Úvodní komentář Složitá cesta k posouzení a zhodnocení městského mikroklimatu ve střední Evropě Kristina Kiesel, Milena Vuckovic, Ardeshir Mahdavi Vídeňská technologická univerzita, partner projektu UHI
Čím dál tím více lidí v dnešní době žije ve městech a jejich životy proto ovlivňuje městské mikroklima. Toto mikroklima se výrazně liší v závislosti na řadě faktorů, jako je úroveň urbanizace a její morfologie, rozmístění a hustota zástavby, rozsah dopravních sítí jakož i zelených a vodních ploch ( Grimmond 2007, Alexandri 2007). Pozorování v mnoha městech po celém světě ukazuje, že ve městech panují výrazně vyšší teploty vzduchu než v okolních venkovských oblastech. Tento jev se nazývá jako městský tepelný ostrov (MTO, viz, např. Voogt 2002, Arnfeld 2003, Blazejczyk 2006, Oke 1981, Gaffin et al 2008, Kiesel et al 2012). Vědci se domnívají, že nárůst průměrných teplot má nepříznivý vliv na zdraví lidí žijících ve městech ( Harlan et al 2011). Kromě toho vyšší teploty vzduchu mají přímý vliv na spotřebu energie v důsledku zvýšené používání klimatizace (Akbari 2005). V této souvislosti v tomto zpravodaji představujeme názorné výsledky probíhají-
cího výzkumného projektu (Central Europe Program, č. 3CE292P3 ). V první řadě dokumentujeme výskyt a intensitu MTO na příkladu několika středoevropských měst (Kiesel et al 2013b) a indetifikujeme některé součásti městského prostředí, u kterých předpokládáme, že ovlivňují MTO a městské mikroklima. Všímáme si nejen geometrických (morfologických), ale i sémantických (souvisejících s vlastnostmi materiálu) proměnných. Abychom mohli podpořit návrhové procesy a hodnocení jednotlivých mitigačních opatření na zmírnění MTO, zkoumáme možný potenciál aplikací odvozených ze simulací numerických modelů, jakož i empirických modelů městského mikroklimatu.
1. Kumulativní rozdělení četnosti MTO intenzity v průběhu jednoho letního týdne.
2. Průměrná hodinová intensita MTO pro referenční letní den.
MTO je definován jako rozdíl mezi teplotou vzduchu ve městě a na venkově (Oke 1972). Obecně platí, že intenzita tepelného ostrova je obvykle v rozmezí 1 až
1
Úvodní komentář
3. Vývoj průměrných ročních teplot ve městě za období 30 let.
4. Vývoj průměrných ročních teplot na venkově za období 30 let.
3 °C, ale za určitých atmosférických a stavu povrchu můžou dosáhnout až 12 °C (Voogt 2002). Vlastnosti materiálů městských ploch (Grimmond et al. 1991, Akbari et al. 2001), stejně jako evapotranspirace nebo antropogenní emise tepla (Taha 1997) totiž mohou vést ke zvýšení teplot ve městech. Na následujících řádcích bude popsána velikost, četnost a časová závislost (denní i noční) rozložení intenzity MTO (v průběhu referenčního týdne) a dlouhodobý rozvoj městských a venkovských teplot v sedmi středoevropských městech: Budapešti, Lublani, Modeně, Padově, Praze, Stuttgartu, Vídni a Varšavě. Jak již bylo uvedeno, síla MTO se vyjadřuje pomocí intenzity MTO. Tento termín označuje teplotní rozdíl (ve °C) mezi městskými a venkovskými teplotami měřenými v jeden okamžik. V každém městě byl nezávisle na ostatních metropolích zvolen jeden letní týden (referenční týden), pro nějž byla stanovena intenzita MTO. K tomu byla použita hodinová meteorologická měření teploty vzduchu, rychlosti větru a srážek vždy ze dvou meteorologických stanic: jedné městské a jedné venkovské. Aby bylo možné zjistit dlouhodobý vývoj teploty ve městě a na venkově, byly vypočteny průměrné roční teploty a intenzity MTO pro období dlouhé až 30 let, konkrétně 1980-2011 (Modena, Praha, Stuttgart, Varšava) nebo 1994-2011 (Vídeň, Padova), resp. 2000-2011 (Budapešť). Na obrázku 1 je vidět kumulativní rozložení četnosti intenzity MTO v zúčastně-
5. Dlouhodobý vývoj intenzity MTO.
ných městech v referenčním letním týdnu. Obrázek pak 2 ukazuje hodinové intenzity MTO v referenčním letním dni. Údaje z referenčního týdne jasně prokazují existenci a významnou velikost efektu MTO v zúčastněných městech a to zejména v nočních hodinách (Obr. 2). Průběh intenzity MTO v čase se ovšem v různých zúčastněných městech značně liší. Rozdíly jsou viditelné také na křivkách kumulativního frekvenčního rozdělení na Obr. 1. Na tomto obrázku posun křivky vpravo označuje větší velikost
2
Úvodní komentář
Tabulka č. 1: Proměnné postihující geometrické vlastnosti lokality U2O.
Tabulka č. 2: Proměnné postihující povrchové a materiálové vlastnosti lokality U2O.
Tabulka č. 3: Přehled hlavních mitigačních opatření.
