Frankfurt am Main im Klimawandel - eine Untersuchung zur städtischen Wärmebelastung

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

eine Untersuchung zur städtischen Wärmebelastung

Ziel der Untersuchung war es, auf der Basis von Projektionen regionaler Klimamodelle die Auswirkungen des Klimawandels für detaillierte Stadtstrukturen aufzuzeigen. Mit Hilfe der am Beispiel Frankfurt/Main entwickelten sogenannten "Quadermethode" 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

ein Ergebnisbericht

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

Efficient Novel Approaches for the Calculation of Molecular Response Properties : Second-Order Many-Body Perturbation and Double-Hybrid Density Functional Theory

This thesis reports on an efficient implementation of first- and second-order derivatives for non-variational wave functions used for the calculation of molecular properties in a linear response framework. Since, the accurate quantum chemical description of second-order molecular properties is strongly limited by the size of the system, a reliable method, which can be routinely applied from medium-sized to large molecular compounds is desirable. Inspired by the excellent performance of the recently developed double-hybrid density functionals for energetics, thermodynamics and electron spin resonance hyperfine coupling tensors, this work focused on the efficient implementation of second derivatives for these 'fifth rung' functionals. Density functionals of the 'fifth rung' include non-local correlation by involving virtual Kohn-Sham molecular orbitals. In double-hybrid functionals part of the semi-local correlation introduced by a gradient corrected exchange correlation functional is replaced by nonlocal, orbital-dependent dynamic correlation by second-order Moller-Plesset (MP2) perturbation theory. Therefore, the theory of second derivatives with respect to imaginary (magnetic) and real (electric) perturbations for non-variational wave functions has been rederived and extended to the use of the popular 'Resolution of the Identity' approximation. The first derivation of second double-hybrid functional derivatives within the 'density fitting' approach is presented. Besides numerical results for static polarizabilities, chemical shifts and electronic g-tensors, a benchmark study on a fairly large system with an extended basis set (~1400 basis functions) employing the recently developed RIJCOSX approximation is presented in this thesis. Such a calculation is performed within a few days of computer time. We are not aware of any other method beyond self-consistent field theory (Hartree-Fock, density functional theory) that can routinely applied to molecules of dimension. MP2 is well known as the simplest ab initio method, that accounts for dynamic correlation effects. Besides its plenty advantages MP2 often fails for complicated electronic structures. The reason could be attributed to the poor reference wave function, which is usually of Hartree-Fock quality. A new Ansatz has been derived based on the well-known Hylleraas functional, which minimizes the total energy with respect to the molecular orbital coefficients and the double excitation amplitudes. Consequently, the molecular orbitals can relax in the presence of the dynamic correlation field. This orbital-optimized MP2 method has shown to provide drastically improved energetics compared to the canonical MP2 method. Furthermore, the calculated electron spin resonance hyperfine coupling tensors have almost been of the same quality as what can be achieved with the more rigorous Coupled-Cluster Singles Doubles (CCSD) method, but with substantially less computational effort. The orbital-optimized MP2 method is characterized as an iterative O(N5) procedure, whereas CCSD scales with O(N6) per iteration. The formalism of the orbital-optimized MP2 method has, also for the first time, been extended for the calculation of first- and second-order properties

Optimising the relative entropy under semi definite constraints -- A new tool for estimating key rates in QKD

Finding the minimal relative entropy of two quantum states under semi definite constraints is a pivotal problem located at the mathematical core of various applications in quantum information theory. In this work, we provide a method that addresses this optimisation. Our primordial motivation stems form the essential task of estimating secret key rates for QKD from the measurement statistics of a real device. Further applications include the computation of channel capacities, the estimation of entanglement measures from experimental data and many more. For all those tasks it is highly relevant to provide both, provable upper and lower bounds. An efficient method for this is the central result of this work. We build on a recently introduced integral representation of quantum relative entropy by P.E. Frenkel and provide reliable bounds as a sequence of semi definite programs (SDPs). Our approach ensures provable quadratic order convergence, while also maintaining resource efficiency in terms of SDP matrix dimensions. Additionally, we can provide gap estimates to the optimum at each iteration stage

Hierarchies for Semidefinite Optimization in C⋆\mathcal{C}^\star-Algebras

Semidefinite Optimization has become a standard technique in the landscape of Mathematical Programming that has many applications in finite dimensional Quantum Information Theory. This paper presents a way for finite-dimensional relaxations of general cone programs on $\mathcal{C}^\star$-algebras which have structurally similar properties to ordinary cone programs, only putting the notion of positivity at the core of optimization. We show that well-known hierarchies for generalized problems like NPA but also Lasserre's hierarchy and to some extend symmetry reductions of generic SDPs by de-Klerk et al. can be considered from a general point of view of $\mathcal{C}^\star$-algebras in combination to optimization problems

