Europäische Städte erleben immer häufiger extreme Hitzewellen und ihre Luft ist zunehmend verschmutzt – mit spürbaren Folgen für Gesundheit und Lebensqualität. Gemeinsam mit 17 europäischen Partnern entwickelt Jana de Wiljes, Professorin für Mathematik in den Datenwissenschaften an der TU Ilmenau, Modelle, die Hitze und Luftverschmutzung besser abbilden und Maßnahmen für bessere Stadtklimata testen, von mehr Stadtgrün bis zur Reduktion von Emissionen. Wir haben mit ihr über ihre Forschung gesprochen.
Frau Prof. de Wiljes, im Jahr 2024 wurden in Europa Rekordtemperaturen gemessen, woraufhin Städte wie London und Mailand Notfallmaßnahmen gegen gefährlich hohe Luftverschmutzungswerte einführten. Das Projekt UrbanAIR möchte Städte dabei unterstützen, Maßnahmen für bessere Luftqualität und mehr Hitzeschutz gezielt und präzise zu planen. Was hat sie motiviert, sich in diesem Projekt zu engagieren?
Meine Hauptmotivation war der dringende Bedarf an Forschung, die sich mit den tatsächlichen und zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels auseinandersetzt und zugleich Ansätze entwickelt, um besser mit dessen Folgen umzugehen. Gleichzeitig halte ich es für wichtig, weiterhin verstärkt darauf aufmerksam zu machen, wie konkrete Klimafolgenszenarien insbesondere in Städten aussehen können.
Besonders inspirierend war für mich außerdem die Gelegenheit, mit einem außergewöhnlichen und wirklich interdisziplinären Konsortium von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus ganz Europa, koordiniert von der Delft University of Technology, zusammenzuarbeiten. Teil eines Projekts zu sein, das von Prof. Dr. Femke Vossepoel geleitet wird, die ich sowohl wissenschaftlich als auch persönlich sehr schätze, und gemeinsam mit Expertinnen und Experten aus vielen sich ergänzenden Fachbereichen zu arbeiten, macht UrbanAIR für mich einzigartig.
Inwiefern können die digitalen Modelle, die Sie gemeinsam entwickeln, dabei helfen, die Folgen des Klimawandels besser zu verstehen und kühlere, sauberere und klimaresilientere Städte zu gestalten?
Gemeinsam mit verschiedenen Städten, darunter Barcelona und Antwerpen, aber auch Paris, Rotterdam & Bristol, und teilweise auch mit den jeweiligen Stadtverwaltungen nehmen wir einzelne Städte genauer unter die Lupe und berechnen hochaufgelöste Simulationen für diese spezifischen urbanen Umgebungen. So können wir deutlich besser verstehen, wie sich zum Beispiel Hitze in Städten entwickelt und räumlich verteilt und wie lange sie dort gespeichert wird.
Gerade urbane Materialien wie Beton oder Asphalt speichern Wärme besonders effizient und geben sie zeitverzögert wieder ab, was zum sogenannten Urban-Heat-Island-Effekt beiträgt.
Innerhalb dieser Simulationen lassen sich anschließend verschiedene realistische Anpassungsmaßnahmen testen, etwa eine stärkere Begrünung durch Bäume, die Schaffung von Windkorridoren oder auch helle beziehungsweise weiß gestrichene Dächer und Fassaden, wie man sie häufiger in südlicheren Ländern sieht. Bäume können durch Schatten und Verdunstungskühlung zur Abkühlung beitragen, während Windkorridore den Luftaustausch verbessern und warme Luft schneller aus der Stadt transportieren können. Helle Oberflächen reflektieren wiederum einen größeren Teil der Sonneneinstrahlung, was man auchhöhere Albedo nennt, und verhindern dadurch, dass sich Gebäude und Straßen so stark aufheizen.
Auf diese Weise kann untersucht werden, wie stark solche Maßnahmen die Intensität und Wahrnehmung von Hitzewellen in Städten beeinflussen und unter welchen Bedingungen sie besonders wirksam sind.
Wie genau kann man sich die Modelle und Technologien, die Sie entwickeln, vorstellen?
Simulationen, die beispielsweise die Hitzeentwicklung in einer konkreten Stadt modellieren und dabei die jeweiligen Häuserblocks sowie in speziellen Fällen sogar einzelne Bäume berücksichtigen, können als eine Art digitaler Zwilling der Stadt verstanden werden. Die klimatischen und meteorologischen Prozesse, die diese Entwicklungen antreiben oder beeinflussen, dienen dabei als eine Art „Forcing“, die wir mithilfe aktueller Daten in den computermodellierten Zwilling einspeisen können.
Wenn dieser sogenannte digitale Zwilling die für uns relevanten Prozesse der Wirklichkeit ausreichend genau abbildet, lassen sich Veränderungen zunächst virtuell testen, bevor tatsächliche Eingriffe in die urbane Umgebung vorgenommen werden. Anstatt also die reale Stadt unmittelbar umzugestalten, kann zunächst im digitalen Zwilling geprüft werden, ob eine bestimmte Maßnahme zu einer positiven Entwicklung führt.
Inwiefern können diese Modelle auch helfen, zukünftige Entwicklungen besser einzuschätzen?
Tatsächlich können so auch Szenarien untersucht werden, die bislang noch nicht eingetreten sind.