MTO. Na obrázcích 3 a 4 je znázorněn vývoj průměrné roční teploty vzduchu ve městě a na venkově za období 30 let. Obr. 5 pak ukazuje dlouhodobý trend intenzity MTO ve stejném období. Historické záznamy naznačují vzestupný trend průměrné teploty jak ve městě tak na venkově (viz obrázky 3 a 4). V souladu s regionálními a globálními teplotní-
mi trendy lze pozorovat stabilní nárůst teploty na venkově až o zhruba 2,5 °C v okolí všech vybraných městech (s výjimkou Budapešti). Ve stejném 30letém období průměrná roční teplota ve městech vzrostla o 1 °C (Stuttgart) až 3 °C (Varšava). Všimněte si, že zatímco průměrné teploty na venkově i ve městech se zvyšují, hodnota intenzity MTO byla
3
poměrně stabilní. V rámci řešení projektu UHI došlo k vytvoření systematického rámce (Mahdavi et al 2013) k posouzení fenoménu MTO pro konkrétní městskou lokalitu označovanou jako U2O (z anglického Urban Unit of Observation). Smyslem bylo pro tuto lokalitu lépe stanovit potenciální mitigační a adaptační opatření a tyto opatření pak vyhodnotit pomocí vhodných modelovacích přístupů. Vytvoření rámce zahrnuje následující kroky: i) Nalezení vhodné lokality (U2O): jedná se o jasně vymezené oblasti v městském prostředí vybrané jako místa pro uplatnění vhodných mitigačních opatření; ii) Popis stávající situace v lokalitě ve smyslu množiny geometrických a fyzikálních vlastností v daném místě; iii) Stanovení stávající intenzity MTO; iv) Specifikace možných motivačních opatření z hlediska předpokládaných změn geometrických a/nebo fyzikálních vlastností popsaných v kroku ii výše; v) Predikce dopadu mitigačních opatření pomocí empiricky založených metod a/nebo numerických modelů; vi) Vyjádření dopadu mitigačních opatřeních v rámci předpokládaných změn intenzity MTO; vii) Celkové hodnocení účinnosti mitigačních opatření na základě výsledků modelování spolu s vyhodnocením jejich odhadovaných finančních a logistických důsledků. Koncept U2O se aplikuje pro systematické řešení proměnlivosti městského klimatu v rámci celého města. Prostorový rozměr vhodné lokality je mezi přibližně 400 a 1000 metry.
Úvodní komentář
6. Stávající hodnoty proměnných pro vytipovanou U2O lokalitu v případové studii města Vídně spolu s upravenými hodnotami spojenými s navrhovanými mitigačními opatřeními.
7. Simulovaný průměrný hodinový teplotní rozdíl (“Innere Stadt”, Vídeň).
V tomto měřítku lze jasně vidět společné rysy takové lokality z pohledu geometrie, hustoty nebo dalších aspektů fyzických objektů. Protože městské mikroklima je ovlivněno různou morfologií města, jeho strukturou jakož i vlastnostmi materiálů, byla pro vytvoření rámce identifikována množina proměnných související s těmito vlastnostmi města. Aby bylo možné predikovat, odhadnout a ověřit vliv mitigačních opatřeních na zmírnění intenzity MTO, je třeba vyjádřit dopad takových zásahů v podobě konkrétních změn, které se projeví ve vytipované lokalitě.
Na základě našich dřívějších výzkumů (Mahdavi et al. 2013, Kiesel et al. 2013a) a naší vlastní úvahy jsme navrhli soubor proměnných uvedených přehledně v tabulkách 1 a 2. Poté, co jsou definovány zájmové lokality U2O a jejich příslušné proměnné, potenciální mitigační opatření (viz tabulka 3) mohou být vyjádřena ve změně příslušných proměnných. Například zavedení zelených střech a zelených fasád v testovací lokalitě U2O by pozměnilo proměnné týkající se povrchového albeda, emisivity, tepelné vodivosti, měrné tepelné kapacity a
4
hustoty. Tabulka 3 poskytuje stručné shrnutí nejčastějších mitigačních opatření. Tato opatření lze rozdělit dle tří hlavních typů objektů, na něž tato opatření míří: budovy, chodníky a městská zeleň. Tabulka 3 také obsahuje podrobný popis očekávaných přínosů těchto opatření. Dopad mitigačních opatření lze odhadnout na základě vhodných výpočetních postupů a metod modelování. Za tímto účelem jsme zvažovali dva hlavní přístupy: statistickou analýza empirických dat a numerických výpočetních modelů. Korelace mezi naměřenou intenzitou MTO v různých lokalitách města a fyzikálních vlastností v těchto místech lze využít k odvození odhadu empiricky založených metod. Pro numerické výpočty mohou být použity různé simulační nástroje, od regionálních klimatických modelů až po modely jednotlivých budov (Mirzaei 2010). Pro ilustraci vyvinutého rámce uvádíme níže případovou studii provedenou v rámci projektu UHI. Týká se U2O lokality v centru Vídně. Obrázek 6 ukazuje existující atributy proměnných pro tuto U2O lokalitu spolu se změnami v těchto proměnných v důsledku aplikace tří předpokládaných mitigačních opatření: 1) výsadby stromů v městském kaňonu, 2) vybudovaní zelených střech, 3) kombinace opatření 1 a 2. V tomto případě byl proveden odhad dopadů mitigačních opatření pomocí numerické simulační aplikace (ENVI-MET). Obrázek 7 ukazuje výsledky simulace na příkladu předpokládaného snížení intenzity MTO v průběhu referenčního letní-
