind schlechtere Kaltluftproduzenten als solche mit geringerer Dichte und Wär-
meleitfähigkeit. Bodendichteunterschiede können sowohl auf Korngrößendifferenzen beru-
hen als auch durch unterschiedlichen Gehalt abgestorbenen Pflanzenmaterials (Humusan-
teil) verursacht sein. Mit wachsender Korngröße nimmt in der Regel der Porenraum zu, so
dass bei trockenem Boden und mithin hohem Luftanteil die Wärmeleitung gering und die
Kaltluftentstehung groß ist.
Das Porenvolumen eines Bodens kann sowohl durch Feuchtigkeitsänderungen als auch
durch landwirtschaftliche Bearbeitung (Bodenverdichtung bzw. Bodenlockerung) beeinflusst
werden. Während unbearbeitete und verdichtete Böden Porenvolumina von nur 30 % auf-
weisen können, erreichen frisch gepflügte Böden rund 60 %. Eine derartige Verdoppelung
des Porenvolumens führt zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten auf etwa
1/5 des Ausgangswertes (Berényi, 1967), wodurch die Kaltluftentstehung zunehmen kann.
Eine Veränderung des Bodenwassergehaltes hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die
thermischen Verhältnisse des Substrates. Dies wird in
Tab. 3.1
zeigt.
Da Porosität, Permeabilität und Bodenwassergehalt gerade in den oberen Bodenschichten
innerhalb kurzer Zeit erheblich schwanken können, ist die Angabe von Mittelwerten der
Kaltluftentstehung mit großen Unsicherheiten behaftet. Aus den in
Tab. 3.1
zusammenge-
stellten Werten der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten kann indirekt auf die Kaltluftentstehung
der entsprechenden Oberflächen geschlossen werden. Feuchte Substrate verfügen zwar im
Vergleich zu trockenen Substraten über größere Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und Wär-
mekapazitätsdichten und müssten demnach schlechtere Kaltluftproduzenten sein. Da aber
der latente turbulente Wärmefluss über die Verdunstung tagsüber relativ hoch und auch
nachts meist noch von der Oberfläche weggerichtet ist, sind feuchte Böden auch zu den
Kaltluftbildnern zu rechnen (Baumgartner, 1963).

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Komponenten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten
[W m
–1
K
–1
]
Quarz 8.80
Granit 4.60
Sand: feucht, 40 % Porenvolumen
Sand: trocken, 40 % Porenvolumen
2.20
0.30
Lehmboden: feucht, 40 % Porenvolumen
Lehmboden: trocken, 40 % Porenvolumen
1.60
0.25
Humus 1.30
Moorboden: feucht
Moorboden: trocken
0.80
0.06
Wasser; 4
o
C, ruhig
0.60
Torfboden: feucht, 40 % Porenvolumen
Torfboden: trocken, 40 % Porenvolumen
0.50
0.06
Luft: 10
o
C, ruhig
0.02
Tab. 3.1: Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten [W m
-1
K
-1
] verschiedener Komponenten (entnom-
men aus VDI 3787 Blatt 5, 2002)
Hinsichtlich der Kaltluftentstehung von Wäldern muss nach deren topografischer Lage un-
terschieden werden. Bei Beständen, die in einer Ebene liegen, sinkt die im Kronendach ab-
gekühlte Luft in den Stammraum ab und stagniert dort, oder aber sie fließt mit sehr geringer
Geschwindigkeit im unteren Stammraumbereich als „Waldwind“ aus dem Bestand heraus
(Geiger, 1961). Die Lufttemperatur nimmt in diesen Fällen zwar niedrige Werte an, ist jedoch
im Vergleich zur Kaltluft über einer Wiesenfläche in entsprechender Lage absolut gesehen
höher. Bei Wäldern in Kamm- oder Hanglage wird die in Bodennähe aus dem Stammraum
mit höherer Geschwindigkeit als im vorgenannten Fall ausfließende Kaltluft durch warme Luft
ersetzt, die von oben in den Bestand eindringt. Die im Stammraum bodennah austretende
Luft ist hierbei in der Regel jedoch nicht so kalt wie diejenige eines in ebener Lage stocken-
den Waldes (Goßmann, 1988). Daher sind Täler, deren Hänge bewaldet sind, weniger frost-
gefährdet. Der spärlichen Literatur zu diesem Thema können im Allgemeinen meist nur Hin-
weise auf die qualitative Wirkung verschiedener Böden oder Bewuchsarten hinsichtlich der

