Klimamessnetz: Informationsgrundlage für klimasensible Stadtplanung

Wie bleiben Kommunen unter den Bedingungen des Klimawandels lebenswert? Die immer stärker auftretenden Auswirkungen des Klimawandels stellen auch Mannheim vor erhebliche Herausforderungen: Extremwetterereignisse wie Hitzewellen, Trockenperioden und Starkregen treten immer häufiger auf. Um die Klimaresilienz von Mannheim zu steigern, die Bevölkerung zu schützen und wirksame städtebauliche Anpassungsmaßnahmen zu entwickeln, ist eine detaillierte Kenntnis über das lokale Mikroklima und die Luftqualität erforderlich.

Mannheim erhebt relevante Klimadaten über ein stadtweites, engmaschiges Klimamessnetz. Die Sensoren an derzeit circa 400 Messstandorten (bis zu 600 Standorte sind geplant) erfassen in kurzen Intervallen Daten zur Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie zu Niederschlag und Sonneneinstrahlung. Die Datenübertragung über LoRaWAN liefert die Informationen an die zentrale, städtische Umweltdatenplattform. Darin wird die Datenbasis des Klimamessnetzes mit weiteren Daten, zu beispielsweise Bodenfeuchtigkeit und -temperatur, erweitert. Auf Basis der Klimadaten an den Messstandorten entwickelt Mannheim derzeit ein durch Künstliche Intelligenz (KI) gestütztes Mikroklimamodell, das für die Gesamtstadt Umweltdaten räumlich detailliert visualisiert. In einem ersten Schritt befindet sich derzeit eine Temperaturkarte mit einer kleinteiligen Auflösung und einer stündlichen Datenaktualisierung im Testbetrieb. Insgesamt wird es mit der Modellierung des Mikroklimas möglich, verschiedene Szenarien für das Stadtklima zu berechnen, die Wirkung von stadtplanerischen Maßnahmen auf das Mikroklima zu simulieren und auch klimatische Bedingungen in Echtzeit zu prognostizieren.

Die Stadtverwaltung kann auf Basis dieser Daten Maßnahmen zur Klimafolgeanpassung planen und bewerten. Darüber hinaus soll ein digitales Grünflächenmanagement die Daten nutzen, um die Bewässerung von Grünflächen zukünftig effizient zu steuern. Ziel ist es, eine klimasensible Stadtplanung umzusetzen. Die erhöhte Informationsdichte und transparente Bereitstellung der Umweltdaten sensibilisiert die Stadtgesellschaft für die Herausforderungen des Klimawandels und bindet sie in die Entwicklung einer klimaresilienten Stadt ein. Über QR-Codes an den Messstandorten und Sensoren stellt die Kampagne „Schau mal nach oben“ interessierten Bürgerinnen und Bürgern Informationen zum Klimamessnetz bereit.

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Erfolgsfaktoren zur Zielerreichung

Fachliche Expertise

Mannheim arbeitet für den Aufbau des Klimamessnetzes mit einem Klimatologen zusammen. Er bringt die nötige fachliche Expertise mit, um der Kommune bei Fragen zu Anforderungen an Messtechnik und Standorte beratend zur Seite zu stehen.

Enge Zusammenarbeit zwischen den Fachbereichen

Die Fachbereiche der Stadtverwaltung, wie unter anderem der Fachbereich „Klima, Umwelt, Natur“ mit den Bereichen „Klimaschutz / Immissionsschutz“ und der Fachbereich „Geoinformation / Stadtplanung“ sowie der Eigenbetrieb Stadtraumservice, arbeiten eng mit der Klimaschutzagentur Mannheim gGmbH als gemeinnützige Energieberatungsstelle der Stadt zu Klimaschutz- und Klimaanpassungsthemen zusammen. Der direkte Austausch mit Kolleginnen und Kollegen aus genehmigenden Fachbereichen ermöglicht eine zügige und rechtssichere Befugnis für die Aufstellung der Sensoren im öffentlichen Raum.