Úvodní komentář
ho dne. Tyto výsledky ukazují současnou míru pokroku v naplnění cílů projektu UHI, a to zejména v lepším pochopení jevu MTO a vyhodnocení vhodných mitigačních a adaptačních opatření. Krátkodobé i dlouhodobé údaje o teplotních poměrech v městech a jejich okolí jasně prokázaly existenci a významnou velikost MTO v řadě středoevropských měst. Na základě hodinových meteorologických údajů byla prokázána větší intenzita MTO v nočních hodinách. Aby bylo možné zjistit potřebu aplikace mitigačních opatření a jejich účinnosti, vyvinuli jsme a otestovali vhodnou metodologii. Takto byla identifikována množina geometrických (morfologických) a sémantických (s vlastnostmi materiálů spjatých) proměnných městského prostředí, u nichž se očekává, že ovlivňují MTO a proměnlivost městského mikroklimatu. Použití této metodologie a modelování městského klimatu bylo demonstrováno na příkladu města Vídně. Pokračující práce na projektu se dále zaměří na prozkoumání a statistickou analýzu vztahu mezi intenzitou MTO a význačnými proměnnými městského prostředí jako je hustota zástavby a její morfologie, tvar bloku městké zástavby, geometrie uličního kaňonu, vlastnosti povrchu, zastoupení vegetace, vodních ploch, průmyslových areálů, dopravních systémů a infrastruktury. Tato práce by měla přinést nejen empirická data pro validaci numerických modelů, ale také podpořit tvorbu jednodušších přístupů pro odhad efektivity různých mitigačních opatření.
Odkazy Akbari, H., Pomerantz, M., Taha, H. 2001. Cool surfaces and shade trees to reduce energy use and improve air quality in urban areas. Solar Energy, Volume 70, Issue 3: 295–310. Akbari, H. 2005. Energy Saving Potentials and Air Quality Benefits of Urban Heat Island Mitigation. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA. Alexandri, E. 2007. Green cities of tomorrow?. Sustainable Construction, Materials and Practices, Portugal SB07: 710-717. Arnfeld, A.J. 2003. Two decades of urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island. International Journal of Climatology, Volume 23, Issue 1: 1-26. Blazejczyk, K., Bakowska, M., Wieclaw, M. 2006. Urban heat island in large and small cities. 6th International Conference on Urban Climate, Göteborg, Sweden, June12-16 2006: 794-797. Envi-met: 3-dimensional microclimate model, available at: http://www.envi-met.com/ last accessed January 9th, 2014 Gaffin, S. R., Rosenzweig, C., Khanbilvardi, R., Parshall, L., Mahani, S., Glickman, H., Goldberg, R., Blake, R., Slosberg, R. B., Hillel, D. 2008. Variations in New York city’s urban heat island strength over time and space. Theoretical and applied climatology, Volume 94: 1-11. Grimmond, C.S.B. Cleugh, H., Oke, T.R. 1991. An objective urban heat storage model and its comparison with other schemes. Atmospheric Environment, Volume 25B, Issue 3: 311-326. Grimmond, C.S.B., 2007. Urbanization and global environmental change: local effects of urban warming. Cities and global environmental change, Volume 173, Issue 1: 83-88. Harlan, S L., Ruddell, D.M. 2011. Climate change and health in cities: impacts of heat and air pollution and potential co-benefits from mitigation and adaptation. Current Opinion in Environmental Sustainability, Volume 3, Issue 3: 126134. Kiesel, K., Vuckovic, M., Orehounig, K., Mahdavi, A. 2012. Analysis of micro climatic variations and the urban heat island phenomenon in the city of Vienna, EURA conference, European
5
Urban Research Association, September 20-22, Vienna, Austria. Kiesel, K., Vuckovic, M., Mahdavi, A. 2013a. Representation Of Weather Conditions In Building Performance Simulation: A Case Study Of Microclimatic Variance In Central Europe, IBPSA, 13th International Conference of the International Building Performance Simulation Association, August 25 - 28, France. Kiesel, K., Vuckovic, M., Mahdavi, A. 2013b. The extent and implications of the urban heat island phenomenon in Central European region, CESBP, 2nd Central Europe Symposium on Building Physics, September 9-11, Vienna, Austria. Mahdavi, A., Kiesel, K., Vuckovic, M. 2013. A framework for the evaluation of urban heat island mitigation measures. SB13 Munich Conference, April 23-26, Germany. Mirzaei, P. A., Haghighat, F. 2010. Approaches to study Urban Heat Island – Abilities and limitations, Building and Environment, Volme 45, Issue 10, pp. 2192–2201. Oke, T.R. 1972. City size and the urban heat island. Atmospheric Environment, Volume 7, Issue 8: 769-779. Oke, T.R. 1981. Canyon geometry and the nocturnal urban heat island comparison of scale model and field observations. Journal of Climatology, Volume 1: 237–54. Taha, H. 1997. Urban climates and heat islands: albedo, evapotranspiration, and anthropogenic heat. Energy and buildings, Volume 25, Issue 2: 99-103. Voogt, J.A. 2002. Urban Heat Island. Encyclopedia of Global Environmental Change, Volume 3: 660-666.