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Kaltluftproduktion entnommen werden. Eine Zusammenstellung häufig zitierter mittlerer
Kaltluftentstehungsraten enthält
Tab. 3.2
.
Lokalität Volumen-
strom
[m³
s
-1
]
Einzugs-
gebiet
[km
2
]
Kaltluftpro-
duktionsrate
[m³
m
-2
h
-1
]
Flächen-
nutzung
Gelände-
neigung
Quelle
(siehe Harten-
stein, 2000)
Beier-
bachtal
23 000
32
gemischt,
unbebaut
Hauf & Witte, 1985
Rohr-
bachtal
15 gemischt,
unbebaut
Kost, 1982, zit. in
KRdL 1993
Würzen-
bachtal
38 000
9.8
13.7
gemischt,
unbebaut
Vogt, 1990
Dreisam-
tal
13
11
16
gemischt,
entwaldet
Ackerland
Gross, 1989 (mo-
delliert)
Eifel-
täler
12
Wiese
Hangneig. 5
o
bis 9
o
Sohlenneig. 2
o
bis
8
o
King, 1973
Michel-
bachtal
30 000
11.2
9.6
Hangneig. 13
o
Sohlenneig. 2
o
Hartenstein, 2000
Pfinztal 235 6 9
o
bis 11
o
Heldt,
1984
Krons-
berg
4 bis 33
Herberger et al.,
1993
Tab. 3.2: „Kaltluftproduktionsraten“ verschiedner Täler (entnommen aus VDI 3787 Blatt 5)
Der Wärmeinhalt von Kaltluft kann besonders stark durch urbane Gebiete und größere Was-
serflächen beeinflusst, das heißt, in der Regel aufgezehrt, werden. Im Falle einer bebauten
Fläche erfolgt eine Temperaturerhöhung durch die städtische Überwärmung. Das liegt daran,
dass von städtischen Oberflächen durch die langwellige Ausstrahlung sowie den turbulenten
sensiblen und latenten Wärmefluss unter Einbezug des anthropogenen Wärmeintrags Ener-
gieflüsse erreicht werden, die in Abhängigkeit von der Bevölkerungsdichte Werte zwischen
5 W m
–2
und 120 W m
–2
erreichen können. Auch ausreichend große Wasserflächen können
Kaltluft erwärmen.
3.4 Einfluss von Flächennutzungsänderungen auf Kaltluft
Jede Veränderung der Oberfläche im Untersuchungsgebiet beeinflusst auf Grund der ge-
nannten Einflussgrößen die Kaltluftentstehung und den Kaltluftabfluss: Es verändern sich die
Kaltluftproduktionsraten, die Reibungen und die Verdrängungshöhen.

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Nachfolgend soll exemplarisch dargelegt werden, welche Veränderungen auftreten, wenn
z. B. landwirtschaftliche Nutzflächen in Wald und Grünland in Ackerland umgewandelt wer-
den. Da über landwirtschaftlichen Nutzflächen die Kaltluftentstehung wegen der stärkeren
Absenkung der Temperatur im Allgemeinen intensiver ist als über Waldgebieten, kann bei
Umwandlung der genannten Flächen in Waldgebiete ein ausgeglichenerer Tagesgang der
Temperatur erwartet werden. Für ebene Wiesenflächen gibt King (1973) Produktionsraten
von etwa 12 m³m
–2
h
–1
an, was zu einem theoretischen Mächtigkeitszuwachs der Kaltluft von
12 m h
–1
führt. Kaltluftschichtdicken über Freilandflächen würden erfahrungsgemäß pro Aus-
strahlungsnacht 20 m bis 80 m Mächtigkeit erreichen. Hingegen mindern Waldgebiete die
„absoluten“ Kaltlufttemperaturen. Bei der Umwandlung landwirtschaftlicher Nutzflächen in
Waldgebiete ist somit davon auszugehen, dass zwar weiterhin Kaltluft gebildet wird, diese
jedoch nicht die für eine unbewaldete Fläche repräsentativen niedrigen Untertemperaturen
aufweist. Wird Grünland in Ackerland umgewandelt, so ist in der Regel davon auszugehen,
dass die neuen Flächen zuerst einmal „ackerfähig“ gemacht werden müssen, das heißt, der
Boden wegen des Einsatzes von schwerem landwirtschaftlichen Gerät verdichtet wird. Hier-
aus würde eine Verringerung der Kaltluftproduktivität resultieren. Da aber eine Feldbestel-
lung im allgemeinen saisonal erfolgt und sich deshalb Bodenverdichtung und -auflockerung
sowie der Besatz mit Vegetation im Jahresverlauf abwechseln, unterliegt auch die Kaltluft-
produktivität einem Jahresgang.
3.5 Einfluss von künstlichen Hindernissen und Bewuchs
Einzelne Hindernisse wie
Gebäude
oder
Dämme
werden über- und umströmt, wenn es nicht
zu einem Kaltluftstau kommt. Einzelne Dämme können in Tälern einen markanten Kaltluft-
stau auslösen. Dieses betrifft sowohl Hindernisse, die quer zur Talsohle verlaufen als auch
solche, die hangparallel orientiert sind. Die luvseitige horizontale Erstreckung des Kaltluft-
staus hängt u. a. vom Gefälle der Talsohle bzw. des Hanges ab und kann das 10fache der
Dammhöhe betragen (grober Orientierungswert). Leeseits des Dammes wird die Geschwin-
digkeit der dammüberströmenden Kaltluft durch den Damm selbst reduziert. In einer Entfer-
nung vom 30fachen der Dammhöhe beträgt die Geschwindigkeitsreduktion immer noch ca.
10 %. Nach den Beobachtungen von King (1973) gleitet die nachfolgende Kaltluft über die im
Staubereich des Dammes liegende bodennahe Kaltluft hinweg, sodass sich die Erstreckung
des dammbedingten Kaltluftsees nicht mehr ändert. Nach den Beobachtungen von King
(1973) kann die Ausbildung von Kaltluftstaus vor Dämmen durch Durchlässe von mindestens