Vorhandene technische Ausstattung

In Mannheim waren die Umweltdatenplattform und ein LoRaWAN-Übertragungsnetz bereits zu Beginn des Projektes vorhanden. Dies sind wichtige Grundvoraussetzungen für eine schnelle Implementierung der Maßnahme. Ebenso verfügt Mannheim über ein digitales Stadtmodell und Geoinformationen sowie eine aktuelle Stadtklimaanalyse basierend auf FITNAH 3D, wofür der Computer aus Basisdaten, wie dem Geländemodell der Stadt und Daten zu versiegelten Flächen und Grünflächen, unter anderem die bodennahe Temperatur- und Windfelder errechnen kann.

Installation von engmaschigem Klimamessnetz

Mit der Installation von über 400 Messstandorten im Stadtgebiet stellt Mannheim eine flächendeckende, belastbare Erfassung von Daten zum lokalen Mikroklima sicher. Diese Messpunkte mit ihren Daten bilden die entscheidende Grundlage für die Modellierung im Mikroklimamodell, das Klimaentwicklungen für die Gesamtstadt berechnet.

Sensibilisierung und Bürgerbeteiligung

Die Kennzeichnung der Klimamessstandorte mit QR-Codes sorgt für Transparenz und informiert Bürgerinnen und Bürger über das Klimamessnetz und dessen Bedeutung. Dies ist ein wichtiger Faktor, um das Verständnis und die Akzeptanz von Klimaschutzmaßnahmen in der Stadt zu erhöhen und eine klimaresiliente Gesellschaft zu schaffen.

Erfolgsfaktoren zur Übertragbarkeit

Metadatenkatalog und Werkstattbericht

Ein wichtiger Faktor für die Übertragbarkeit der Maßnahme ist der entwickelte Metadatenkatalog, der die eingesetzte Technik, Sensoren und Standorteigenschaften beschreibt und klassifiziert. Zudem erstellt Mannheim einen Werkstattbericht auf Grundlage der Evaluation, der anderen Kommunen zur Verfügung steht. Die selbst entwickelten Lösungen werden unter der AGPL-Open-Source-Lizenz veröffentlicht.

Grundlegende technische Ausstattung

Als Grundvoraussetzung der Übertragbarkeit ist folgende technische Ausstattung einer Kommune notwendig: Ein digitales Stadtmodell oder – wie im Falle Mannheims – ein meteorologisches FITNAH-3D-Modell in das Umweltdaten und Echtzeitdaten eingespeist werden können, auf deren Grundlage Modellierungen berechnet werden. Zudem ist ein Server, auf dem das Modell liegt, erforderlich.

Standortanzahl n-Messstationen

Mannheim evaluiert und ermittelt derzeit, wie viele Messstandorte pro Fläche im Stadtgebiet und welche Parameter des digitalen Stadtmodells, zum Beispiel Gebäudetypologien, notwendig sind, um aussagekräftige Modellierungen für die Gesamtstadt abbilden zu können. Diese Kennzahlen und -parameter erleichtern – sobald sie vorliegen – anderen Kommunen die Skalierung und Implementierung.

Erfolgsfaktoren zur Verstetigung

Datenhoheit der Stadt

Die Daten der Umweltdatenplattform stellen eine kontinuierlich wachsende Informationsbasis zur Klimaentwicklung in Mannheim dar. Der Wert dieser Daten wächst durch ihre fortlaufende Anreicherung. Sie ermöglichen es der Stadt – insbesondere der Stadtentwicklung und Stadtplanung – unabhängig informiert, zielgerichtet und effizient den Herausforderungen des Klimawandels zu begegnen.

