Eine städtische Wärmeinsel (urban heat island, kurz UHI) ist ein typisches Merkmal des Stadtklimas. Sie wird durch die Lufttemperaturdifferenz zwischen der meist wärmeren Stadt und ihrem kühleren Umland charakterisiert. Die städtische Wärmeinsel erreicht ihr Maximum bei wolkenfreien und windschwachen Wetterbedingungen während der Nacht. Dies ist insbesondere während sommerlicher Hitzeepisoden (Hochdruckwetterlagen) der Fall. Tagsüber sind die Unterschiede in der Lufttemperatur zwischen Stadt und Umland geringer. Deshalb ist die Anzahl der Heißen Tage nur wenig erhöht, während die Anzahl der Tropennächte in Städten deutlich höher als im Umland ist.
Die städtische Wärmeinsel kann in großen Städten und Ballungsgebieten bis zu 10 Kelvin betragen. Die mittlere Wärmeinselintensität (mittleres tägliches Maximum) liegt bei den meisten deutschen Städten zwischen 2 und 4 Kelvin.
Die Lufttemperatur in Städten und damit der städtische Wärmeinseleffekt hängt stark von der Gebäudegeometrie, den thermischen Eigenschaften der Bausubstanz, den Strahlungseigenschaften der Oberflächen und der anthropogenen Wärmefreisetzung, zum Beispiel durch Hausbrand, Verkehr und Industrie ab.
Vegetation insbesondere Bäume und Sträucher und natürlicher Boden, die normalerweise einen kühlenden Effekt auf die Umgebung haben, fehlen in der Stadt. An ihre Stelle treten stark versiegelte Flächen, die den gefallen Niederschlag nicht speichern, sondern oberirdisch ableiten. Weder der Schatten der Bäume noch die Kühlung durch die Verdunstung können dann die notwendige Abkühlung für die Stadtbewohner bringen.
Die Auswirkungen der städtischen Wärmeinsel sind vielfältig. Vor allem die fehlende nächtliche Abkühlung kann sich negativ auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der Stadtbevölkerung auswirken. Bei den erhöhten nächtlichen Temperaturen in der Stadt, die oft auch kritische Schwellen wie die Tropennacht überschreiten, kann sich der menschliche Körper während des Schlafes kaum noch erholen. Dies kann in der Folge zu sinkender Konzentrationsfähigkeit und Unfällen führen. In den Sommermonaten erhöht sich für die Stadtbewohner die Gefahr für Hitzestress. Vor allem ältere Menschen, Menschen mit Vorerkrankungen, zum Beispiel des Herzkreislaufsystems, und Kleinkinder können sich häufig nur unzureichend an die erhöhte Wärmebelastung anpassen.
Während Hitzeepisoden führt die höhere Lufttemperatur in Städten durch den vermehrten Einsatz von Kühlsystemen und Klimaanlagen zu einem erhöhten Energieverbrauch verbunden mit steigenden Energiekosten. Gleichzeitig wird die Abwärme der Klimageräte in den Straßenraum abgeführt und heizt so die Stadt weiter auf.
Die städtische Wärmeinsel setzt sich bei Langzeiteinwirkung im Untergrund (Boden, Grundwasser) fort. Demzufoge kann der Untergrund in innerstädtischen Bereichen einige Grade höher sein als im Umfeld.
Der thermische Einfluss einer Stadt zeigt sich also auch unter der Erdoberfläche. Über Jahrzehnte hinweg haben verschiedene Faktoren wie Gebäudekeller, Tunnel, Tiefgaragen, Abwassersysteme, Nahwärmenetze und Geothermieanlagen, welche in den Sommermonaten zur Kühlung genutzt werden, kontinuierlich Wärme in den Untergrund eingebracht.
Als Folge finden sich heute unter den meisten Stadtgebieten ausgedehnte Temperaturanomalien. Solche „Urbanen Wärmeinseln im Untergrund“ (subsurface urban heat islands, SUHIs) wurden bisher vor allem in gemäßigten und kalten Klimazonen beschrieben. Menberg et al. (2013) haben die oberflächennahen Untergrundtemperaturen in sechs deutschen Städten untersucht und stellten eine Erwärmung von 2 bis 6 K zwischen Untergrundtemperaturen im Stadtzentrum und dem ländlichen Umland fest. Die Temperaturanomalien erstrecken sich sowohl lateral als auch vertikal in die Tiefe, und haben oft ein stark ausgeprägtes Maximum in den zentralen Bereichen einer Stadt.
