Wersja PDF (do druku)

Mezoklimat miejski

Klimat jest jednym z elementów środowiska najbardziej wrażliwych na zmiany w sposobie zagospodarowania i użytkowania terenu. Przeobrażenia środowiska klimatycznego współczesnego miasta pod wpływem urbanizacji i industrializacji przejawiają się w zmianach charakterystyk morfologicznych i fizycznych, które w konsekwencji powodują zmiany warunków bilansu radiacyjnego, cieplnego i wodnego oraz prowadzą do powstania, obejmujących obszary miejskie, wysp: ciepła, zanieczyszczeń powietrza, opadów atmosferycznych, a także zmian w lokalnej cyrkulacji powietrza (tab. 7). Wobec powyższych faktów nie może budzić zdziwienia postępujący równolegle do procesów urbanizacji wzrost zainteresowania specyfiką klimatu miast. Badania te mają długą, blisko 170-letnią historię.

Tabela 7. Wpływ miasta na elementy klimatu (Landsberg, 1981)

Aby ocenić należycie rozmiar zmian w środowisku klimatycznym, musimy uzmysłowić sobie, jak wielką ingerencją w naturalne środowisko jest aglomeracja miejska. Tysiące kilometrów kwadratowych sztucznych powierzchni, o zwiększonej pojemności i przewodnictwie cieplnym, umożliwiających łatwiejsze magazynowanie i wymianę energii słonecznej. Te same powierzchnie impregnują miasto uniemożliwiając wsiąkanie w podłoże wody opadowej, która odprowadzana jest systemami kanalizacji. Z drugiej strony, znaczny wpływ na bilans wodny wywiera dostawa wody poprzez wodociągi i w procesach irygacyjnych. Centra miast - obszary zwartej, niejednokrotnie bardzo wysokiej zabudowy, w istotny sposób modyfikują intensywność przepływu powietrza, warunkując tym samym wymianę ciepła i pary wodnej. Jeżeli do tego dodamy emisję zanieczyszczeń pyłowych i gazowych wpływającą na bilans promieniowania, a także emisję ciepła powstającą w procesach spalania paliw w trakcie działalności przemysłowej, transportowej i komunalnej, otrzymamy w rezultacie środowisko, pod względem energetyczno-hydrologicznym, kompletnie odmienne od obszarów naturalnych czy też użytkowanych rolniczo. Z kolei, skala i obszar oddziaływania wymienionych czynników zależą w bezpośredni sposób od układu urbanistycznego, architektonicznego i ekonomicznego miasta. W efekcie na terenie miast mamy do czynienia z mozaiką mikroklimatów, a poszczególne organizmy miejskie mogą odznaczać się znacznymi różnicami, szczególnie jeżeli dodatkowo położone są w odmiennych strefach klimatycznych bądź występuje modyfikujący wpływ takich czynników środowiskowych, jak rzeźba terenu i obecność dużych zbiorników wodnych. Jednakże podobieństwa w kierunku i skali zmian pozwalają wydzielić klimat obszarów zurbanizowanych jako charakteryzujący się unikalnymi i odmiennymi cechami od klimatu obszarów niezurbanizowanych.

Miejska wyspa ciepła

Jednym z najbardziej typowych, a zarazem spektakularnych efektów zmian klimatycznych w obszarach zurbanizowanych jest zjawisko wzrostu temperatury w mieście w stosunku do terenów otaczających, znane jako miejska wyspa ciepła (MWC). MWC jest kompleksowym wykładnikiem oddziaływania czynników antropogenicznych w środowisku miejskim, gdzie silnie przekształcona powierzchnia oraz uwalnianie ciepła w procesach przemysłowych i komunalnych wywołują szereg modyfikacji warunków meteorologicznych. We Wrocławiu, stosownie do jego wielkości, struktury i uprzemysłowienia, MWC jest zjawiskiem częstym i potęguje przestrzenne zróżnicowanie warunków klimatycznych i bioklimatycznych. W swojej klasycznej, zależnej od różnic w bilansie energetycznym terenów miejskich i pozamiejskich, postaci, MWC występuje nocą podczas bezchmurnej i bezwietrznej pogody. W takich warunkach meteorologicznych należy oczekiwać największych różnic temperatury powietrza pomiędzy obszarem zurbanizowanym i terenami otaczającymi.