Nachhaltige Stadtplanung

Ein wesentlicher Faktor bei der Verstetigung der Maßnahme ist die Integration der Daten in und aus laufenden Projekten der Stadtplanung. Die Klimadaten und das darauf aufbauende Mikroklimamodell sollen stetig zum Einsatz gebracht werden, um städtebauliche Maßnahmen zur Stärkung der Klimaresilienz umzusetzen. Bei den Projekten „Tiny Forest“ und „Neugestaltung Swanseaplatz“ sollen die Auswirkungen auf das Stadtklima pilothaft evaluiert und bewertet werden.

Vielfältige Einsatzbereiche

Echtzeitdaten zu Extremwetterereignissen ermöglichen eine rechtzeitige Warnung der Bevölkerung und unterstützen Einsatzkräfte. So stärkt die Maßnahme aktiv den Bevölkerungsschutz und trägt zur kommunalen Daseinsvorsorge bei. Auch Fachbereiche wie die „Freiraumplanung“ und die „Grünflächenbewirtschaftung“ sind an den Umweltdaten interessiert, um die Auswirkungen möglicher Planungen zu simulieren. So soll etwa ein effizientes Bodenfeuchte- und Bewässerungsmanagement umgesetzt werden.

Erweiterbarkeit der Plattform und des Modells

Die Klimadatenplattform und das Mikroklimamodell lassen sich problemlos mit weiteren Sensordaten oder externen Datenquellen erweitern. Die Integration zusätzlicher Messstandorte über Mannheim hinaus könnte eine Modellierung auf die Metropolenregion Rhein-Neckar ausweiten.

Mannheim Umsetzungsstruktur — Urban Catalyst

Weitere Informationen

Ausgangsbedingungen und Ziele

Lokale Herausforderungen

Mannheim zählt zu den heißesten Großstädten Deutschlands. Die Folgen des Klimawandels sind bereits deutlich spürbar: steigende Temperaturen und das vermehrte Auftreten von Extremwetterereignissen wie Hitzewellen, Trockenperioden und Starkregen. In Mannheim sorgt die große Trockenheit in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit im Sommer für die typische Schwüle des Rheingrabens.

Knapp ein Fünftel der bebauten Fläche in Mannheim ist zu warm. Ursachen sind dichte Bebauung, versiegelte Flächen und der Anstieg von Treibhausgasen. Die Stadt muss reagieren und Maßnahmen ergreifen, um einerseits ihre Bevölkerung zu schützen und um andererseits mittels städtebaulicher Anpassungen das Mikroklima zu verbessern beziehungsweise die Folgen des Klimawandels abzumildern.

Die Neckarstadt-West ist ein Quartier, in dem aufgrund der Raum- und Siedlungsstruktur, der räumlichen Nähe zur Innenstadt und zum Neckar sowie der umliegenden Grünzüge die klimatischen Herausforderungen typisch für Mannheim sind. Deshalb hat die Installation des Klimamessnetzes hier begonnen. Der Prototyp für die Sensorik konnte hier eingeführt und anschließend gesamtstädtisch erweitert werden.

Planungsziele

Die Anpassung an den Klimawandel ist ein wichtiges Ziel der Stadt Mannheim. Die strategische Grundlage bildet ein 2019 vom Gemeinderat beschlossenes Konzept, in dem bereits Handlungsansätze und Maßnahmen zum Klimaschutz und zur Klimafolgenanpassung formuliert sind. Daraus ist der Mannheimer Hitzeaktionsplan entstanden, für dessen Umsetzung das Klimamessnetz wichtige Informationen und Daten liefert: Wissen über das lokale Mikroklima, kleinräumige Temperaturveränderung im Stadtgebiet sowie Kenntnisse über das lokale Wettergeschehen sind notwendig, um „Klima“ als belastbares Bewertungskriterium in der Stadtverwaltung zu etablieren und um evidenzbasierte Maßnahmen zur Klimafolgenanpassung auf den Weg zu bringen.