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10 m Breite wirksam unterbunden werden. Bei breiten Tälern ist es wirksamer, mehrere
schmalere Durchlässe von etwa 10 m Breite statt eines breiten Durchlasses vorzusehen.
Der strömungshemmende Einfluss von Bebauung richtet sich nach deren Flächenausdeh-
nung, Gebäudeanordnung sowie -höhe. Gruppen von Einzelgebäuden und kleinere Siedlun-
gen werden von Kaltluftabflüssen mit einem Volumenstrom ab etwa 10 000 m³/s durch-, um-
oder überströmt. Bei größeren Orten und/oder dichterer Bebauung wird die Kaltluft durch die
vergrößerte Rauigkeit abgebremst und erwärmt. Die Strecke, ab der die in die Bebauung
einfließende Kaltluft keine merkliche Untertemperatur mehr gegenüber der Luft außerhalb
der Kaltluft hat, wird als maximale Eindringtiefe bezeichnet. Die Eindringtiefe von Kaltluft in
bebautes Gebiet hängt somit wesentlich von der Bebauungsausdehnung und -dichte, der
anthropogenen Wärmefreisetzung sowie der advektierten Kaltluftmenge ab. Die Eindringtiefe
bewegt sich typischerweise in einem Bereich zwischen 100 m und 1 000 m. Kleinere Sied-
lungen haben nur einen geringen Einfluss auf stark ausgeprägte Kaltluftströmungen, sowohl
was das Fließverhalten als auch die Erwärmung anbelangt. Bei größeren Siedlungsgebieten
dagegen wird die Kaltluft sowohl dynamisch als auch thermisch großflächig beeinflusst und
kann sogar am Rauigkeitssprung auf die Stadthindernisschicht aufgleiten (Kuttler, 1996).
Büsche
und
Baumgruppen
modifizieren die Strömungscharakteristika. Bei ihrer Durchströ-
mung wird die dynamische Turbulenz erhöht, wodurch sich der Volumenstrom im boden-
nächsten Niveau vermindert und horizontale oder vertikale Verlagerungen des Strömungs-
maximums erfolgen können. Die leeseitige Reichweite dieser Störungen ist abhängig von
Strömungsmächtigkeit, Geschwindigkeit und Turbulenzgrad sowie von der Größe und Form
der Hindernisse. Hindernisse wie Waldränder und Hecken können auch die Richtung des
Kaltluftabflusses beeinflussen.
3.6 Bestimmung von Kaltluftströmungen
Für die Untersuchung über Kaltluftentstehung und -fluss sowie deren Auswirkungen sind
folgende Untersuchungsverfahren möglich (VDI 3787 Blatt 5):
Auswertung von Karten (Topografie und Landnutzung) und Literatur
Modelluntersuchungen (numerische oder physikalische Modelle)
Messungen im Untersuchungsraum.