Program badań klimatu Wrocławia realizowany jest przez Zakład Meteorologii i Klimatologii Uniwersytetu Wrocławskiego od roku 1997. W jego ramach prowadzone są systematyczne pomiary elementów meteorologicznych przy wykorzystaniu automatycznych stacji meteorologicznych oraz metodą patrolową, za pomocą mobilnych stacji meteorologicznych. Stacje automatyczne zostały zlokalizowane w różnych typach zabudowy i w różnej odległości od centrum miasta:

1. obszar peryferyjny, niezabudowany reprezentuje stacja I, ulokowana w zachodniej części miasta, przy ul. Granicznej, pomiędzy osiedlami Strachowice i Jerzmanowo, położona w odległości około 12 km od centrum. Jest to jednocześnie stacja referencyjna - dane z tej stacji przyjęte są jako punkt odniesienia w analizie MWC;
2. obszar niskiej zabudowy jednorodzinnej z dużym udziałem zieleni reprezentowała w latach 1997-1999 stacja II, położona przy ul. Parafialnej na Ołtaszynie (ok. 5,5 km od centrum). Od roku 1998 pomiary w podobnym typie zabudowy prowadzone są na Biskupinie przy ul. Kosiby;
3. stację III ulokowano wewnątrz osiedla mieszkaniowego Gaj przy ul. Orzechowej o wysokiej (5-11 kondygnacji) zabudowie, w odległości ok. 3,5 km od centrum;
4. stację centralną (IV) posadowiono wśród 4-5 kondygnacyjnej, zwartej zabudowy przy ul. Teatralnej.

Pomiary patrolowe, służące analizie przestrzennej zjawisk meteorologicznych, prowadzone są za pomocą mobilnych stacji meteorologicznych, umożliwiających pomiary temperatury i wilgotności powietrza w sposób zdalny podczas ruchu pojazdu.

Intensywność i częstość MWC

Najczęściej stosowaną miarą intensywności wyspy ciepła jest różnica temperatury pomiędzy obszarem zabudowanym a niezabudowanym. Dla potrzeb analizy MWC we Wrocławiu jako punkt odniesienia przyjęto dane ze stacji I.

Średnie roczne natężenie MWC w najcieplejszym, centralnym obszarze miasta wynosi 1,0 °C i zmienia się od 0,5 °C w dzień do 1,6 °C w nocy (tab. 8). W zabudowie wysokiej i willowej średnie wielkości wynoszą odpowiednio 0,7 i 0,3 °C. Wyspy ciepła o największej intensywności należy oczekiwać podczas letnich nocy: od 2,3 °C w centrum, przez 1,6 °C w zabudowie wysokiej do 0,6 °C w zabudowie jednorodzinnej.

Tabela 8. Intensywność wyspy ciepła we Wrocławiu w latach 1997-2000 jako różnica temperatury powietrza [°C] pomiędzy obszarami zabudowanymi (stacje II, III, IV – opis w tekście) a stacją peryferyjną (stacja I).

W świetle badań prowadzonych w miastach Europy i Ameryki Północnej, maksymalną intensywność MWC w mieście o liczbie ludności ok. 640 tys. należy szacować na 7,6 °C. Z bezpośrednich pomiarów wynika, iż natężenie MWC we Wrocławiu może sięgać 9,0 °C i może wystąpić nocą praktycznie w każdej porze roku.