Die Modellierung der Daten aus dem Klimamessnetz hat das Ziel, für das gesamte Stadtgebiet die Variation des Klimas abzubilden, ebenso wie die Variation des Stadtmodells zu betrachten. Die Veränderung von Umweltbedingungen und die Wirkung von stadtplanerischen Maßnahmen lässt sich dabei simulieren. Darüber hinaus ermöglichen die Echtzeitdaten eine Warnung vulnerabler Gruppen. Insgesamt zielen die Daten aus dem Klimamessnetz und die Modellierung im Stadtklimamodell darauf ab, der Mannheimer Stadtverwaltung und insbesondere dem Bereich „Stadtplanung“ kontinuierlich detaillierte Klima- und Umweltdaten zur Verfügung zu stellen. Die Klimaresilienz der Stadt soll so gesteigert und damit auch auf den Local Green Deal Mannheim eingezahlt werden und spürbar mehr Lebensqualität für alle in einer klimaneutralen, nachhaltigen und integrativen Stadt bis 2030 ermöglichen.

Ansatz zur Wirkungsmessung

Mittels verschiedener Indikatoren lassen sich die Wirkung und der Erfolg des Klimamessnetzes messen und evaluieren. Die Stadt Mannheim nutzt das Input-Output-Outcome-Impact-Modell (IOOI), wobei Leistungs- und Wirkungsebenen unterschieden werden:

Leistungsebene und -indikatoren:

Existenz und Qualität von Daten und datenbasierten Informationsservices (Bürger- und Verwaltungsdashboard, Mikroklimamodell) und des Open-Data-Portals
Nutzungsintensität und Nutzungszufriedenheit der verschiedenen Angebote

Wirkungsebene und -indikatoren:

Wissenserweiterung über (mikro-)klimatische Verhältnisse und Zusammenhänge im Stadtgebiet
verändertes Verhalten der Verwaltung (klimasensible Stadtplanung), verändertes Gesundheits- und Umweltverhalten der Bevölkerung
veränderte Interessenlage der Stadtgesellschaft, zum Beispiel demokratische Teilhabe (bei Klimathemen)
Gesundheit
allgemeine Lebenszufriedenheit
Belastung der sozialen Infrastruktur
Luftqualität
Veränderung im Baumbestand
extremwetterbedingte Sach- und Personenschäden
CO₂-Austoß
Existenzgründungen
BIP/Capital

Entwicklung und Umsetzung

Prozessschritte

Klimamessnetz konzipieren:

Datengrundlage zusammentragen
Datenanforderungen definieren (Welche Daten sollen erhoben werden?)
Standorte identifizieren und örtliche Rahmenbedingungen berücksichtigen (mehrstufiges Standortauswahlverfahren)
Technik und Sensoren-Typen bestimmen
Kostenkonzept erstellen (ideale vs. reale Zielvorstellungen)

Grundlage schaffen:

Akteure zusammenbringen, Partner gewinnen (zum Beispiel Klimatologen)
digitales Stadtklimamodell und Server aufbauen (zum Beispiel FITNAH-3D)
aus vorhandenen Basisdaten das Stadtmodell berechnen beziehungsweise modellieren lassen

Technik und Sensorik:

Technik inklusive Sensorik ausschreiben
Dienstleister beauftragen

Messnetz:

Genehmigungen einholen
Messtandorte ausstatten, Sensoren aufbauen
Daten kalibrieren
Datenqualitätssicherung und Validierung durchführen

Klimamodell:

FITNAH-3D als Grundlage
erhobene Klimadaten einbinden
städtebauliche Daten aktualisieren
Visualisierung der eingebundenen beziehungsweise erhobenen Klimadaten erweitern
Open-Data-Stellung der Daten erweitern

Governance

Im Zuge des Modellprojekts Smart City gründete der Stadtkonzern ein Tochterunternehmen: die Smart City Mannheim GmbH. Als Gemeinschaftsunternehmen der städtischen Holding MKB Mannheimer Kommunalbeteiligungen GmbH und der MVV Energie AG koordiniert es die Smart-City-Maßnahmen.

