UHI Newsletter - Issue 3

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