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Welche dieser Verfahren zur Anwendung kommen soll, ist von der entsprechenden Frage-
stellung abhängig. Im vorliegenden Projekt kamen Kaltluftabflussberechnungen mit dem
Modell KALM zur Anwendung.
Das Kaltluftmodell KALM (Schädler, 1994) verwendet die so genannten Flachwasserglei-
chungen, eine vereinfachte (vertikal integrierte) Form der Grundgleichungen der Strö-
mungsmechanik. Durch diese Vereinfachung ist es möglich, das Modell mit relativ geringem
Rechenzeit- und Speicherbedarf auch auf Personal Computern zu betreiben. Die Bezeich-
nung „Flachwassergleichungen“ hat sich eingebürgert; die Gleichungen eignen sich jedoch
genauso zur Beschreibung der Strömung jedes relativ zur Umgebung schweren Fluids, z. B.
von Wasser oder von kalter Luft.
Vorausgesetzt wird die in den vorhergehenden Abschnitten genannte für Kaltluftabflüsse
optimale Situation, das heißt eine klare und windstille Nacht. Das Modell berechnet die zeitli-
che Entwicklung der Kaltluftströmung, ausgehend vom Ruhezustand (keine Strömung) bei
gegebener zeitlich konstanter Kaltluftproduktionsrate. Diese, ebenso wie die Reibungskoeffi-
zienten, werden über die Art der Landnutzung gesteuert. Zurzeit werden 8 Landnutzungs-
klassen berücksichtigt: dichte Bebauung, lockere Bebauung, Gewerbegebiet, Wald, Freiland,
Wasser, Gleisanlagen und Verkehrsflächen (Straßen, Parkplätze). Für die Kaltluftpro-
duktionsraten, Reibungskoeffizienten und Nullpunktsverschiebungen sind Standardwerte
vorgesehen, welche aber bei Bedarf geändert werden können. Die Kaltluftproduktionsrate
von Wald wird in Abhängigkeit von der lokalen Hangneigung entsprechend Messergebnissen
von Kost (1982) und Vogt (1997) variiert. Die landnutzungsabhängigen Modellparameter sind
in
Tab. 3.3
zusammengestellt. Weiterhin benötigt das Modell die Topografie in digitalisierter
Form. Die Skala des Modells ist beliebig, die Auflösung liegt zwischen etwa 10 m und 200 m.
Berechnet wird die Dicke der Kaltluftschicht sowie die beiden horizontalen Geschwindig-
keitskomponenten (West-Ost und Süd-Nord), gemittelt über die Dicke der Kaltluftschicht. Aus
diesen Größen kann dann auch der Kaltluftvolumenstrom berechnet werden.
Das Lösungsverfahren ist ein Differenzenverfahren mit variabler Gitterpunktzahl und Gitter-
weite, das heißt Topografie und Landnutzung müssen an den einzelnen Gitterpunkten digita-
lisiert vorliegen; es wird ein versetztes Gitter verwendet. Um großskalige Einflüsse (z. B.
Flusstäler) bei gleichzeitiger hoher Auflösung im interessierenden Gebiet zu berücksichtigen,
kann das Modell auf einem geschachtelten Gitter („Nesting“) betrieben werden.

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Land-
nutzung
Kaltluftproduktion
[m³/(m
2
h)]
Untertemperatur
[K]
Verschiebungslänge
[m]
Rauigkeitslänge
[m]
Lockere
Bebauung
0 4 2 0.5
Wald
1 – 50
(abhängig von der
Hangneigung)
8 5 0.5
Freiland 15 10 0 0.05
Dichte Bebau-
ung
-1 2 5 1
Wasserfläche 0 4 0 0.001
Verkehrs-
gelände
3 6 1 0.05
Gewerbe-
gebiet
0 4 5 0.5
Tab. 3.3: Landnutzungsabhängige Modellparameter (Standardeinstellungen)
Falls keine Kaltluftseebildung auftritt, wird die Rechnung nach etwa 1 h simulierter Zeit sta-
tionär, das heißt die berechneten Werte ändern sich dann nicht mehr signifikant. Im Allge-
meinen Fall ist es sinnvoll, etwa 3 h bis 6 h zu simulieren; dies entspricht den Verhältnissen
in der Natur.
Zur Weiterverarbeitung der Modellergebnisse werden im Rahmen des Fachinformations-
systems METEOKART GIS Postprozessoren u. a. zur grafischen Darstellung der berech-
neten Felder, zur Berechnung und Darstellung von Kaltluftvolumenströmen, zur Visualisie-
rung der Strömung durch Vorwärts- und Rückwärtstrajektorien und zur Darstellung der Re-
chenwerte an ausgewählten Punkten zur Verfügung.
Durch Kopplung der von KALM berechneten Windfelder mit Eulerschen oder Lagrangeschen
Ausbreitungsmodellen, wie z. B. LASAT, kann die Schadstoffausbreitung in Kaltluftabflüssen
berechnet und z. B. in Immissionsstatistiken eingearbeitet werden.
Die Ergebnisse der Kaltluftabflussberechnungen werden in Kapitel 4 prinzipiell erläutert. Sie
sind mit dem Programmsystem METEOKART GIS digital für das gesamte Untersuchungs-
gebiet abrufbar.