Enge Zusammenarbeit gibt es mit dem Fachbereich „Klima, Umwelt, Natur“ mit den Bereichen „Klimaschutz / Immissionsschutz“, der „Klimaschutzagentur Mannheim gGmbH / Local Green Deal Mannheim“ sowie dem Eigenbetrieb „Stadtraumservice Mannheim“, der die Bereiche „Planung und Bau“, „Grünflächen“, „Straßenbetrieb und -reinigung“ bündelt. Außerdem ist der Fachbereich „Geoinformation / Stadtplanung“ eingebunden, ebenso wie die Abteilungen und Bereiche „Städtentwässerung“, „Bau- und Immobilienmanagement / Denkmalschutz“, „Feuerwehr und Katastrophenschutz“. Im direkten Austausch mit den verwaltungsinternen Beteiligten konnte eine zielführende Nutzung der Klima- und Umweltdaten sowie der zukünftige Umgang mit dem Mikroklimamodell abgestimmt werden.

Bei der Konzipierung und Umsetzung des Klimamessnetzes und der Klimadatenanalysen ließ sich die Smart City Mannheim GmbH von einem freiberuflichen Klimatologen beraten. Die enge fachliche Zusammenarbeit ist ein Grund für die Qualität des Klimamessnetzes. An der Umsetzung und Programmierung des Mikroklimamodells war ein externer Partner (GEO-NET Umweltconsulting GmbH) beteiligt, ebenso war ein Dienstleister für die Montage der Sensorik beauftragt. Technischer Partner ist MVV Energie AG.

Kosten bei Beschaffung

	Personalkosten / alternativ Personentage	Sachkosten	Investive Kosten (netto)
Anschaffung (bisher)¹	380	250.000⁴ €	750.000 €
Anschaffung (bis Abschluss)²	40	40.000 €	600.000 €
Betrieb³	16	60.000 € per annum

¹Sensorik, Montagematerial und Montagekosten für das Klimamessnetz mit „Klimasensoren“ und das Niederschlagsmessnetz. Projektleitung = Personentage.

²Hängt unter anderem von den Nachverdichtungen aufgrund von Anfragen und Projekten der Stadtverwaltung ab. Grobe Schätzung +/- 600.000 € (netto).

³anteilig Datenplattform- / LoRaWAN-Nutzung, Mobilfunkkosten und Vorortwartung / Reparatur. Hierbei entfällt der überwiegende Teil bis zu 80 % auf die Datenplattform und die Datenübertragung (auch Mobilfunkkosten). Ansatz für ein Jahr. Personentage (Projektleitung / intern) und Sachkosten mangels Erfahrungswerte geschätzt.

⁴Abstimmungsgespräche, Schnittstellenerstellung, Einbindung der Technik in Datenplattform, Decoder, etc.

Partizipation und Kommunikation

Zu Beginn des Projektes gab es Vortragsveranstaltungen, bei denen die geplante Maßnahme den Bürgerinnen und Bürgern präsentiert und mit ihnen diskutiert wurde.

Insbesondere den Aufbau und den Einsatz des Klimamessnetzes begleitet Mannheim mit verschiedenen Formaten der Öffentlichkeitsarbeit, um die Stadtgesellschaft über Sinn und Zweck der Messungen zu informieren. Die Kampagne „Schau mal nach oben“ führt per Aufkleber mit QR-Codes an den Messstandorten zu einer Webseite, die Informationen über die Funktionalität, Art der Sensoren und das Klimamessnetz bietet. Allgemein nutzt Mannheim verschiedene Kanäle wie die Projektwebseite, einen Newsletter und den LinkedIn-Account der Stadt, um über die Entwicklung des Klimamessnetzes zu kommunizieren. Darüber hinaus nimmt das Smart-City-Team Mannheim an Stadt- und Bürgerfesten teil, um dort niederschwellig in den Austausch über die Maßnahme zu kommen.

