Mikroskalige Modellierung von UV-Belastungen und gefühlter Temperatur in urbanen Umgebungen für verschiedene Bevölkerungsgruppen zur Hautkrebsprävention : Vorhaben 3621S72430

Abstract

Im Rahmen des Vorhabens „Mikroskalige Modellierung von UV-Belastungen und gefühlter Temperatur in urbanen Umgebungen für verschiedene Bevölkerungsgruppen zur Hautkrebsprävention“ wurde ein urbanes UV-Strahlungsmodell in das mikroskalige Stadtklima- und Strömungsmodell PALM implementiert, mit dem Ziel die erythemgewichtete UV-Bestrahlungsstärke in bebauten Gebieten tageszeitabhängig zu quantifizieren. Dies soll Stadtplaner in Kommunen und Behörden dazu befähigen, wissenschaftlich fundierte Aussagen über die UV-Belastung in öffentlichen Bereichen zu treffen, mit dem Ziel, Strategien zur Reduktion der UV-Exposition der Bevölkerung zu implementieren. Das entwickelte urbane UV-Strahlungsmodell berücksichtigt Abschattungen durch Bäume, Gebäude und Sonnenschutzvorrichtungen wie Markisen oder Sonnensegel, Transmission durch Pflanzenbestände sowie multiple Reflexionen an urbanen Oberflächen. Es wurden zwei Modellierungsansätze implementiert: ein raumwinkelunabhängiger Ansatz bei dem angenommen wird, dass der diffuse Strahlungsanteil isotrop verteilt ist, sowie ein raumwinkelabhängiger Ansatz, bei dem die Strahldichte aus jedem Raumwinkel individuell betrachtet wird. Das grundlegende atmosphärische UV-Szenario wird mittels eines externen Strahlungstransfermodells für verschiedene Sonnenzenitwinkel modelliert und in einem Präprozessorschritt in eine PALM-lesbare Datei gespeichert und während der Simulation entsprechend des tageszeitabhängigen Sonnenzenitwinkel eingelesen. Um Anwender, die ausschließlich an der UV-Strahlung interessiert sind, zu ermöglichen, ressourcensparend Simulationen durchzuführen, kann das Modell während einer zeitlichen Vorabintegration ausgeführt werden. Für Anwender die sowohl an der UV-Strahlung als auch an anderen stadtklimatischen Aspekten wie z.B. dem thermischen Komfort interessiert sind, kann das UV-Strahlungsmodell parallel zur Zeitintegration des Strömungsmodells ausgeführt werden. Das urbane UV-Strahlungsmodell wurde anhand dedizierter Messungen der UV- Bestrahlungsstärke im Außenbereich eines Kindergartens evaluiert. An unverschatteten Standorten konnte eine gute bis sehr gute Übereinstimmung zwischen den Modellergebnissen und der Messung festgestellt werden. Ebenso konnte nachgewiesen werden, dass das entwickelte UV-Strahlungsmodell die durch Bäume, Gebäude und Sonnensegel verursachte räumliche sowie zeitliche Variabilität der UV-Strahlung realistisch wiedergibt. Der raumwinkelunabhängige Modellierungsansatz zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten, wohingegen der eigentlich physikalisch genauere, raumwinkelabhängige Ansatz die UV-Bestrahlungsstärke im Nahbereich von Bäumen oder Gebäudewänden teilweise überschätzt. Diese Überschätzung wird auf eine zu geringe Strahldichte aus Raumwinkeln nahe der Sonnenposition zurückgeführt, sodass der diffuse, aus allen Raumwinkeln kommende Anteil der Strahlung überschätzt wird. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine signifikante Unsicherheit in der modellierten UV-Bestrahlungsstärke aufgrund unzureichender Kenntnis der mikroskaligen Umgebungsbedingungen, insbesondere der Bauminformationen, besteht. Dadurch werden einzelne belaubte Äste, die lokal zu einer Reduktion der UV-Bestrahlungsstärke führen, im Modell nicht ausreichend abgebildet. Dies führte an einigen Messpunkten zu einer großen Streuung zwischen den Simulationsdaten und den Messwerten. Das in PALM integrierte urbane UV-Strahlungsmodell ist ein effizientes Werkzeug zur Bewertung der UV-Strahlungsbelastung in urbanen Umgebungen. Die erfolgreiche Anwendung des Modells für reale urbane Standorte setzt jedoch vertiefte modelltechnische, numerische sowie physikalische Kenntnisse voraus, sodass der potenzielle Nutzerkreis des entwickelten Modells zum jetzigen Zeitpunkt auf Modellierexperten mit einem physikalisch-technischem Hintergrund beschränkt ist. Um das UV-Strahlungsmodell jedoch bei den Zielanwendern, d.h. den Stadtplanern in Kommunen und Behörden, langfristig zu etablieren, wird empfohlen die technischen Hürden bei der Bedienung des UV-Strahlungsmodells so weit abzusenken, dass auch Personen ohne die notwendigen technischen und physikalischen Kenntnisse in der Lage sind das UV-Strahlungsmodell anzuwenden.