Aktuell (2024) läuft zu diesem Thema ein Projekt, welches die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der urbanen Wärmeinsel der Stadt Köln behandelt. Über numerische und analytische Modellrechnungen werden in dem Projekt die zeitliche Entwicklung seit den 1970er Jahren bis heute abgebildet, um zukünftige Entwicklungen bestimmen zu können. Seit den 1970er Jahren hat sich die Temperatur im Stadtzentrum Kölns um mehr als 3 K erhöht, wo hingegen die Temperatur im ländlichen Raum im Mittel um 1 K angestiegen ist. Verglichen mit dem beobachteten Trend in Luft- und Landoberflächentemperaturen von 0,2 bzw. 0,1 K pro Dekade, zeigt sich sogar eine noch stärkere Erwärmung in den oberflächennahen Schichten seit den 1970er Jahren von im Mittel 0,3 K in zehn Temperaturerhöhungen des Untergrunds können Auswirkungen auf die Grundwasserqualität und den chemischen Stoffhaushalt haben (Brielmann et al., 2009). So begünstigen höhere Temperaturen die mikrobielle Aktivität und chemische Lösungsprozesse. Dies ist vor allem für Städte wichtig, in denen Trinkwasser direkt im Stadtgebiet gewonnen wird, wie beispielsweise in Berlin. Erhöhte Grundwassertemperaturen bedeuten aber auch ein erhöhtes Potential für die Nutzung oberflächennaher Geothermieanlagen zur Wärmeerzeugung (Zhu et al., 2010). Dem entgegen steht die thermische Nutzung des Untergrundes in den Sommermonaten als eine effiziente und klimafreundlichere Alternative zu Klimaanlagen zur Kühlung von Gebäudekomplexen.
Oft werden geothermische Systeme auch für beide Anwendungen betrieben, um ganzjährig Gebäude zu klimatisieren. Eine geregelte Nutzung des städtischen Untergrunds als Wärmespeicher kann deshalb einen Beitrag zur Energiewende und zur Einhaltung der Klimaschutzziele des Pariser Klimaabkommens leisten.
Um möglichst langfristige städtische Nutzungsszenarien zu entwerfen, reicht jedoch das bestehende Wissen zur dynamischen Entwicklung von SUHIs nicht aus. So wissen wir bis heute zu wenig über die zeitliche Entwicklung der Temperaturen im städtischen Untergrund, um die zukünftige räumliche Ausbreitung über Jahrzehnte prognostizieren zu können. Dies wird erschwert durch die Überprägung der vom Mensch verursachten Temperaturanstiege, durch saisonale Schwankungen und den Klimawandel, der sich auch im Untergrund widerspiegelt.
Das Grundwasser ist in vielen Regionen Wiens einige Grad wärmer als im Umland. Für den „Urban-Heat-Island-Effekt“ gibt es laut Steiner zwei Gründe: erstens die höhere Lufttemperatur, weil sich Straßen und Gebäude stärker aufheizen, und „zweitens erwärmt die umfangreiche Untergrundinfrastruktur das Grundwasser, zum Beispiel U-Bahn- und Straßentunnel, Parkgaragen, Kanalsysteme, Fernwärmeleitungen und reine Kühlanwendungen der Geothermie“.
Der Mittelwert aller 800 Messstellen lag bei der Messung im April eines Jahres bei 13 Grad Celsius und im Oktober bei 15 Grad Celsius. Der Temperaturunterschied des Grundwassers zwischen versiegelten und nicht versiegelten Gebieten beträgt im Jahresdurchschnitt ungefähr vier bis sechs Grad.
Die Erwärmung ändert zum einen die biologische und chemische Qualität des Grundwassers und wirkt sich zum anderen auf Anwendungen wie die Geothermie aus, die in Wien aktuell nur im Bereich von fünf bis 18 Grad Celsius erlaubt ist. Eine weitere Erwärmung könnte daher hier zu Einschränkungen führen. Mittlerweile werden in Wien keine Anlagen genehmigt, die nur der Kühlung dienen, um eine zu starke Erwärmung des Grundwassers zu vermeiden. Anlagen nur zum Heizen oder Anlagen bei denen das Heizen energetisch überwiegt tragen tendenziell zur Verbesserung der Situation bei.
Durch den Klimawandel wird großflächig das Grundwasser, auch bis zu größeren Tiefen wärmer. Die Erwärmung entspricht dabei der Erwärmung der mittleren Temperatur der Luft in der entsprechenden Region. Die Erwärmung durch den Klimawandel addiert sich zu den hier ansonsten beschriebenen Gründen urbaner Wärmeinseln.
Eine intensive Nutzung der Geothermie, beispielsweise durch Erdwärmesonden, in der Innestadt und in entsprechender Dichte kann die Bildung einer Wärmeinsel im Untergrund reduzieren. Hier ist allerdings die Jahresbilanz der Nutzung zu beachten, wenn im Winter Wärme entzogen und im Sommer (durch Gebäudekühlung) eingespeist wird. Im Normalfall ist der Entzug im Winter überwiegend, so dass im Ergebnis eine Kühlung der Wärmeinsel eintritt. Eine Wärmeinsel verbessert natürlich, aufgrund der erhöhten Temperaturen, den Wirkungsgrad von Erdwärmesonden in dem entsprechenden Gebiet beim Heizen im Winter.
Urbane Wärmeinseln im Untergrund 
Uni Halle, https://applied.geo.uni-halle.de › files › 2020/07 PDF
Weitere Literatur siehe:
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