Neben informativen Formaten setzt Mannheim auch auf partizipative Ansätze: Über das Beteiligungsportal Mannheim-gemeinsam-gestalten kann sich die Bürgerschaft online einbringen. Ergänzend organisiert das Smart-City-Team Workshops mit verschiedenen Bürgergruppen, um die Datenvisualisierung an den Bedürfnissen der Zivilgesellschaft auszurichten. Auch einzelne Fachbereiche, unter anderem die Abteilung „Klimaschutz“, beziehen Bürgerinnen und Bürger aktiv mit ein – etwa bei der GIS-basierten Lokalisierung von Hot- und Coldspots in der Stadt. Die Rückmeldungen aus diesen Prozessen fließen dank der engen Zusammenarbeit der relevanten Bereiche der Stadt Mannheim auch in den Abgleich und in mögliche Erweiterungen des Klimamessnetzes ein.

Technische Infrastruktur

Übertragungstechnik:

LoRaWAN-Übertragungsnetz
Mobilfunknetz für Niederschlagsgeber
optional Glasfaser denkbar

Stromtechnik:

Solar + Batterie (bei LoRaWAN-Sensorik)
Stromversorgung bei Niederschlagsgeber

Sensorik:

Lufttemperatur / -feuchte in Einheit mit Strahlenschutzhütte, passiv belüftet
Windmesser (Windgeschwindigkeit / -richtung)
Niederschlagsgeber (nicht LoRaWAN basiert)
Infrarot-Oberflächen-Sensorik
Bodentemperatur / -feuchte
Globe Thermometer (zukünftig geplant)

Die Datenplattform der Smart City Mannheim GmbH stellt die Daten bereit, verarbeitet und visualisiert sie (Umweltdatenplattform). Die Grundlage der Datenplattform ist die MVV-Datenplattform, die auf Open-Source-Komponenten und selbst geschriebenen Komponenten basiert. Die im Rahmen der Förderung (weiter-)entwickelten Komponenten werden unter AGPL-Lizenz gestellt. Die Programmierung des Mikroklimamodells erfolgt als Open-Source-Code. Mittels selbstlernender Algorithmen in Anlehnung an das MOSMIX-Verfahren (Model Output Statistics-MIX) lässt sich die Genauigkeit der Prognosen kontinuierlich verbessern.

Datengrundlagen

Bereits vor Beginn des Projektes gab es eine Stadtklimaanalyse Mannheims, in der das FITNAH 3D-Modell Basisdaten nutzte, wie die digitale Oberflächen-, Vegetations- sowie Geländemodelle der Stadt und des Umlandes, das 3D-Stadtmodell, Daten zu versiegelten Flächen und Grünflächen sowie die Bebauungspläne für die zukünftige Stadtentwicklung.

Um die Sensorik und Messdaten des Klimamessnetzes zu kalibrieren, wurden anfangs bestehende Klimamessstandorte Dritter (unter anderem Stadtverwaltung, Deutscher Wetterdienst) mit eigener Sensorik ergänzend ausgestattet und die parallelen Datenerhebungen vergleichend verwendet.

Mittlerweile erfasst die Sensorik des Klimamessnetzes Klimadaten, wie Niederschlagsmenge /-intensität (l/m2 beziehungsweise mm), Luftfeuchtigkeit (g/mᵌ), Lufttemperatur (°C), Windrichtung (°) und Windgeschwindigkeit (m/s), Globalstrahlung (W/m²) sowie Oberflächentemperatur (°C). Die Messqualität und Messgenauigkeit der Daten orientieren sich an den Richtlinien der World Meteorological Organization. Die Datensätze werden als offene Daten täglich bereitgestellt. In die Datenplattform fließen zusätzlich Daten zu Bodenfeuchtigkeit und -temperatur aus der Maßnahme „Grünflächenmanagement“ ein.

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