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4 KALTLUFTSIMULATIONEN
4.1 Qualitätssicherung
Das Kaltluftabflussmodell KALM wurde seit seiner Entwicklung mehrfach im Rahmen von
klimatologischen Untersuchungen mit Messdaten verglichen.
Im zu betrachtenden Untersuchungsgebiet liegen keine veröffentlichten Messungen zur
Kaltluftrichtung- und -geschwindigkeit vor. Es gibt jedoch Messdaten des DWD aus dem Jahr
1994 (Lohmeyer, 1995 bzw. DWD, 1995) für den Bereich Dresden-Rochwitz. Die damaligen
Messungen liegen ca. 3 km nördlich des hier betrachteten inneren Rechengebietes, aber
gleichzeitig mindestens 20 km vom Rand des Gesamt-Rechengebietes weg. Deshalb
erscheint es fachlich vertretbar, die Messdaten zu einer ersten Validierung der Kaltluftrech-
nungen heranzuziehen (siehe Abschnitt 4.1.1).
Des Weiteren wurden die Kaltluftrechnungen im Bereich Chemnitz mit Daten aus dem Kli-
magutachten Chemnitz verglichen (Lohmeyer, 2000, Abschnitt 4.1.2). Chemnitz liegt zwar
außerhalb des Untersuchungsgebietes Osterzgebirge, jedoch zu ca. 50 % innerhalb des
inneren Rechengebietes, sodass auch hier belastbare Ergebnisse angegeben werden kön-
nen.
Des Weiteren erfolgte eine visuelle Kontrolle aller Rechenergebnisse im Bereich des be-
trachteten Untersuchungsgebietes. Dabei wurden die von KALM errechneten Kaltluftwindfel-
der über die topografischen Karten (TK10) gelegt und geprüft, ob Schichtdicken, Richtung,
Strömungsgeschwindigkeit sowie Volumenstromdichten plausibel sind.
4.1.1 Vergleich mit Messdaten Dresden-Rochwitz
In einem ersten Testlauf wurden die in
Tab. 3.3
angegebenen Rechenparameter angesetzt.
Die Ergebnisse wurden mit den DWD-Messdaten in Dresden-Rochwitz verglichen, wobei von
den dortigen ca. 20 Messstellen 6 ausgewählt wurden, die sich z. T. in Bereichen mit großen
Kaltluftvolumenstrom (Talbereiche, Punkte 1 bis 4 in
Abb. 4.1
) sowie in stärker exponierten
Lagen (Punkte 5 und 6 in
Abb. 4.1
) befinden. Ein Vergleich mit den herangezogenen
Messdaten des DWD zeigt, dass die Kaltluftgeschwindigkeiten mit den Standardein-
stellungen des KALM in der Tendenz niedriger als die Messwerte lagen. Aus diesem Grund
wurde ein weiterer Rechenlauf durchgeführt, in dem im Vergleich zu den Standardwerten die

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Rauigkeitsparameter (z
o
) um Faktor 5 verringert wurden. Alle anderen Parameter wurden
nicht geändert. Die Ergebnisse dieser Rechnung sind in
Abb. 4.1
dargestellt.
Bezüglich Windrichtung erfolgt ein Vergleich in
Tab. 4.1
.
Station Kaltluftrichtung (Messung
DWD, entnommen aus
Lohmeyer, 1995) [
o
]
Kaltluftrichtung
(KALM)
[
o
]
1 Grundstraße
30
45
2 Neurochwitz
150
100
3 Wachwitzgrund
70
60
4 Wachwitzgrund - Anfang
40
70
5 Rodelweg
160
130
6 Loschwitzgrund - Anfang
70
65
Tab. 4.1: Vergleich gemessener mit berechneter Kaltluftgeschwindigkeit ca. 3 Stunden nach
Beginn des Kaltluftabflusses
Die Messungen geben überwiegend eine talparallele Kaltluftwindrichtung wieder. Die Re-
chenergebnisse stimmen für die Punkte 1, 3 und 6 sehr gut und für die Punkte 2, 4 und 5
weniger gut mit den Messdaten überein. Die Abweichung zwischen Messung und Rechnung
ist jedoch nicht größer als 50
o
, sodass aufgrund der Unsicherheiten in den Messungen von
einer guten Übereinstimmung auszugehen ist.
In
Tab. 4.2
werden die Rechenergebnisse bezüglich Windgeschwindigkeit an o. g. Punkten
miteinander verglichen.
Station
v
v
± ∆
(Messung DWD, entnommen
aus Lohmeyer, 1995)
[m/s]
v
(KALM mit angepassten Parametern)
[m/s]
1 Grundstraße
0.8
±
0.6
0.6
2 Neurochwitz
0.5
±
0.4
0.3
3 Wachwitzgrund
1.1
±
0.5
0.5
4 Wachwitzgrund - Anfang
0.2
±
0.2
0.2
5 Rodelweg
0.7
±
0.4
0.3
6 Loschwitzgrund - Anfang
0.5
±
0.4
0.2
Tab. 4.2: Vergleich mittlerer gemessener mit berechneter Kaltluftgeschwindigkeit