Pilotní oblasti
Pilotní oblasti Modelování městského klimatu prostřednictvím SURFEX/TEB Maďarskou meteorologickou službou Ilona Krüzselyi Maďarská meteorologická služba. Mária Kovács Katedra klimatologie a ekologie krajiny, Univerzita v Szegedu Mail:
[email protected]
Úvod
Metodologie SURFEX (SURface EXternalisée; La Moigne, 2009) je model povrchu, který se skládá ze čtyř schémat – zvlášť pro město, moře, vnitrozemí a přírodu. Model městské energetické rovnováhy (Town Energy Balance, TEB, Masson, 2000) popisuje vztahy mezi městskou zástavbou a atmosférou prostřednictvím simulace turbulentního proudění. Využívá přístup tzv. “místního kaňonu”, kdy kaňon reprezentuje ulici s budovami na obou stranách. TEB uvažuje tři povrchy (střecha, zeď, ulice) s různou energetickou bilancí. Zohledňuje zachycování vody a sněhu na střechách a ulicích, mlhu, odtok, zachycování záření, hybnost a tepelné proudění atd. Proudění antropogenního tepla a vlhkosti pocházející z dopravy, průmyslu a domácího topení jsou taktéž brány v úvahu. SURFEX potřebuje zahrnout vliv atmosféry, kterým může být jak měření, tak modelový výstup. SURFEX může být spojen s atmosférickým modelem, který tak může získat odezvu z povrchového schématu. SURFEX ale také může být spuštěn v offline módu. V offline módu neexistuje interakce mezi gridovými body, která je možná pouze skrze atmosférický model. MMS začala ve svých studiích pra-
V dnešní době žije mnoho lidí ve městech, která se stale zvětšují a mají významný vliv na lokální klima. Tento efekt může být obzvláště zajímavý z pohledu adaptace na změnu klimatu, protože změna klimatu může mít ve městech
vážné důsledky z důvodu vlivu městské zástavby. Modelování je užitečným nástrojem pro zobrazení vztahů mezi atmosférou a městskými oblastmi. Maďarská meteorologická služba (MMS) za tímto účelem využívá SURFEX.
covat s SURFEX/TEB (dále SURFEX) v roce 2010 (Vértesi, 2011) při modelování vlivu městského tepelného ostrova (MTO) v Budapešti. Dva 10leté experimenty byly provedeny s využitím SURFEXu pro Budapešť a její okolí. Pro posílení atmosférických vlivů byly využity výsledky regionálního klimatického modelu ALADIN (RKM; Csima and Horányi, 2008). RKM jsou integrovány na omezené oblasti, a proto potřebují vstupní hraniční podmínky, kterými mohou být výsledky globálního klimatického modelu, nebo re-analýz pro minulost. (Re-analý-
zy jsou třírozměrné klimatické databáze, které jsou tvořeny technikou asimilací dat, využívající maximální možné množství pozorování a/nebo krátkodobé předpovědi počasí.) V tomto případě byl model ALADIN řízen re-analýzou ERA-40 (Uppala et al., 2005). Výsledky modelu ALADIN byly interpolovány speciálním nastavením modelu z domény 10kilometrového rozlišení pokrývající Karpatskou pánev na menší oblast okolo Budapešti s 1 km rozlišením (Obr. 1). Toto posloužilo jako vstup pro SURFEX, který byl spuštěn
1. Vývoj použití modelu SURFEX s topografií [m] a uzlovými body, které obsahují městskou zástavbu (poslední panel; červená).
6
Pilotní oblasti
v offline módu taktéž s 1 km rozlišením. Pro pokrytí povrchu byla použita databáze ECOCLIMA (Masson et al., 2003). První experiment byl proveden pro období 1961-1970. Databáze ECOCLIMA však byla vytvořena až v roce 2006 a tedy pro toto období nemusí popisovat podmínky příliš dobře, protože od té doby bylo vybudováno několik domů, obzvláště na okrajích. Z těchto důvodů byl experiment zopakován pro období 1990-2000, aby bylo možné porovnat, jakým způsobem proběhlé změny ovlivňují výsledky. Výsledky byly prověřeny porovnáním s pozorováními dvou stanic MMS. Jedna se nachází na ulici Kitaibel, která leží v centru města poblíž kopců Buda, druhá fun-
guje v Pestszentlőrinc, na okraji (Obr. 2). Nicméně ECOCLIMAP uvažuje oba body jako částečně předměstské oblasti. Výsledky Obr. 3 ukazuje, jaký efekt má interpolace a výpočet SURFEXu na teplotní pole. Vzhledem k tomu, že se chladnější kopce Budy se nachází v centrálním panelu, je vidět, že příslušná interpolace není snadná, když bere v úvahu orografii s vyšším rozlišením. Teplotní pole SURFEXu (třetí panel) poskytuje mnohem detailnější informaci – mírně se objevuje Dunaj a teplotní rozdíl v srdci města. V referenčních bodech SURFEX nad-
2. Okruh působnosti (doména) SURFEX s označením měst Budapešť (červená čára) a dvě MMS stanice (K–ulice Kitaibel, P–Pestszentlőrinc).
3. Jarní průměrná teplota (ºC) dle modelu ALADIN (s 10 a 1 km rozlišením – levý a prostřední panel) a dle SURFEXu (s 1 km rozlišením – pravý panel) pro období 1961–1970 (Vértesi, 2011).