Sytuacje, w których obszar miasta jest chłodniejszy niż tereny niezabudowane (tzw. jezioro chłodu) wiążą się w przeważającej mierze z porą dnia, tuż po wschodzie słońca, kiedy to tereny pozamiejskie ogrzewają się szybciej od osłoniętych terenów zabudowanych. Ekstremalne stany "jeziora chłodu" należy jednak wiązać z czynnikiem adwekcyjnym, kiedy to dochodzi o wymiany powietrza podczas napływu świeżej masy powietrza o odmiennej charakterystyce termicznej.

Analiza częstości występowania MWC potwierdza uprzywilejowanie termiczne centrum miasta podczas letnich nocy, kiedy to aż 98% przypadków stanowią wielkości dodatnie analizowanych różnic (tab. 9).

Tabela 9. Częstość występowania [%] wyspy ciepła we Wrocławiu w latach 1997-2000 jako frekwencja różnic temperatury powietrza (dT) pomiędzy obszarami zabudowanymi (stacje II, III, IV – opis w tekście) a stacją peryferyjną (stacja I).

Wyspa ciepła o dużej intensywności (33,0 °C) w lecie występuje znacznie częściej niż zimą, stanowiąc w nocy 29,2% przypadków w centrum, 17,1% w zabudowie wysokich osiedli i tylko 1,3% w zabudowie willowej. Sytuacje, w których występuje MWC o bardzo dużej intensywności (35,0 °C) nocą w lecie, stanowią 7,4% przypadków, a nie są obserwowane w dzielnicy willowej. Pora dzienna charakteryzuje się mniejszym rozproszeniem różnic temperatury i mniejszą częstością dużych różnic.

Rozkład częstości MWC w lecie i zimą prowadzi do wniosku o termicznym uprzywilejowaniu obszarów intensywnej zabudowy w sezonie letnim, przy czym w porze ciepłej, odznaczającej się niższymi prędkościami wiatru i mniejszym zachmurzeniem, dominującą rolę pełni możliwość akumulacji i wymiany energii w systemie sztuczna powierzchnia czynna - atmosfera. Zimą, przy mniej korzystnych warunkach meteorologicznych, znaczącą rolę pełni emisja ciepła sztucznego, szczególnie w obszarach centrum, gdzie jej strumień jest ponad 3,5-krotnie większy niż w obszarze rozpatrywanej jednorodzinnej zabudowy willowej.

Dobowy i roczny cykl MWC

Analiza przebiegu dobowego intensywności MWC według wielkości godzinnych umożliwiła określenie przeciętnych terminów jej pojawiania się i zaniku oraz tempa nagrzewania się i wychładzania miasta w stosunku do terenów niezabudowanych. Dobowy rytm intensywności wyspy ciepła zaznacza się w skali całego roku (rys. 4). W porze ciepłej szybki wzrost jej intensywności występuje od godz. 18 do 21. Maksimum intensywności wynosi przeciętnie ponad 2 °C i przypada między godz. 22 a 24. Najwyższe wielkości MWC notowane są w maju w godzinach nocnych (23 - 4) przeciętnie ponad 2,6 °C, zaś maksimum drugorzędne zarysowuje się w sierpniu. Wyraźny spadek intensywności następuje od godz. 6, osiągając minimum o godz. 9, kiedy uprzywilejowanie termiczne miasta jest małe (do 0,4 °C) bądź dochodzi do wytworzenia się "jeziora chłodu", szczególnie w lipcu i sierpniu, pomiędzy godz. 8 a 11.

Rysunek 4. Cykl dobowy i roczny miejskiej wyspy ciepła we Wrocławiu w latach 1997-2000

W sezonie chłodnym MWC jest słabiej wykształcona. Jej wyraźny rozwój następuje w godz. od 16 do 18, osiągając największą intensywność pomiędzy godz. 19 a 7. W ciągu trzynastu godzin nocnych centrum miasta jest przeciętnie cieplejsze o 1,2 °C, zaś w godzinach południowych nadwyżka ciepła wynosi 0,4 °C. Mniejszą amplitudę dobową MWC w tej porze roku, pomimo znaczniejszej emisji ciepła antropogenicznego, która w sezonie grzewczym we Wrocławiu jest czterokrotnie większa niż poza tym sezonem, kształtują głównie warunki meteorologiczne -większa prędkość wiatru i duże zachmurzenie.