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Die Mittelwerte der Messwerte sind an allen betrachteten Punkten größer oder gleich den
Rechenwerten. Die Schwankungsbreite der Messdaten ist jedoch relativ hoch. Bis auf
Punkt 3 liegen alle Rechenwerte in den Schwankungsbreiten der Messdaten, am Punkt 3
wird die untere Messschwelle nur knapp unterschritten.
Unter Berücksichtigung der großen Schwankungsbreite der Messdaten ist die Übereinstim-
mung zwischen Messung und Rechnung als gut zu bezeichnen, wobei die Rechenergeb-
nisse eher zu kleineren Kaltluftgeschwindigkeiten hin tendieren. Dies wirkt sich jedoch bei
Ausbreitungsrechnungen konservativ auf die Ergebnisse aus, sodass diese Ergebnisse so
verwendet wurden.
4.1.2 Vergleich mit Kaltluftrechnungen in Chemnitz
Die berechneten Kaltluftwindfelder und -schichtdicken für den Bereich Chemnitz sind bei-
spielhaft für ca. 3 Stunden nach Sonnenuntergang in
Abb. 4.2
dargestellt. Ein Vergleich mit
Lohmeyer (2000; siehe entsprechenden Auszug im Anhang A2) zeigt eine gute Überein-
stimmung. Ein Großteil des Stadtgebietes befindet sich im Einflussbereich von Kaltluftseen.
Aufgrund der relativ großen Höhenunterschiede und der ausgedehnten Frei- und Vegeta-
tionsflächen im Umland finden teilweise auch in bebauten Bereichen Kaltluftzuflüsse statt.
Dieses Ergebnis wird von Lohmeyer (2000) bestätigt.
Auch die Relationen der Kaltluftgeschwindigkeiten stimmen gut überein. So werden wie bei
Lohmeyer (2000) die größten Kaltluftgeschwindigkeiten mit ca. 1.5 - 2 m/s im Bereich Klaf-
fenbach beobachtet, am gegenüberliegenden Hang bei Grüna treten mit ca. 1 m/s etwas
geringere Kaltluftgeschwindigkeiten auf.
Kleinere Abweichungen treten im Bereich Harthau und Euba im Osten der Stadt auf (bei der
hier durchgeführten Berechnung tendenziell etwas niedrigere Kaltluftgeschwindigkeiten).
Insgesamt ist jedoch von einer guten Übereinstimmung auszugehen.

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4.1.3 Fazit
Der Vergleich mit vorliegenden Messungen und Kaltluftrechnungen zeigt nach Anpassung
der Rechenparameter für die Rauigkeit (z
o
) eine bessere Übereinstimmung als mit den
Standardeinstellungen. Tendenziell werden insbesondere in ausgedehnten Kaltluftseen al-
lerdings auch nach der Anpassung niedrigere Kaltluftgeschwindigkeiten berechnet als in den
verfügbaren Messdaten beobachtet. Allerdings weisen diese Messdaten selbst sehr hohe
Unsicherheiten auf. Da diese niedrigen Kaltluftgeschwindigkeiten jedoch bei nachgeschal-
teten Ausbreitungsrechnungen eher ein konservatives Herangehen darstellt, wurden die
Rechenwerte ins METEOKART ohne weitere Anpassungen übernommen.
4.2 Ergebnis Kaltluftrechnung
Die Ergebnisse der Kaltluftrechnung können für das zu betrachtende Untersuchungsgebiet
flächendeckend mit dem Fachinformationssystem METEOKART GIS dargestellt werden.
Folgende Informationen werden im System vorgehalten:
Flächendeckende Kaltluftgeschwindigkeitsfelder bodennah (0 - 2 m über Grund)
Flächendeckende Informationen über die Kaltluftschichtdicken
Flächendeckende Kaltluftvolumenstromdichten bodennah (0 - 15 m über Grund)
jeweils wahlweise für 60 min, 120 min, 180 min und 240 min nach Beginn des Kaltluftabflus-
ses. Zur Handhabung des Systems siehe Lohmeyer (2004). Die Kaltluftschichtdicken werden
in einer Auflösung von 50 m*50 m vorgehalten, bei den anderen beiden Komponenten, die
als Pfeile dargestellt werden, wird aus Gründen der Übersichtlichkeit nur jeder zweite Pfeil
dargestellt (100 m* 100 m).
Unter Volumenstromdichte versteht man die Menge des Volumens, das innerhalb einer be-
stimmten Zeiteinheit durch eine bestimmte Fläche hindurchfließt. In diesem Fall handelt es
sich um eine Fläche mit einer horizontalen Ausdehnung von einem Meter und einer Höhe
von 15 m. Die vertikale Ausdehnung von 15 m wurde gewählt, um die bodennahen Kaltluft-
verhältnisse bis über die Bebauungshöhe hinaus zu erfassen.
Neben den flächenhaften Darstellungen können per Mausklick für ausgewählte Punkte
(Auflösung von 50 m*50 m) Tabellen mit mittlerer Strömungsrichtung und -geschwindigkeit