4. Rozdíly v průměrné měsíční teplotě (ºC) mezi SURFEX a pozorováními na ulici Kitaibel(K) a Pestszentlőrinc (P) pro období 1961–1970 a 1991–2000.
5. Pozorované (obs) a modelové (mod) intenzity městského tepelného ostrova (ºC) pro období 1961–1970 a 1991– 2000.
7
Pilotní oblasti
hodnocuje teplot ve většině měsíců v obou obdobích (Obr. 4). V případě ulice Kitaibel jsou výsledky lepší vyjma měsíců s podhodnocením (od listopadu do ledna). Nadhodnocení klesá v období 1991–2000, což může být způsobeno zlepšeným popisem pokrytí. Ve shodě s měřenými teplotami lze pozorovat MTO po celý rok v obou obdobích, nejsilněji v zimě (Obr. 5). Ve shodě se SURFEXem je bod v centru obvykle teplejší, nežli vnější bod. Na jednu stranu může být tato skutečnost vysvětlena shodným typem pokrytí obou bodů dle ECOCLIMAP, což neindikuje existenci MTO. Na druhou stranu může být ulice Kitaibel ochlazena kopci Budy v modelu ALADIN. V období 1961–1970 žádný efekt MTO není vidět, zatímco v období 1991–2000 je možné pozorovat určitý vývoj (kladný MTO v zimě) a letní podhodnocení se zesiluje. Ve dvou referenčních bodech si model nevede příliš dobře, ale další zkoumání mj. ukázalo, že v případě sledování větší oblasti zachytí
6. Rozdíl simulované průměrné teploty (ºC) a hodnoty pro Pestszentlőrinc v zimě a létě pro období 1961–1970. (Dva červené body jsou ulice Kitaibel a Pestszentlőrinc.).
SURFEX denní cyklus MTO. V průběhu denních hodin se MTO neobjevuje; vytváří se však po setmění (v zimě již
Závěr
Odkazy
MMS používá SURFEX model k popisu vztahů mezi atmosférou a městskou zástavbou. Dle dosažených výsledků postihuje SURFEX hlavní charakteristiky městské klimatologie: vyšší teploty v srdci města a denní cyklus MTO. Nicméně vyhodnocení ukázalo také některé nesrovnalosti: v referenčních bodech SURFEX nadhodnocuje teplotu ve většině měsíců a bod v centru je teplejší v porovnání s pozorováním. Plánuje se provedení dalších experimentů za účelem prozkoumání chování modelu a hlavním cílem do budoucna je dynamický downscaling projekcí klimatu ve městech.
Csima, G. and Horányi, A., 2008: Validation of the ALADIN-Climate regional climate model at the Hungarian Meteorological Service. Időjárás, 112, 155–177. La Moigne, P., 2009: SURFEX Scientific Documentation; Note de centre (CNRM/ GMME), Météo-France, Toulouse, France. Masson, V., 2000: A Physically-based Scheme for the Urban Energy Budget in Atmospheric Models. Bound.-Layer Meteor., 94, 357–397. Masson V., J.-L. Champeaux, F. Chauvin, C. Meriguet and R. Lacaze, 2003: A global database of land surface parameters at 1km resolution in meteorological and climate models. J. Climate, 16, 1261– 1282. Uppala, S.M., Kallberg, P.W., Simmons, A.J., Andrae, U., da Costa Bechtold, V., Fio-
8
v 18:00, v létě v 21:00 UTC). Maximum je pozorováno 5 až 6 hodin po západu slunce.
rino, M., Gibson, J.K., Haseler, J., Hernandez, A., Kelly, G.A., Li, X., Onogi, K., Saarinen, S., Sokka, N., Allan, R.P., Andersson, E., Arpe, K., Balmaseda, M.A., Beljaars, A.C.M., van de Berg, L., Bidlot, J., Bormann, N., Caires, S., Chevallier, F., Dethof, A., Dragosavac, M., Fisher, M., Fuentes, M., Hagemann, S., Hólm, E., Hoskins, B.J., Isaksen, L., Janssen, P.A.E.M., Jenne, R., McNally, A.P., Mahfouf, J.-F., Morcrette, J.J., Rayner, N.A., Saunders, R.W., Simon, P., Sterl, A., Trenberth, K.E., Untch, A., Vasiljevic, D., Viterbo, P., and Woollen, J., 2005: The ERA-40 re-analysis. Quart. J. R. Meteorol. Soc. 131, 2961–3012. Vértesi, Á. É., 2011: Modelling possibilities of the urban heat island effect in Budapest (in Hungarian), Master Thesis, ELTE, Budapest, Hungary.