W przebiegu rocznym, według wielkości średnich miesięcznych, maksymalna intensywność wyspy ciepła występuje w maju osiągając 1,3 °C, zaś minimalna w październiku i grudniu 0,8 °C.

Słabo zaznaczone uprzywilejowanie termiczne miasta (dT IV-I <0,5 °C) jest cechą charakterystyczną dziennej pory doby tj. w godz. 11 - 15 w sezonie chłodnym zaś w godz. 8 - 18 w półroczu ciepłym. W efekcie największa intensywność wyspy ciepła występuje w lecie osiągając przeciętnie 2,0 °C, zaś w zimie 1,1 °C. Uprzywilejowanie termiczne Wrocławia w sezonie letnim potwierdzają wyniki badań prowadzonych w innych miastach na świecie.

Warunki meteorologiczne a intensywność wyspy ciepła

O intensywności i dynamice MWC w cyklu dobowym, obok takich czynników jak charakter podłoża i struktura zabudowy oraz odległość od centrum miasta, decydują warunki pogodowe. Analiza związku różnic godzinnych wielkości temperatury powietrza pomiędzy typem zwartej zabudowy i obszarem peryferyjnym a zachmurzeniem i prędkością wiatru wykazała ich zróżnicowanie w zależności od pory doby i pory roku. Generalnie, w skali całego roku, bez względu na porę doby największa intensywność MWC (dT IVI >3,0 °C) występuje w warunkach małego zachmurzenia (poniżej 3/8 stopnia) i małej prędkości wiatru (poniżej 2 m/s). Wzrost prędkości wiatru powyżej 5 m/s, bez względu na stopień zachmurzenia, powoduje zanik lub znaczną redukcję intensywności MWC. Wyspa ciepła o umiarkowanej intensywności (dT IV-I >1, 0 °C) istnieje natomiast jeszcze przy całkowitym zachmurzeniu, jeśli prędkość wiatru nie przekracza 1 m/s.

Bardzo wyraźna jest reakcja intensywności MWC na zachmurzenie ogólne i zachmurzenie piętra dolnego, które najsilniej oddziałuje na zmniejszenie promieniowania efektywnego. Wyspa ciepła, wprawdzie słabsza, może istnieć także przy całkowitym zachmurzeniu piętra dolnego. Jej intensywność, niezależnie od stopnia zachmurzenia, wynosi przeciętnie 1 °C. Uprzywilejowanie termiczne miasta (dT IV-I >0,5 °C) w tych warunkach zachmurzenia jest obserwowane w sytuacjach, kiedy prędkość wiatru nie przekracza 3-4 m/s. Jeśli niezależnie od stopnia zachmurzenia piętra dolnego intensywność wyspy ciepła wynosząca 1 °C utrzymuje się przy prędkościach wiatru rzędu 1 m/s, to przy ogólnym stopniu zachmurzenia analogiczna wielkość jej intensywności jest zachowana przy prędkości wiatru 3 m/s. Oznacza to, że nie tylko ogólny stopień zachmurzenia, lecz przede wszystkim chmury piętra dolnego w sposób zasadniczy wpływają na redukcję intensywności MWC. Pojemność cieplna miasta oraz dodatkowe źródła ciepła antropogenicznego są tak znaczące, że nawet przy całkowitym zachmurzeniu istnieje wyraźnie zaznaczona wyspa ciepła.