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Mittelwert über die gesamte Kaltluftsäule) sowie Vertikalprofile der Strö-
mungsgeschwindigkeit und der Volumenstromdichte abgerufen werden (näheres siehe
Lohmeyer, 2004).
Darüber hinaus können Trajektorienrechnungen durchgeführt werden. Hierbei unterscheidet
man Vorwärts- und Rückwärtstrajektorien. Als Trajektorie (= Luftbahn) bezeichnet man den
Weg, den ein Luftpaket in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Die Trajektorie verbindet somit
alle Orte, die das Luftpaket während seiner Bewegung einmal berührt hat. Durch die Berech-
nung von Vorwärtstrajektorien kann die weitere Verfrachtung von Luftbeimengungen verfolgt
werden, Rückwärtstrajektorien ermöglichen es, Aussagen zur Herkunft von Schadstoffen
treffen zu können.
Zur Bestimmung einer Vorwärtstrajektorie wird das entsprechende Kaltluftwindfeld als
Grundlage genutzt. Für jeden Zeitschritt wird berechnet, in welcher Rechenbox sich das
Luftpaket befindet. Innerhalb einer Box bewegt es sich entsprechend dortiger mittlerer be-
rechneter Kaltluftgeschwindigkeit vorwärts bis es in eine neue Rechenbox gelangt.
Das Verfahren wird für einige Punkte rings um den angeklickten Bereich gestartet, sodass
bei der Visualisierung im Programmsystem METEOKART GIS jeweils mehrere Vorwärtstra-
jektorien entstehen (siehe auch Lohmeyer, 2004). Für Rückwärtstrajektorien wird ebenso
verfahren.
Die Berechnung der Rückwärtstrajektorien erfolgt stationär, wobei über die gesamte Simula-
tionszeit das gleiche Kaltluftwindfeld als Grundlage genutzt wird. Für Vorwärtstrajektorien
wird ein instationäres Verfahren angewendet, wobei die Kaltluftwindfelder entsprechend der
gerade vorliegenden Simulationszeit herangezogen werden.
Hinweis: Rückwärtstrajektorien haben weniger Aussagekraft als Vorwärtstrajektorien, da
fachlich korrekter Weise nicht eine Linie, sondern ein ganzer Einzugsbereich gekennzeichnet
werden müsste. Sie stellen aber trotzdem ein praktikables Werkzeug zur Ursachenforschung
von Luftschadstoffbelastungen dar. Der Problematik wird insofern zum Teil Rechnung
getragen, dass je Mausklick auch bei Rückwärtstrajektorien mehrere Startpunkte gewählt
werden.
Weiterführende Aussagen waren nicht Gegenstand des hier vorgelegten Projektes und wür-
den weitreichenden zusätzlichen Untersuchungsbedarf bedeuten.