Pilotní oblasti
Pilotní oblasti Vyhodnocení tepelného ostrova města Stuttgart Christine Ketterer and Andreas Matzarakis - Albert-Ludwigs-University Freiburg
Je velmi dobře známo, že meteorologické parametry vykazují prostorové i časové rozdíly mezi městskými oblastmi a okolními venkovskými oblastmi. Jsou způsobeny změnami struktury povrchu a radiačními toky, které jsou modifikovány složitými strukturami ve městě. Tepelný ostrov města (MTO), který je popsán rozdílem mezi teplotou vzduchu a povrchu, patří mezi celosvětově nejvíce studované charakteristiky. My se zde zaměřujeme na biometeorologické metody mající vazbu na člověka, které používáme pro analýzu vlivu MTO na obyvatele města a jako podpůrný nástroj pro městské plánovače. Tyto metody popisují tepelné vnímání člověka, které se uvažuje jako celkový účinek teploty vzduchu, rychlosti větru, vlhkosti vzduchu a toků radiace a které je vyjádřeno pomocí tepelných indexů. Jinými slovy, poskytují možnost získat veličinu, která je snadno pochopitelná neodborníky a je možné ji jednoduše používat. Index fyziologicky ekvivalentní teploty (PET) se používá pro kvantifikaci celkového účinku meteorologických parametrů kombinovaných s energetickou bilancí člověka a vnímanou lidmi. K simulaci biometeorologických podmínek popisujících vliv na člověka pomocí PET byly použity mikroměřítkové modely RayMan (Matzarakis et al. 2007) a ENVI-met 3.1 (Bruse a Fleer 1998) v kombinaci s TIC-ENVI-met (Ketterer a Matzarakis 2014) pro Stuttgart. Analýza vychází z měřených dat Německé povětrnostní služby a města Stuttgart a dále z dat regionálního klimatického modelu REMO s využitím scénáře A1B. Zde se věnujeme popisu vyhodnocení MTO ve městě Stuttgart, čtvrté největší metropolitní oblasti Německa.
Centrum města je umístěno v pánvi obklopené horami (viz obr. 1). Obyvatelé města trpí nejen dopady výrazného MTO, ale také silným znečištěním ovzduší během period s nízkou rychlostí proudění, zejména při rychlosti větru pod 3 m/s (obr. 1).
1. Topografie Stuttgartu s větrnými růžicemi na různých měřících místech (Ketterer a Matzarakis, 2014).
9
Pilotní oblasti
Vyhodnocení založené na teplotě vzduchu a vlastnostech PET Obvykle lze rozdíly mezi městem a okolím popsat pomocí teploty vzduchu s různým časovým rozlišením dostupných dat. Zde vycházíme z hodinových dat v období 10 let (2000 – 2010), která analyzujeme pomocí frekvenční analýzy, jejíž hlavní předností je velká detailnost (obr. 2). Průměrná roční (maximální) intenzita MTO je 2 (12) °C ve středu města. Průměrná PET pro MTO činí 3,3 a maximální hodnota je20 °C. Měsíční maximum MTO nastává v zimě ve středu města z důvodů antropogenní produkce tepla. Ovšem zaměříme-li se na hodinové průměry, pak maximum MTO nastává v létě. Z pozorování vyplývá, že rozdíly teploty vzduchu jsou největší v noci, ačkoliv největší rozdíly PET připadají na denní hodiny.
2. Frekvenční rozdělení intensity MTO na 4 měřících stanovištích ve městě (viz legendu) a venkovská stanice Echterdingen od roku 2000 do 2010. MTO je analyzován pomocí teploty vzduchu Ta (nahoře) a PET (dole).
Analýza tzv. horkých skvrn (nejteplejších oblastí ve městě) pro plánované rekonstrukce Jinou možností analýzy je vybrat reálné plánované projekty, kterými můžou být rekonstrukce nebo nové stavby. Na západě Stuttgartu je to speciální oblast, v níž se v současné době nachází nemocnice, kde se plánuje přestavba. Za použití několika různých scénářů (např. náhrada současných staveb rezidenčními objekty, parkem nebo jiné úpravy) lze dospět k různým výsledkům a informacím, které jsou následně dostupné pro městské architekty a úředníky. Různé scénáře změn a přestaveb v oblasti je možné analyzovat za pomocí mikroměřítkových modelů, které umožňují také výpočet dopadu biometeorologických podmínek na člověka (např. ENVI-met spolu s TIC-ENVI-met) pro extrémní případy. Pro specifické scénáře bylo zjištěno, že PET klesne zhruba o 10 °C pod stromy ve srovnání se zelenými oblastmi a je o 25 °C nižší nad vybranými oblastmi (obr. 3). Nicméně, většina oblastí vykazuje rozdíly jen kolem 1 °C ve výšce 1 a půl metru nad zemí.
3. Simulace PET pomocí nástroje ENVI-met ve studované oblasti „nemocnice Olga“ (lokalita viz obr. 1) (vlevo) a pak ve stejné oblasti (vpravo) během horkého letního dne ve 2 hodiny odpoledne
10
Pilotní oblasti
Role výšky a šířky ulic a jejich orientace Je nutné taky uvážit, že role uspořádání města jeho charakteristik, jako šířka ulice nebo výška budov stejně jako orientace ulic, můžou také hrát významnou roli v modifikaci mikroklimatu a v působení na podmínky teplotního komfortu, stejně jako v redukci tepelného stresu obyvatel, zejména během extrémních podmínek poča-
sí jako jsou horké vlny. Pro Stuttgart bylo zjištěno, že tepelný stres je možné omezit v uličním kaňonu s orientací od SSZ na JJV s poměrem relativního sklonu alespoň 1,5. Takový kaňon umožňuje dopad slunečních paprsků i během zimy a maximalizuje frekvenci výskytu podmínek s tepelnou pohodou během celého roku.
