Observing the impact of soils on local urban climate

Abstract

The investigations in this study reveal that soils and shallow groundwater tables contribute to the formation of a specific local urban climate.

The climate in cities differs from that in surrounding areas, as the natural energy and moisture balances are influenced by the modified surfaces. Furthermore, urban soils are highly variable within small spatial scales and feature anthropogenic alterations. Whether this variability contributes to the formation of the distinct local urban climate at the micro scale was to be observed within this study. Focus lay on soil hydrology and groundwater table depth and their contribution to evapotranspiration. This issue was approached by designing and operating a measurement network which provided long-term data on urban pedological and meteorological parameters. It covered three distinct land use types: the suburban types "green space" and "housing area", located within two districts with different mean groundwater table depths and characteristic urban soil properties, and the inner city type “sealed surface”.

It is found for the years 2011 and 2012 that the temporal evolution of water content and soil water tension for the sites is very distinct, related to soil substrate, organic matter content and groundwater table depth. Impacts of different vegetation types on the soil water dynamics can be identified, while the influence of urban land use is not found to be definite. The effect of intensive precipitation events on soil water content and tension varies in temporal endurance, infiltration and percolation depth. Three types of seasonal topsoil moisture trends are identified, for which a close relation to soil characteristics is ascertained. On shorter timescales, during a three-week dry phase the upper 40 cm of soils at the suburban district with a deep groundwater table lose 35 % of the plant-available water capacity, while at the shallow groundwater table district this amount decreases by only 10 %. This signifies an impact of groundwater table depth on the water content of the upper soil layers during low precipitation periods.

The observed average nocturnal urban heat island is +1.7 K at the city core, +0.7 K at the deep groundwater table suburban housing area and +0.3 K at the nearby green space. The effect is most prominent when wind speed is low and sky is only partly cloudy. In mean daytime air temperature for the inner city sites positive differences arise in the order of less than a fifth of the observed nighttime urban heat island effect. No evidence for a significant impact of topsoil moisture on the nighttime urban heat island is found. For the daytime span of air temperature 11 to 17 % of its variance is found to be explained by topsoil water content for selected relevant days.

The magnitude of turbulent latent heat fluxes above a suburban district with housing development shows major differences within the vegetation period. The phenological cycle is mirrored in the annual progression of the evaporative fraction. Near-surface flux measurements at a green space show a less defined amplitude and less scatter. Differences in the share of latent heat fluxes on the evaporative fraction can, to some part, be attributed to the surface characteristics and land use of source areas.

Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass Böden und geringer Grund wasserflurabstand zur Ausformung eines spezifischen lokalen Stadtklimas beitragen.

Das Klima in Städten unterscheidet sich von dem in den umliegenden Gebieten, da die natürlichen Energie- und Feuchtebilanzen von den modifizierten Oberflächen beeinflusst werden. Darüber hinaus sind städtische Böden kleinräumig stark unterschiedlich und weisen anthropogene Überprägungen auf. Ob diese Variabilität zur Formierung des lokal unterschiedlichen Stadtklimas auf der Mikroskala beiträgt, war in dieser Arbeit zu untersuchen. Der Fokus lag auf der Bodenhydrologie und dem Grundwasserflurabstand sowie deren Beitrag zur Evapotranspiration. Diesem Thema wurde sich mittels der Konzipierung und des Betriebs eines Messnetzwerks angenähert, welches Langzeitmessungen zu städtischen bodenkundlichen und meteorologischen Parametern lieferte. Es umfasste drei verschieden Landnutzungstypen: die randstädtischen Typen „Grünfläche“ und „Wohngebiet“, gelegen innerhalb zweier Stadtteile mit unterschiedlichen Grundwasserflurabständen und stadtcharakteristischen Bodeneigenschaften, sowie den innerstädtischen Typ „versiegelte Oberfläche“.

Für die Jahre 2011 und 2012 wird festgestellt, dass der zeitliche Verlauf von Wassergehalt und Bodenwasserspannung für die Standorte sehr unterschiedlich ist, abhängig von Bodensubstrat, Gehalt an organischer Substanz und Grundwassertiefe. Einflüsse von verschiedenen Vegetationsarten auf den Verlauf des Bodenwasserhaushalts können beobachtet werden, während eine Beeinflussung durch städtische Landnutzung nicht deutlich wird. Der Effekt von Starkregenereignissen auf den Bodenwassergehalt und die Wasserspannung variiert in zeitlicher Dauer, Infiltration und Tiefe der Perkolation. Drei Arten von saisonalen Verläufen der Oberbodenfeuchte werden ermittelt, für welche ein enger Zusammenhang zu Bodencharakteristika festgestellt wird. Für einen kürzeren Zeitraum, während einer dreiwöchigen Trockenphase, betrachtet, verlieren die oberen 40 cm der Böden im Stadtteil mit einem tiefen Grundwasserstand 35 % der pflanzenverfügbaren Wasserkapazität, während dieser Anteil im Stadtteil mit einem hohen Grundwasserstand nur um 10 % sinkt. Dies weist auf einen Einfluss von Grundwasserflurabstand auf den Wassergehalt der oberen Bodenbereiche während Phasen mit geringem Niederschlag hin.

Die beobachtete mittlere nächtliche städtische Überwärmung beträgt +1.7 K im Stadtkern, +0.7 K im Wohngebiet des Stadtteils mit tiefen Grundwasser und +0.3 K auf der nahegelegenen Grünfläche. Der Effekt ist am deutlichsten, wenn die Windgeschwindigkeit gering und der Himmel nur teilweise bewölkt ist. An den innerstädtischen Standorten treten positive Abweichungen der mittleren Tagestemperatur in Höhe von weniger als einem Fünftel des beobachteten nächtlichen Wärmeinseleffekts auf. Es findet sich kein Hinweis auf einen signifikanten Einfluss von Oberbodenfeuchte auf die nächtliche Wärmeinsel. Für die Spannweite der Lufttemperatur während des Tages wird eine Erklärbarkeit ihrer Varianz durch den Oberbodenwassergehalt von 11 bis 17 % für ausgewählte relevante Tage gefunden.

Die Größenordnung der turbulenten latenten Wärmeflüsse über einem randstädtischen Gebiet mit Wohnbebauung zeigt innerhalb der Vegetationsperiode wesentliche Unterschiede. Der phänologische Zyklus der Vegetation spiegelt sich im Jahresverlauf der Evaporative Fraction (Verdunstungsanteil) wieder. Bodennahe Flussmessungen auf einer Grünfläche zeigen eine weniger deutlich ausgeprägte Amplitude und weniger Streuung. Unterschiede im Anteil der latenten Wärmeflüsse an der Evaporative Fraction können teilweise den Oberflächencharakteristika und der Landnutzung der Ursprungsgebiete zugeschrieben werden.