Ein simulationsbasierter Ansatz zur Analyse der Oberflächentemperatur in städtischen Gebieten

 

Mathematik  |  Informatik

 

Laurin Seeholzer, 2005 | Emmenbrücke, LU

 

Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit, die Oberflächentemperatur in urbanen Gebieten mittels einer Computersimulation zu analysieren. Ein Computermodell bietet die Möglichkeit, mittels der Simulation stark betroffene Regionen zu identifizieren und auf entsprechende, meist finanziell aufwändige Messungen zu verzichten.

Mit der Programmiersprache JavaScript wurde ein Computermodell entwickelt, welches

Solarstrahlung, Evapotranspiration, Wärmediffusion, Wärmekonvektion und den Wärmeverlust durch Strahlung berücksichtigt. Mittels des entwickelten Computermodells wurde ein Testszenario simuliert und entsprechende Wärmekarten generiert. Diese Wärmekarten wurden anschliessend mit tatsächlich gemessenen Wärmekarten des Simulationsgebiets verglichen.

Der Vergleich zeigte, dass das Modell unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften verschiedener Oberflächen eine realistische Verteilung der Oberflächentemperatur erzielen kann. Es ist zu erwähnen, dass das Modell nicht in der Lage ist, konkrete Temperaturwerte korrekt zu simulieren. Des Weiteren wurde aus der Analyse der Resultate ersichtlich, dass das Modell sehr stark von der Feinabstimmung und Gewichtung der einzelnen Parameter abhängig ist.

Fragestellung

Wie kann ein präzises und effektives Computermodell zur Simulation der Oberflächentemperatur in städtischen Gebieten entwickelt werden, das wichtige Faktoren wie Solarstrahlung, Wärmekonvektion, Evapotranspiration, Wärmediffusion und Wärmestrahlung berücksichtigt?

Methodik

Ein in JavaScript entwickeltes Computermodell simuliert die Oberflächentemperatur in städtischen Gebieten unter Berücksichtigung von Solarstrahlung, Wärmekonvektion, Evapotranspiration, Wärmediffusion und Wärmestrahlung. Der dreidimensionale Simulationsraum wird als diskretisiertes Gitternetz modelliert, in dem eine Hauptschleife iterativ Temperaturveränderungen berechnet.
Als Testszenario diente ein 200 × 200 m grosses Stadtgebiet in Parramatta, Australien. Durch die Konfiguration des Voxelmodells und der Materialeigenschaften konnten Wärmekarten generiert werden. Die Modellgüte wurde durch visuelle Vergleiche mit Messdaten, die Analyse von Differenzkarten und eine statistische Auswertung der Ergebnisse beurteilt.

Ergebnisse

Durch eine visuelle Gegenüberstellung der Simulationsresultate und Messdaten wurde festgestellt, dass bestimmte Gras- und Wiesenflächen in Relation mit dem restlichen Simulationsgebiet zu hohe Temperaturen aufwiesen. Die Messdaten zeigen eine diffuse Wärmekarte. Im Gegensatz dazu weist das Simulationsresultat eine detailliertere Karte mit scharfen Kanten und kleinen Hoch- und Tiefpunkten auf. Diese Beobachtungen bestätigte auch die Differenzkarte.

Das Temperatur-Zeit-Diagramm zeigte divergierende Maximal- und Minimaltemperaturen. Die mittlere absolute Abweichung betrug 8.36 Grad Celsius und die Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung 9.80 Grad Celsius. Der Pearson-Korrelationskoeffizient von 0.695 weist auf eine deutlich positive Korrelation zwischen den Messdaten und dem Simulationsresultat hin.

Diskussion

Die erzeugte Wärmekarte zeigte, dass das Computermodell einen groben Überblick über die Wärmeverteilung in einem städtischen Gebiet liefern kann. Der Pearson-Korrelationskoeffizient bekräftigte eine klare positive Korrelation zwischen dem Simulationsergebnis und den Messdaten. Das Temperatur-Zeit-Diagramm zeigte jedoch, dass das Modell aufgrund divergierender Maximal- und Minimaltemperaturen keine exakten Temperaturen vorhersagen kann. Zudem wiesen die zu warmen Gras- und Wiesenflächen darauf hin, dass das Simulationsergebnis stark von der Feinabstimmung der Eingangsparameter, wie z. B. Materialeigenschaften, abhängt.

Es wurde deutlich, dass die Diskretisierung des Raums sowie die Vereinfachung vieler Phänomene einen grossen Einfluss auf die Validität des Modells haben. Auch die Konfiguration der Simulation birgt Fehlerquellen, da das Voxel-Modell auf Satellitenbildern basiert und für Windgeschwindigkeit sowie Luftfeuchtigkeit statische Werte angenommen wurden.

Schlussfolgerungen

Während das Modell noch Optimierungspotenzial hat, unterstreichen die Ergebnisse dessen Relevanz und das Potenzial für weiterführende Forschung zur Verbesserung der Genauigkeit. Die Arbeit legt eine solide Grundlage für simulationsbasierte Analysen und bietet ein nützliches Werkzeug für Stadtplaner und Bauexperten. Durch flexibel anpassbare Eingangsparameter ermöglicht das Modell eine gezielte Untersuchung städtischer Temperaturverteilungen und unterstützt nachhaltige Stadtentwicklungsstrategien.

 

 

Würdigung durch den Experten

Guido De Bonfioli Cavalcabo›

This project uses a JavaScript-based computer model to simulate micrometeorological conditions and estimate surface temperatures in urban areas. The topic is highly relevant and an open research question for developing strategies toward more resilient cities. While the model would benefit from more validation with real-world data and improved input parameters, and some modelling strategies need to be refined or automated, the student’s effort is clear. Despite limited resources, this work provides a solid starting point for developing a more robust and reliable model.

Prädikat:

sehr gut

Sonderpreis «Grundlagen der Metrologie» gestiftet vom Eidgenössischen Institut für Metrologie METAS

 

 

 

Kantonsschule Reussbühl
Lehrer: Daniel Zurmühle