Dopad změny klimatu a její vyhodnocení v městských oblastech Pro zhodnocení dopadu změny klimatu byla použita data z regionálních klimatických modelů, které poskytují informace o možných změnách v polovině a na konci tohoto století. Díky modifikaci výsledků prostřednictvím klimatických prvků, stejně jako složitým městským prostředím lze získat přidanou informaci pro městské architekty a příslušné úřady. Počítá se se zvýšením frekvence výskytu tropických dní (s maximální teplotou alespoň 30 °C) a letních dní (s maximální teplotou alespoň 25 °C) o 174 % a 140 % pro periodu 2021-50 a o 280 % a 157 % do konce 21. století. Na druhou stranu, počet mrazových dnů (s minimální teplotou pod 0 °C) a ledových dnů (s maximální teplotou nejvýše 0 °C)
za rok by se měl snížit o 33 % v periodě 2071-2100. Počet dní za rok s tepelným stresem (PET>35 °C) ve 14:00 SEČ se zvýší o 6 dnů mezi obdobím 1961-90 a 2021-50 a o 28 dnů do konce 21. století na základě REMO a scénáře A1B. Pro scénář B1 nevykazují data do poloviny 21. století nárůst, ale o 4 procenta (16 dnů) se jejich počet zvýší pro období 2071-2100. Časně ráno (6:00 SEČ) počet dní s (extrémním) chladným stresem významně poklesne o 15 (10) dnů podle scénáře A1B (B1) v periodě 2021-2050 a o 48 (29) dnů v období 2071-2100. Naproti tomu, počet dnů s PET>29 °C vzroste o 5 (15) dnů do poloviny (konce) 21. století podle scénáře A1B.
Doporučení založená na biometeorologických zjištěních Na základě zjištění z pilotního projektu ve městě Stuttgart lze učinit následující závěr a doporučení. MTO je z velké části zesílen topografií města, vyjma období s teplotní inverzí. Největší hodinový MTO se vyskytuje v létě a je výrazně ovlivněn radiací. Na druhou stranu, průměrný měsíční MTO ve středu města je největší v zimě kvůli antropogenním zdrojům tepla. Regionální klimatické modely odhadují výrazné zvýšení počtu dní s tepelným stresem, z toho plyne životní důležitost implementovat adaptační patření. Adaptační opatření jako je vytváření oblastí se zelení povede ke snížení PET asi o 1 °C (prostorový prů-
měr) a 25 °C (ve specifických lokalitách) ve 14:00 SEČ. Orientace uličního kaňonu SSZ-JJV s průměrným relativním sklonem 1,5 optimalizuje podmínky tepelné pohody během celého roku. Navíc, výsledky by měly být prezentovány ve srozumitelné a co nejjednodušší podobě a neměly by se omezovat pouze na analýzu tzv. horkých skvrn. Výsledky by měly být založeny na dlouhodobých časových řadách a zahrnout by měly rovněž vyhodnocení efektu městského klimatu na lidi, kteří tráví většinu svého času ve městech a zejména během vývoje klimatických faktorů během dne a noci.
Odkazy Bruse, M; Fleer, H (1998): Simulating surface-plant-air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model. The challenge of awareness in developing societies. Environmental Modelling & Software 13 (3-4), S. 373 - 384. Ketterer, C; Matzarakis, A (2014): Human-biometeorological assessment of heat stress reduction by replanning measures in Stuttgart, Germany. Landscape and Urban Planning 122, S. 78 - 88.
Ketterer, C; Matzarakis, A (2014): Human-biometeorological assessment of the urban heat island in a city with complex topography - The case of Stuttgart, Germany. Urban Climate (2014). DOI: 10.1016/j.landurbplan.2013.11.003. Matzarakis, A; Rutz, F; Mayer, H (2007): Modelling radiation fluxes in simple and complex environments-application of the RayMan model. International Journal of Biometeorology 51 (4), S. 323 - 334.
11
Mítinky
Mítinky 5. setkání Nadnárodní vědecké rady a 6. setkání řídící komise Benátky 17.10.2013-18.10.2013 Ve dnech 17. a 18. října se konalo v Benátkách (v objektu Grandi Stazioni Palace) 5. setkání nadnárodní vědecké rady a 6. setkání projektové řídící komise. Tato dvoudenní událost, organizovaná Oddělením pro územní a strategické plánování regionu Benátsko, byla příležitostí posunout se na poli činnosti v osmi pilotních oblastech, diskutovat možné strategie pro zmírnění a adaptace, systém podpory rozhodování, politiky v oblastech obnovy městské udržitelnosti a limitů rozšiřování, bioklimatický diskomfort a hodnocení zdraví lidí ve městech. Byly prezentovány cíle, diskutován další plán prací a sporné otázky k vyjasnění byly diskutovány při dvoustranném setkání s vedoucím partnerem.
3. vydání Geo-Oikos výstavy GeoOikos Verona 9.10.2013-11.11.2013 3. vydání výstavy Geo-Oikos bylo uspořádáno regionem Benátsko ve Veroně od 9. do 11. listopadu. Účelem Geo Oikos je propagovat v širokých souvislostech aktivity Benátského regionu v oblastech plánování a realizace, prováděné za účelem inteligentního a udržitelného využití území, úspory energie a zvýšení povědomí vědecké komunity i obyvatel o předpovědi bioklimatického diskomfortu ve městech. Benátsko, jakožto projektový partner, zorganizovalo v Geo Oikos jeden workshop věnovaný efektům MTO, na kterém partneři z Itálie představili projekt UHI, zejména pak analýzy a průzkumy provedené v pilotní oblasti Padova a Modena.
