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Investigation of the atmospheric boundary-layer structure in urban areas can be challenged by landscape complexity and the heterogenous conditions this instills. Stuttgart, Germany, is a city situated in a bowl-shaped basin and troubled by the accumulation of pollutants during weak-wind conditions. The center of Stuttgart is surrounded by steep slopes up to 250 m above the basin floor, except for an opening to the northeast that allows runoff towards the Neckar river. Urban planning and regulation of air quality require advanced monitoring and forecasting skills, which in turn require knowledge about the structure of the atmospheric boundary layer (ABL), down to the surface. Three-dimensional observations of the ABL were collected in the City Centre of Stuttgart in 2017. A laser ceilometer and a concerted network of Doppler lidar systems were deployed on roof-tops, providing continuous observations of the cloud base, the mixing-layer height and the three-dimensional wind field. The impact of weak-wind conditions, the presence of shear layers, properties of convective cells and the impact of nocturnal low-levels jets were studied for representative days in winter and summer. The observations revealed the development of distinctive layers with high directional deviation from the flow aloft, reoccurring as a dominant diurnal pattern. Our findings highlight the influence of topography and surface heterogeneity on the structure of the ABL and development of flow regimes near the surface that are relevant for the transport of heat and pollutants.

Meteorological and air pollutant measurements were conducted in the area of Stuttgart during winter and summer seasons. Stuttgart is situated in moderate mountainous terrain in southwestern Germany. We focus on the connection between atmospheric conditions and air pollutants in the urban nocturnal boundary layer. This is done by relating the bulk Richardson number (Rib), turbulence intensity, cloudiness, and winds, as well as NOx and O3 data. Turbulence intensity is inversely related to Rib, with the lower values occurring at Rib >0.33. The coefficient of determination for the exponential regression is only moderate, which partly can be attributed to sporadic turbulence in the transition from dynamically unstable to stable flows. Dynamically unstable flows (Rib 1.25) are found preferably under clear skies in summer with the build‐up of strong surface inversions, so that buoyant suppression is strong and shear generation of turbulence is weak. The nocturnal NOx concentrations are positively correlated with Rib. The correlation is weak, which is mainly related to the large variability of air pollutant concentrations in a range around Rib = 0.33. In this range, many low‐level jets are present that can cause sporadic turbulent coupling between the atmosphere and the surface. Reduced mixing under dynamically stable flows causes NOx values about 3 times higher than under dynamically unstable flows. The overall lowest NOx concentrations occur during winter when low clouds and strong winds are present.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) initiierten Forschungsprogrammes „Experimenteller Wohnungs- und Städtebau“ (ExWoSt) mit dem Schwerpunkt „Kommunale Strategien und Potenziale zum Klimawandel“ führte der Deutsche Wetterdienst (DWD) umfangreiche stadtklimatologische Untersuchungen für die Stadt Jena mit ihrem Modellvorhaben „Jenaer Klima-Anpassungs-Strategie“ (JenKAS) durch. Die Untersuchungen des DWD hatten die Messung und Simulation der sommerlichen Temperaturverhältnisse und nächtlichen Kaltluftverhältnisse für die städtebauliche Ist-Situation und einen Planfall zum Ziel. Aus den Simulationsresultaten geht hervor, dass vor dem Hintergrund des voranschreitenden Klimawandels in Jena bis zur Mitte des Jahrhunderts mit einer zunehmenden Wärmebelastung zu rechnen ist, die lokal dort verstärkt auftreten kann, wo das Klimaänderungssignal durch städtebauliche Verdichtungsmaßnahmen überlagert wird. Die Schaffung neuer Grünflächen kann hingegen eher eine Minderung der Wärmebelastung bewirken. Die Existenz eines vermuteten, bislang aber nicht ausreichend belegten nächtlichen Saaletalwindes konnte im Rahmen der Untersuchungen nachgewiesen werden. Trotz seiner nur moderaten Windgeschwindigkeiten trägt er durch sein häufiges Auftreten signifikant zur nächtlichen Kühlung und Durchlüftung der Stadt Jena bei. Die Ergebnisse der DWD-Untersuchungen flossen in die Erstellung einer Klimafunktionskarte der Firma Thüringer Institut für Nachhaltigkeit und Klimaschutz (ThINK) ein, die für die Stadt Jena die Basis zur Erarbeitung einer klimaangepassten Stadtentwicklung darstellt.