Selbst wenn eine Stadt aktuell noch nicht von langen, regelmäßigen Hitzeperioden betroffen ist, lassen sich die meteorologischen Bedingungen innerhalb des digitalen Zwillings gezielt verändern. Dadurch können wir zukünftige Extremereignisse simulieren, um besser zu verstehen, wie eine bestimmte Stadt unter extremen klimatischen Bedingungen reagieren würde.
Städtische Umweltprozesse sind äußerst komplex: Gebäude, Verkehr, Wetter und menschliches Verhalten greifen ineinander. Welche Herausforderungen entstehen dadurch für die Modellierung solcher Systeme?
Die größte Herausforderung besteht darin, dass realistische Modellierungen enorme Mengen an Rechenzeit erfordern. Hinter modernen Wettervorhersagen, die häufig deutlich weniger hochaufgelöst sind als die Modelle, die wir für urbane Räume entwickeln möchten, stehen bereits riesige Supercomputer. Dennoch ist es selbst dort äußerst schwierig, Unsicherheiten mathematisch umfassend zu beschreiben, weil dafür sehr viele Simulationen notwendig wären, die in der Praxis oft nicht realisierbar sind.
Hinzu kommt, dass Städte durch eine Vielzahl miteinander gekoppelter Prozesse geprägt sind.
Gebäude beeinflussen Luftströmungen und Temperaturverteilungen, Verkehr verändert Emissionen und Wärmeentwicklung, und auch menschliches Verhalten wirkt auf das urbane Klima zurück. Diese Wechselwirkungen realistisch abzubilden, stellt eine enorme mathematische und technische Herausforderung dar.
Wie adressieren Sie diese Herausforderung?
Indem wir uns der Modellierung einer gesamten Stadt nur schrittweise annähern. Zunächst untersuchen wir kleinere Ausschnitte oder einzelne Stadtteile, um dort Methoden zu entwickeln und zu testen, bevor wir die Modelle nach und nach erweitern.
Dabei spielen auch sogenannte Surrogatmodelle eine wichtige Rolle. Diese Ersatzmodelle benötigen nach ihrem Training deutlich weniger Rechenzeit als die ursprünglichen physikalischen Modelle. Häufig kommen dabei Methoden der Künstlichen Intelligenz zum Einsatz. Allerdings bleibt auch das anspruchsvoll, denn solche Modelle können die vollständige Dynamik und Komplexität des zugrunde liegenden Originalmodells meist nur näherungsweise wiedergeben.
Wenn Sie an die Zukunft denken: Welche Rolle könnten solche mathematisch gestützten Modelle künftig auch in anderen Bereichen spielen?
Aus mathematischer Sicht sind die eingesetzten Methoden für unterschiedlichste Anwendungsbereiche relevant. Immer dann, wenn reale Messdaten mit Modellen, die häufig auf physikalischen, biologischen oder anderen wissenschaftlichen Grundlagen beruhen, zusammengeführt werden, können diese Methoden genutzt werden.
Dabei geht es unter anderem darum, Unsicherheiten in den Ergebnissen zu bestimmen, insbesondere auch im Extrembereich, oder optimale Strategien für positive Veränderungen zu entwickeln. Genau diese Fragestellungen beschreiben viele der großen Herausforderungen, vor denen unsere Gesellschaft heute steht.
Ein Beispiel ist die Medizin: Dort versuchen wir, Therapien möglichst individuell und wirksam zu gestalten. Dafür benötigt man gewissermaßen einen digitalen Zwilling des Patienten, der die Eigenschaften und Prozesse dieses individuellen Menschen möglichst realitätsnah abbildet.
Das bedeutet zugleich, dass die Erfolge, die wir in diesem Projekt erzielen, sei es durch die Weiterentwicklung bestehender Algorithmen oder durch neue theoretische Erkenntnisse über diese Art von Problemstellungen, auch vielen anderen Anwendungsgebieten zugutekommen können.
Über das Projekt UrbanAIR
Das Projekt UrbanAIR – URBAN simulation for AIr quality and heat Resilience strategies –, koordiniert von der Delft University of Technology, bringt führende Expertinnen und Experten aus Forschung, Industrie und Politik zusammen. Zu den beteiligten Einrichtungen gehören neben der Delft University of Technology und der TU Ilmenau das Barcelona Supercomputer Center, die Future Needs Managament Consulting Ltd, Nikosia, das Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, das Norwegian Research Center, Bergen, die Ove Arup & Partners Ireland Limited, Dublin, das Royal Netherlands Meteorological Institute, De Bilt, das Stichting Global Resilient Cities Network, Rotterdam, das Swedish Meteorological and Hydrological Institute, Norrkoeping, die University of Toulouse III - Paul Sabatier, die Universität Freiburg und die Universität Hannover.
Das Projekt hat ein Gesamtbudget von 14,3 Millionen Euro und läuft über vier Jahre. Es wird im Rahmen der Ausschreibung §HORIZON-INFRA-2024-TECH-01-03: New Digital Twins for Destination Earth“ finanziert und unterstützt direkt europäische Strategien zur Klimaanpassung, urbanen Nachhaltigkeit und öffentlichen Gesundheit.
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Kontakt
Prof. Jana de Wiljes
Fachgebietsleiterin Mathematics of Data Science