12
NOS
Nadnárodní odborné skupiny Nadnárodní odborné skupiny (NOS) byly plánovány jako debatní prostor pro řešení věcí souvisejících s problematikou MTO … velmi ambiciózní definice ale existuje velký rozdíl porovnáním s realitou. Pro debatu je třeba sdílet společný a pochopitelný jazyk, po 3 letech zápasu se dá určitě říct, že toto nebyl případ projektu MTO. Klimatologové, městští architekti, inženýři a epidemiologové určitě nehovoří stejným jazykem! A nejde o to, že by to byla angličtina, italština, němčina nebo čeština, ale o to, že je to jazyk klimatologa, urbanisty atd. ... Určující logika uplynulých mítinků NOS za roky byla: najít spojovací kruh mezi multidisciplinárním přístupem k problémům MTO. Takže, co se stalo? První epizoda – „výkop“ nastal ve Stuttgartu v září 2011, kde byly ustaveny 4 odborné skupiny (viz Informační bulletin projektu č. 1). Toto
zahájení činnosti NOS se potýkalo s prvotní definicí nastavení „pravidel hry“ a bylo počátkem cesty (a to cesty obtížné!): byly definovány 4 odlišné perspektivy jevu MTO. V Budapešti se odehrála druhá epizoda, zaměřená na “rozdíly” (únor 2012), debata se soustředila na některé specifické záležitosti snažící se vyplnit díry mezi odlišnými úhly pohledu … jejich důsledkem byla třetí epizoda – “bitva”! Konala se ve Varšavě (říjen 2012). Bojiště ve Varšavě byla dvě: I. Městští architekti (NOS 1) vs. Epidemiologové (NOS 3) a důvodem ke sporu bylo: Definice „čísla & data“ sloužící k vyhodnocení problematiky jevu MTO způsobem použitelným uživateli II. Meteorologové (NOS 4) vs. Komunikátoři (NOS 2): Existují nějaké modely nebo nástroje umožňující efektivní komunikaci mezi „vědci“ a obyvateli? Reakce členů NOS ve Varšavě byla
… nedohoda! Definitivním výsledkem ale byla podpora v hledání nějakého společného přístupu a dobrého příkladu hledání k zaplnění výše zmíněných mezer. Čtvrtá epizoda – “co se děje na předměstích”? Pražský mítink (duben 2013) byl místem, kde se setkali experti projektu (NOS) a debatovali o místních zvláštnostech týkajících se pilotních akcích, současného stavu, omezení … Pátá epizoda ságy – “zabalit”! se odehrála ve Benátkách (říjen 2013) a zaměřila se na dokončení debaty. Každá NOS se do ní zapojila a vytvořila dvě prohlášení s účelem usnadnit tvůrčí proces a uvolnit členy NOS. Mítink byl organizován metodou „školního písemného úkolu“ a zaměřen na tvorbu dvou regulací zaměřených na boj s MTO a to na místní a na evropské úrovni … Zpočátku se objevilo několik nekontrolovaných a děsivých reakcí … A výsledky? … samozřejmě, v příštím informačním bulletinu!
NOS, Benátky, 10.2013
Chcete-li se vice dozvědět o dalším vývoji debaty v rámci NOS nebo chcete-li přispět vlastním pohledem či názorem, můžete napsat panu Davidu Favovi, manažerovi NOS (za vedoucího partnera ARPA) Davide Fava –
[email protected]
13
Zápatí strany 6
Zápatí strany 6 Regional Agency for Environment Protection in Emilia-Romagna www.arpa.emr.it
Vienna University of Technology - Department of Building Physics and Building Ecology www.bpi.tuwien.ac.at
Emilia Romagna Region. General Directorate Territorial and negotiated planning, agreements www.regione.emilia-romagna.it
Municipal Department 22 - Environmental Protection Departement in Vienna (MA 22)
Veneto Region - Territorial and Strategic Planning Department www.ptrc.it
www.wien.gv.at/english/ environment/protection
Hungarian Meteorological Service www.met.hu
CORILA. Consortium for Coordination of Research Activities Concerning the Venice Lagoon System www.corila.it Karlsruhe Institute of Technology www.kit.edu
Charles University in Prague, Faculty of Mathematics and Physics www.mff.cuni.cz City Development Authority of Prague www.urm.cz
Municipality of Stuttgart www.stuttgart.de
Czech Hydrometeorological Institute www.chml.cz
Meteorological Institute University of Freiburg www.meteo.uni-freiburg.de
Scientific Research Centre of the Slovenian Academy of Sciences and Arts www.zrc-sazu.si
Institute of Geography and Spatial Organization, Polish Academy Of Sciences www.igipz.pan.pl Nofer Institute of Occupational Health www.imp.lodz.pl
Municipality of Ljubljana www.ljubljana.si
Informační bulletin projektu UHI č. 3, leden 2014 Redakční rada: Matteo Morgantin, Enrico Rinaldi, CORILA - NL Responsible Partner. Salvatore Puglisi, Emilia Romagna Region. Za hlavního partnera Chiara Pederzini, Democenter Sipe aa Chiara Licata, Euris S.r.l. Pro další informace navštivte webové stránky projektu UHI: www.eu-uhi.eu Tento projekt probíhá v rámci programu CENTRAL EUROPE spolufinancovaného ERDF (www.central2013.eu)
14