Innerhalb einer Stadt bildet sich durch die dichte Bebauung und den erhöhten Energieumsatz gegenüber dem Umland ein davon deutlich abweichendes "Stadtklima" aus. Dieses ist beispielsweise durch eine höhere Temperatur in der Stadt gekennzeichnet, welche zur Ausbildung der sogenannten städtischen Wärmeinsel führt. Zudem lassen regionale Klimamodelle für die nächsten Jahrzehnte Klimaänderungen erwarten, die sich in den städtischen Ballungsräumen durch die Überlagerung mit der städtischen Wärmeinsel deutlich belastender auswirken als im Umland. Dies ist für die Menschen von elementarem Interesse, da bereits heute mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten lebt. Der Klimawandel findet bereits statt: 60-jährige Messungen des Deutschen Wetterdienstes am Flughafen Frankfurt/Main belegen einen signifikanten Anstieg des Jahresmittels der Lufttemperatur von 0,35 °C pro Dekade. Die Anzahl der mittleren jährlichen Sommertage, das sind Tage an denen die Lufttemperatur 25 °C erreicht oder überschreitet, weist ebenfalls einen signifikanten Trend von 4,3 Tagen pro Dekade auf. Wenn dieser beobachtete Trend unverändert weiterginge, so wären für die Klimaperiode 2021 - 2050 durchschnittlich etwa 21 Sommertage pro Jahr mehr als in der Klimaperiode 1971 - 2000 zu erwarten. Eine zuverlässige Abschätzung muss jedoch die erwartete Änderung klimarelevanter Spurenstoffe berücksichtigen und daher auf den verfügbaren globalen und regionalen Klimaprojektionen basieren. Ziel der Untersuchung war es deshalb, auf der Basis von Projektionen regionaler Klimamodelle die Auswirkungen des Klimawandels für detaillierte Stadtstrukturen aufzuzeigen. Mit Hilfe eines Stadtklimamodells und der am Beispiel Frankfurt/Main entwickelten sogenannten „Quadermethode“ (Früh et al., 2011) konnte erstmals sowohl die vergangene als auch die zukünftige Wärmebelastung für Frankfurt am Main unter Berücksichtigung der vielfältigen Bebauungsstrukturen und sonstiger Flächennutzungen simuliert werden. Auch die klimatischen Auswirkungen der größeren Planungsvorhaben der Stadt wurden in diesem Zusammenhang untersucht. Auf der Grundlage des moderaten IPCC Emissionsszenarios A1B ergibt sich für das Stadtgebiet von Frankfurt bis zum Jahr 2050 eine Zunahme der mittleren jährlichen Anzahl von Sommertagen von derzeit etwa 44 Tagen pro Jahr, um weitere 5 bis 31 Tage. Damit wird Mitte des Jahrhunderts im Sommerhalbjahr jeder zweite bis vierte Tag in Frankfurt wärmer als 25 °C sein. Gleichzeitig wird auch die mittlere jährliche Anzahl "Sommerabende", das sind Abende an denen es um 22 Uhr noch mindestens 20 °C warm ist, um 5 bis 33 Tage ansteigen. Auch die Anzahl der "heißen Tage" mit einer Höchsttemperatur von mindestens 30 °C und der Tropennächte mit Lufttemperaturen, die nicht unter 20 °C sinken, wird deutlich zunehmen. Aufgrund der heute noch geringen Anzahl solcher Tage lassen sich für die Zukunft derzeit keine verlässlichen Aussagen treffen. Dies gilt auch für alle Untersuchungen, die für die Klimaperiode 2071 - 2100 durchgeführt wurden. Die Studie zeigt, dass die Zunahme der Sommertage bis Mitte des Jahrhunderts sich nicht signifikant zwischen dicht und locker bebauten Stadtteilen unterscheidet. Die Wärmebelastung wird also gleichermaßen stark zunehmen und zukünftig auch dort am höchsten sein wo sie es heute schon ist. Die Unterschiede zwischen Stadt und Umland werden sich aber nicht wie befürchtet verschärfen. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass Hitzesommer – wie beispielsweise im Jahr 2003 – häufiger auftreten werden, nimmt bis Mitte des Jahrhunderts zu. Betrachtet man unterschiedliche Bebauungsstrukturen in Frankfurt, so belegen die Modellergebnisse zusätzlich, dass in dicht bebauten Gebieten, wie zum Beispiel der Innenstadt, die Wärmebelastung mit bis zu 54 Sommertagen pro Jahr bereits heute am stärksten ist. Hochhäuser, wie im Frankfurter Bankenviertel, können den Effekt dichter Bebauung zwar durch ihre abschattende Wirkung zumindest tagsüber etwas mildern. Da allerdings der Effekt der nächtlichen Wärmeinsel durch die Hochhäuser verstärkt wird, ist keineswegs als Anpassungsmaßnahme auf den Hochhausbau zu setzen. Neben den Auswirkungen der regionalen Klimaänderungen auf die Stadt werden auch die Auswirkungen bereits geplanter Veränderungen der Stadt untersucht. Dabei kann gezeigt werden, dass eine Umwandlung von bebauten Flächen in Grünflächen die durch den Klimawandel erwartete Zunahme an Sommertagen und -abenden etwa halbieren würde. Umgekehrt kann eine Verdichtung der Bebauung die erwartete Zunahme an Sommertagen und -abenden nahezu verdoppeln. Die Auswirkungen solcher Maßnahmen werden aber lokal sehr begrenzt sein. Um der erwarteten regionalen Klimaerwärmung im gesamten Stadtgebiet gegenzusteuern ist daher eine klimagünstige Gestaltung der Stadt in möglichst vielen Stadtbereichen notwendig. Parks und Grünanlagen nehmen unter zukünftigen Klimabedingungen somit in ihrer Bedeutung stark zu. The high building density and the energy consumption in a town or city generate a distinct "urban climate" which varies significantly from that of the rural surrounding. Such urban climates are characterised, for example, by a higher urban air temperature leading to the formation of so-called urban heat islands. According to projections from regional climate simulations, climate change will cause increasing air temperatures during the next decades. Therefore, particularly high heat load is expected in urban environments due to the combined effects of urban heat islands and climate change. With already more than half of the world's population living in urban areas, this is of fundamental concern to mankind. Climate change is taking place already: the German Meteorological Service’s (Deutscher Wetterdienst) 60-year time series of air temperatures recorded at Frankfurt airport shows a significant increase in the mean annual air temperature of +0.35 °C per decade. The annual mean number of 'summer days', i. e. days with a maximum air temperature of 25 °C or higher, shows an equally significant trend of +4.6 days per decade. If this trend continues unchanged, an average increase of 21 additional summer days per year would have to be expected for the climate period 2021 - 2050 compared to the climate period 1971 - 2000. However, reliable evaluations need to take into account the expected changes induced by the emission of climate- relevant trace gases and therefore need to be based on available global and regional climate projections. The impact of climate change on detailed urban structures was therefore investigated, by downscaling of regional climate projections using an urban climate model and the newly developed cuboid method (Früh et al., 2011). The cuboid method allows, for the first time, to simulate both past and future heat load in Frankfurt am Main considering the manifold types of building structures and other forms of land use within the city. The study also examined possible climatic effects of some larger urban planning projects. On the basis of the rather moderate IPCC emission scenario A1B, an increase in the annual mean number of summer days from currently 44 days by 5 to 31 additional days has to be expected for the city area of Frankfurt until 2050. This means that by the middle of the century, every second to forth day in the summer term will be warmer than 25 °C in Frankfurt. At the same time, the annual mean number of 'summer evenings', i. e. evenings on which the temperature at 10 p.m. still exceeds 20°C, will increase by 5 to 33 days. The numbers of 'hot days' (with maximum temperatures of at least 30 °C) and 'tropical nights' (with minimum air temperatures not below 20 °C) will also increase significantly. Due to the currently low number of such days no