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5 AUSBLICK
Das für das Testgebiet „Osterzgebirge“ durchgeführte Projekt hat aufgezeigt, dass Kaltluft-
rechnungen auch für größere Gebiet möglich sind und plausible Ergebnisse erzielt werden.
Für die Zukunft könnte deshalb über eine Ausdehnung des Rechengebietes (z. B. in Rich-
tung Westerzgebirge) nachgedacht werden. Dieses Folgegebiet sollte möglichst rechteckig
und nach Norden ausgerichtet sein, da dies auch den Anwendungsvoraussetzungen des
Kaltluftabflussmodells KALM entspricht.
Unabhängig von einer Erweiterung des Untersuchungsgebietes in andere topografisch ge-
gliederte Regionen Sachsens könnte darüber nachgedacht werden, zusätzliche Module zu
entwickeln, die die Arbeit der Genehmigungsbehörden weiterführend erleichtern können.
Solche Module wären beispielsweise:
Modul zum Aufzeigen der Relevanz von Kaltluftabflüssen
Modul zur vereinfachten Ausbreitungsrechnung im Kaltluftabfluss
jeweils für beliebig wählbare Quellen.

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Berényi, D. (1967): Mikroklimatologie. Mikroklima der bodennahen Atmosphäre. Stuttgart:
Gustav Fischer Verlag, 1967.
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derungen der Landnutzung durch Wohnbebauung im Gebiet Dresden-Bühlau, -Rock-
witz, Gönnsdorf und Pappritz. Auftraggeber: Landeshauptstadt Dresden, Radebeul,
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nieurbüro Dr.-Ing. Achim Lohmeyer, Radebeul. Projekt 707, Mai 1995. Gutachten im
Auftrag von: REAL-Beteiligungs-GmbH, Dresden.
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2193, März 2000. Gutachten im Auftrag von: Stadt Chemnitz.
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Oktober 2004. Ingenieurbüro Lohmeyer GmbH & Co. KG, Radebeul. Projekt 70062-03-
10, Oktober 2004. Handbuch im Auftrag von: Sächsisches Landesamt für Umwelt und
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Mikroskalige empirische Untersuchungen zur räumlichen und zeitlichen Struktur von
thermisch induzierten Bergwinden im Mittelgebirge, ihrer Modifikation durch Bebauun-
gen und ihre raumplanerische Bewertung. Habilitationsschrift eingereicht an der Geo-
wissenschaftlichen Fakultät der Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Oktober 1997.

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A N H A N G A1:
BESCHREIBUNG DES KALTLUFTABFLUSSMODELLS KALM

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A1 Beschreibung des Kaltluftabflussmodells KALM
Das Modell verwendet die sog. Flachwassergleichungen, eine vereinfachte (vertikal integ-
rierte) Form der Grundgleichungen der Strömungsmechanik. Durch diese Vereinfachung ist
es möglich, das Modell mit relativ geringem Rechenzeit- und Speicherbedarf auch auf Per-
sonal Computern zu betreiben.
Die Bezeichnung "Flachwassergleichungen" hat sich eingebürgert; die Gleichungen eignen
sich jedoch genauso zur Beschreibung der Strömung jedes relativ zur Umgebung schweren
Fluids, z.B. von Wasser oder von kalter Luft. Eine solche Strömung hat folgende Charakteri-
stika:
- Abfluss über geneigtem Gelände entsprechend der Hangneigung
- Weiterbewegen der "Kaltluftfront" auch über ebenem Gelände
- Auffüllen von Becken (Kaltluftseen)
- Einfluss der Schichtdicke auf Strömungsrichtung und -geschwindigkeit (Druckgradienten).
Angetrieben wird die Strömung durch die auftriebskorrigierte Erdbeschleunigung. Innerhalb
der Flachwassergleichungen werden folgende Einflüsse auf die Strömung berücksichtigt:
- Advektion (Transport der Kaltluft mit der Strömung)
- Reibung zwischen Erdoberfläche und Luft: diese Reibung variiert mit der Landnutzung
(Freiland: niedrige Reibung, Siedlung: hohe Reibung)
- Beschleunigung oder Abbremsen der Strömung durch Änderung der Geländehöhe
und/oder der Kaltluftschichtdicke
- von der Landnutzung abhängige Nullpunktsverschiebung des Geländeniveaus zusätzlich
zur topografischen Geländehöhe
- von der Landnutzung abhängige Kaltluftproduktion.
Das Lösungsverfahren ist ein Differenzenverfahren mit variabler Gitterpunktzahl und Gitter-
weite, d. h. Topografie und Landnutzung müssen an den einzelnen Gitterpunkten digitalisiert
vorliegen; es wird ein versetztes Gitter verwendet. Um großskalige Einflüsse (z. B. Flusstä-
ler) bei gleichzeitiger hoher Auflösung im interessierenden Gebiet zu berücksichtigen, kann
das Modell auf einem geschachtelten Gitter ("Nesting") betrieben werden.

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A N H A N G A2:
ERGEBNIS KALTLUFTRECHNUNG AUS LOHMEYER (2000)
(KARTE: „KALTLUFTSITUATION NACH 3 STUNDEN“)

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