Edutainment - as a way of differentiated instruction? Reconstruction of an inclusive history lesson

Wie fachliche Vermittlungsprozesse in inklusiven Klassen im Schulalltag umgesetzt werden, wurde trotz der Relevanz dieser Frage für Theorie und Praxis bislang selten untersucht. Anhand einer Doppelstunde Geschichtsunterrichts in einer stark heterogenen, achten Klasse einer integrierten Gesamtschule konnte sequenzanalytisch ein didaktisches Muster rekonstruiert werden, das als inklusiv zu bezeichnen ist und zugleich fachlichen Ansprüchen genügt. Obwohl keine digitalen Medien zum Einsatz gekommen sind, mutet das vorgefundene didaktische Handeln wie eine interaktive Geschichtsdokumentation an. Es drängen sich tieferliegende Gemeinsamkeiten von Didaktik und Programmierung auf, die die Wahrnehmung von digitalisierungsbezogenen Innovationen schulischen Unterrichts schärfen dürften. (DIPF/Orig.)The realisation of subject-related processes in everyday inclusive lessons has been rarely investigated so far, even though the relevance of this topic for theory and practice is unquestioned. A didactic pattern could be reconstructed by sequence analysis that can be described as inclusive and simultaneously meets subject-specific demands based on a two-hour history lesson in a comprehensive school\u27s highly heterogeneous eighth-grade class. Although no digital media were used, the found practice reminds of interactive history documentation. There are deeper commonalities between didactics and programming, which should sharpen the perception of digitalisation-related innovations in school lessons. (DIPF/Orig.

When perception is stronger than physics: Perceptual similarities rather than laws of physics govern the perception of interacting objects

When several multistable displays are viewed simultaneously, their perception is synchronized, as they tend to be in the same perceptual state. Here, we investigated the possibility that perception may reflect embedded statistical knowledge of physical interaction between objects for specific combinations of displays and layouts. We used a novel display with two ambiguously rotating gears and an ambiguous walker-on-a-ball display. Both stimuli produce a physically congruent perception when an interaction is possible (i.e., gears counterrotate, and the ball rolls under the walker’s feet). Next, we gradually manipulated the stimuli to either introduce abrupt changes to the potential physical interaction between objects or keep it constant despite changes in the visual stimulus. We characterized the data using four different models that assumed (1) independence of perception of the stimulus, (2) dependence on the stimulus’s properties, (3) dependence on physical configuration alone, and (4) an interaction between stimulus properties and a physical configuration. We observed that for the ambiguous gears, the perception was correlated with the stimulus changes rather than with the possibility of physical interaction. The perception of walker-on-a-ball was independent of the stimulus but depended instead on whether participants responded about a relative motion of two objects (perception was biased towards physically congruent motion) or the absolute motion of the walker alone (perception was independent of the rotation of the ball). None of the two experiments supported the idea of embedded knowledge of physical interaction

Facing the Faceless - On the Determinants and Effectiveness of Social Capital in the Labour Market

Recruitment, which is the attraction and selection of qualified employees, is one of the major challenges of firms. In practice, both employers and employees lack relevant information about each other at the risk of a poor person-organisation (P-O) and/or person-job (P-J) fit. To overcome these mutual information asymmetries, labour market participants could utilise their social capital in the form of personal contacts to fill vacancies or find new jobs. In analogy to the concept of human capital as the embodiment of knowledge in an individual, Coleman (1988) defines social capital as the “structure of relations between actors and among actors”. Social capital could therefore serve as a superior means in the job search or recruitment process for both sides of the labour market compared to other search channels (e.g. printed or online adverts, employment agencies). Albeit empirical research has addressed the relation between post-hire outcomes and recruitment channels, there are certain gaps in the literature this dissertation aims to fill. Based on data on the German labour market derived from the Socio-Economic Panel (SOEP), this dissertation investigates the following aspects: First, determinants of recruitment channel usage are analysed. Second, outcomes of finding a job through social ties, e.g. wages, job satisfaction, and turnover, are investigated. Third, these two steps are integrated into one model to account for selection effects since finding a job through a given channel is unlikely to be random. In addition to this, it is elucidated whether personality traits (Big Five, locus of control, reciprocity) affect finding a job via social ties as well as post-hire outcomes. Fourth, search effort and outcomes of this search of unemployed job seekers is investigated. Finally, leisure time activities are interpreted as determinants of social capital generation and labour market outcomes of these activities are estimated