The evolution of subsurface urban heat islands under the circumstances of climate change

Abstract

The temperature of the shallow subsurface exhibits recent changes that are caused by climate change at the surface and local anthropogenic heat sources. While the typical rise in temperature can trigger detrimental changes in groundwater quality and stress on dependent ecosystems, elevated ground temperatures also benefit the utilization of shallow geothermal energy. Both, the subsurface temperature rise and the demand for space heating are most pronounced in cities. In associated subsurface urban heat islands the temperature rise caused by urban life and climate change mingles, which makes it hard to differentiate between climate-driven and local anthropogenic effects. This thesis tackles the challenges that arise in such mixed environments by (i) proposing an estimation technique for shallow ground(water) temperatures, (ii) delineating subsurface warming in isolated natural and urban environments, and (iii) assessing the geothermal potential of the excess heat in the shallow ground.

Die Temperatur des oberflächennahen Untergrunds verändert sich global durch den Klimawandel und lokal durch anthropogene Stressoren. Die typischerweise ansteigenden Temperaturen können negative Effekte auf die Grundwasserqualität und vom Grundwasser abhängige Ökosysteme haben, aber auch die Wärmegewinnung durch oberflächennahe Geothermie begünstigen. In Städten sind sowohl der Temperaturanstieg, als auch der Bedarf an Raumwärme am höchsten. Zudem vermischen sich im städtischen Untergrund urbane Wärmeinselphänomene mit dem durch den Klimawandel verursachten Temperaturanstieg, was eine Unterscheidung zwischen klimabedingten und lokalen Effekten erschwert. Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen, (i) ein Prognoseverfahren der Untergrundtemperatur zu entwickeln, (ii) die Erwärmung des Untergrunds in natürlichen und urbanen Räumen isoliert zu beschreiben und (iii) das geothermische Potenzial der überschüssigen Wärme im oberflächennahen Untergrund zu bestimmen.