reliable statements about the future trend can be made. This also applies to all studies undertaken for the climate period 2071 - 2100. The analysed increase of summer days, shows no significant difference between high density and low density built-up areas until the middle of the century. This means that heat loads will increase at a rather uniform rate and be highest where they are highest already today. Contrary to possibly expected, the discrepancies between urban and rural areas will not intensify significantly. However, the probability of extremely hot summers (like 2003 for example) will increase until the middle of the century. When taking a closer look at various types of building structures in Frankfurt, the model results also show that already today highest heat loads occur in high density areas, such as the city centre, with up to 54 summer days per year. Thanks to their shadows, high-rise buildings, such as those in Frankfurt's financial district, might slightly mitigate the thermal effects caused by high density building structures during daytime. However, since they cause very high nocturnal heat island intensities, the construction of high-rise buildings can in no way be considered as an appropriate adaptation measure. Apart from studying the impacts to be expected from regional climate changes, the study also investigates the possible effects of the urban restructuring processes that are already planned for Frankfurt. The results show that the change of built-up areas into green spaces would reduce the increase in summer days and summer evenings expected due to climate change by about 50%. Inversely, densification of building structures would nearly double the expected number of additional summer days and summer evenings due to regional climate change. However, the simulated urban restructuring projects for Frankfurt will only have local impacts. In order to counteract the projected regional warming everywhere in the city, climate-favouring urban development is necessary in as many parts of the city as possible. In view of future climate conditions, the importance of parks and green spaces is increasing tremendously.

Meteorologische und luftchemische Messungen, die während der TRACT Feldmeßkampagne im September 1992 in Südwestdeutschland, Ostfrankreich und der Nordschweiz durchgeführt wurden, zeigen einen starken Einfluß der Orographie auf die vertikale Durchmischung und den Horizontaltransport von Luftmassen in der unteren Troposphäre während Schönwetterlagen. Detaillierte Untersuchungen der konvektiven Grenzschichtentwicklung werden sowohl anhand von Meßdaten als auch mittels einfacher Modellrechnungen durchgeführt. Es werden verschiedene Parametrisierungen der Grenzschichtentwicklung diskutiert, die orographisch bedingte Advektionseffekte berücksichtigen und somit zu einer besseren Beschreibung der Grenzschichthöhe über unebenem Gelände beitragen. Über hügeligem Gelände wird der Austausch zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der freien Troposphäre (Handover) durch Stufen in der Grenzschichthöhe und Durchbrüche in der Grenzschichtinversion verstärkt. Regionale Windsysteme entlang der großen Täler zwischen den Gebirgen bewirken einen Transport von Luftverunreinigungen zwischen verschiedenen städtischen Ballungszentren. Diesen regionalen Luftströmungen sind thermisch induzierte Zirkulationssysteme an den Berghängen und in den Seitentälern der Gebirge überlagert, die zu einem Luftmassenaustausch zwischen den dicht besiedelten Tälern mit hohen Emissionen und den ländlichen Bergregionen führen. Es wird gezeigt, daß hierbei die nächtlichen Bergwinde zu sekundären Ozonmaxima an Talstationen führen können. Geländebeeinflußte Nebelverteilungen bewirken starke räumliche Unterschiede in den Spurengasverteilungen und in der Grenzschichthöhe und begünstigen somit das Handover an Grenzschichtstufen.