Pozioma struktura MWC

Z typowym przykładem wystąpienia MWC o bardzo dużej intensywności mieliśmy do czynienia w nocy z 22 na 23.05.2001 r. Wtedy to, w warunkach antycyklonalnej sytuacji synoptycznej, przy braku zachmurzenia i słabym wietrze, doszło do znacznej modyfikacji pola temperatury we Wrocławiu. Intensywność MWC o godzinie 23.00 czasu GMT, a więc około 3 godziny po zachodzie Słońca, w najcieplejszej, centralnej części miasta osiągnęła 8,7 °C (rys. 5). Poziomy rozkład temperatury powietrza na wysokości 2 m nad poziomem gruntu ściśle nawiązywał do struktury użytkowania terenu i układu urbanistyczno-architektonicznego miasta. Najniższą temperaturę (3,6 °C) odnotowano w północnej części miasta, na obszarze rozciągających się pomiędzy Odrą, Widawą a terenami pól irygacyjnych. Najwyższą temperaturą (do 12,3 °C) charakteryzowały się centralne rejony miasta: Stare Miasto, Ołbin i Plac Grunwaldzki, rozdzielone obszarem niższej temperatury wzdłuż południowego koryta Odry. Taką dwudzielność należy utożsamiać raczej z przerwą w ciągłej, zwartej zabudowie niż z ochładzającym wpływem rzeki. Z charakterystyczną dla centrum miasta, zwartą zabudową do 5 kondygnacji, związane było najwyższe średnie natężenie MWC (6,6 °C - tab. 10).

Rysunek 5. Miejska wyspa ciepła [°C] we Wrocławiu w dniu 22 V 2001, godz. 23:00 GMT

Tabela 10. Średnie (a), maksymalne (b) i minimalne (c) natężenie miejskiej wyspy ciepła [°C] w klasach użytkowania terenu. Wrocław, 22.05.2001 23.00 GMT.

Nieznacznym wzrostem temperatury charakteryzowały się rolnicze i łąkowe tereny peryferii miasta, m.in. rozległe powierzchnie pól irygacyjnych w północnej i lotniska w południowo-zachodniej części miasta. Strefa MWC o intensywności przekraczającej 4 °C zajmowała 21,3% powierzchni miasta, tj. ok. 62,4 km² i nawiązywała do rozmieszczenia zabudowy mieszkalno-przemysłowej. W sprzyjających warunkach meteorologicznych dzielnice i osiedla izolowane od głównego obszaru ciągłej zabudowy generowały własne, mniejsze wyspy ciepła w wyniku czego powstała specyficzna, "komórkowa" struktura pola temperatury. Doskonałym przykładem tego zjawiska były wyspy ciepła dzielnicy Psie Pole i osiedli w zachodniej i południowej części miasta w linii: Leśnica, Muchobór Wielki, Oporów, Klecina, Ołtaszyn. "Klifową" część wyspy, charakteryzującą się najwyższymi poziomymi gradientami temperatury, stanowiły obrzeża obszaru ciągłej zabudowy obejmujące osiedla: Kozanów, Kuźniki, Nowy Dwór na zachodzie, Swojczyce i Bartoszowice na wschodzie, Różanka, Karłowice i Kowale na północy oraz Krzyki, Gaj i Tarnogaj na południu. W ten obszar klinowo wcinały się obszary chłodu od strony pól irygacyjnych na północnym zachodzie i terenów wodonośnych na południowym wschodzie. Wyraźne jezioro chłodu tworzyła zachodnia i środkowa część Wielkiej Wyspy wraz z terenami ogródków działkowych na zachód od koryta Starej Odry.

Dotychczasowe badania wskazują, iż struktura MWC powstającej podczas bezchmurnej i bezwietrznej pogody w różnych porach roku odznacza się znacznym podobieństwem, a modyfikacje dotyczą głównie jej intensywności i rejonu występowania najniższej temperatury.

Rysunek 6. Mapa użytkowania terenu we Wrocławiu