Kr zy s z t o f Fo r t un i a k

MIEJSKA WYSPA CIEPA. PODSTAWY ENERGETYCZNE, STUDIA

EKSPERYMENTALNE, MODELE NUMERYCZNE I STATYSTYCZNE.

Wydawnictwo Uniwersytetu dzkiego d 2003

2

RECENZENT Janusz Borkowski

Wydrukowano z dostarczonych Wydawnictwu U gotowych materiaw

Rozprawa habilitacyjna wykonana w Katedrze Meteorologii i Klimatologii U

Copyright by Krzysztof Fortuniak, 2003

Wydawnictwo Uniwersytetu dzkiego 2003

Wydanie I. Nakad 100+50 egz. Art. Druk.14,625. Papier kl. III 80g, 70100

Zam.68/3562/2003. Cena 25,-

Drukarnia Uniwersytetu dzkiego 90-236 d, ul. Pomorska 143

ISBN 83-7171-658-3

3

Spis treci 1. WSTP ..................................................... 2. PODSTAWOWE WIADOMOCI Z ZAKRESU KLIMATOLOGII MIEJSKIEJ ....

2.1. Rozwj i gwne kierunki bada klimatu miasta .................. 2.2. Struktura warstwy granicznej atmosfery nad miastem ............... 2.2 Cechy charakterystyczne klimatu miast.........................

2.3.1. Miejska wyspa ciepa (UHI) .......................... 2.3.2. Stosunki radiacyjne terenw zurbanizowanych .............. 2.3.3. Wpyw miasta na pole wiatru ......................... 2.3.4. Stosunki wilgotnociowe terenw zurbanizowanych .......... 3.6.1. Wpyw miasta na wystpowanie hydrometeorw ............

3. OBSERWOWANA MIEJSKA WYSPA CIEPA W ODZI .................

3.1. d jako miejsce bada klimatu miasta ........................ 3.2. Aktualny system pomiarowy i dane wykorzystane w opracowaniu ...... 3.3. Natenie miejskiej wyspy ciepa w odzi w wietle wartoci rednich

miesicznych ......................................... 3.4. Maksymalne dobowe natenie miejskiej wyspy ciepa w odzi ........ 3.5. Czsto wystpowania miejskiej wyspy ciepa w kolejnych godzinach doby 3.6. Dobowy przebieg natenia miejskiej wyspy ciepa w odzi

w sprzyjajcych warunkach pogodowych ....................... 3.6.1. Przykady przebiegu dobowego temperatury w odzi w przypadku

dobrze wyksztaconej UHI latem i zim .................. 3.6.2. Znormalizowany przebieg dobowy natenia UHI ...........

3.6. Natenie miejskiej wyspy ciepa w odzi a kierunek wiatru .......... 3.7. Wnioski wynikajce z empirycznych studiw nad zjawiskiem miejskiej

wyspy ciepa w odzi .................................... 4. POMIARY BILANSU CIEPLNEGO W ODZI ..........................

4.1. Historia pomiarw bilansu energetycznego powierzchni czynnej w warunkach miejskich ....................................

4.2. Skadniki bilansu energetycznego powierzchni czynnej i metody ich pomiaru .............................................

4.3. Charakterystyka miejsca obserwacji i systemu pomiarowego .......... 4.4. Wybrane przypadki dobowego przebiegu skadnikw bilansu cieplnego

w odzi ............................................. 4.5. Podsumowanie rocznej serii pomiarowej bilansu cieplnego odzi .......

5

7 7

11 13 14 17 18 19 20

22 22 24

27 29

32

38

39 42 45

48

51

51

52 59

65 80

4

5. MODEL BRYOWY BILANSU ENERGETYCZNEGO POWIERZCHNI CZYNNEJ 5.1. Modele bilansu energetycznego miasta ........................ 5.2. Wychadzanie paskiej powierzchni czynnej w pogodne, bezwietrzne noce .

5.2.1. Podstawy teoretyczne i metody numeryczne ............... 5.2.2. Wybr gruboci poziomw specyfikacja modelu GRUNT ..... 5.2.3. Weryfikacja modelu GRUNT ......................... 5.2.4. Zastosowanie modelu GRUNT w badaniach miejskiej wyspy ciepa

5.3. Peny model dobowego przebiegu skadnikw bilansu energetycznego .... 5.3.1. Wyznaczanie bezporedniego i rozproszonego promieniowania

sonecznego przy bezchmurnym niebie .................. 5.3.2. Modelowanie turbulencyjnych strumieni ciepa w warstwie

powierzchniowej ................................. 5.3.3. Model warstwy granicznej atmosfery .................... 5.3.4. Weryfikacja poczonego modelu warstwy granicznej i procesw

powierzchniowych ................................ 5.3.5. Zastosowanie poczonego modelu warstwy granicznej i procesw

powierzchniowych do badania czynnikw wpywajcych na rozwj miejskiej wyspy ciepa .............................

6. POCHANIANIE PROMIENIOWANIA W KANIONIE ULICZNYM ..........

6.1. Pojcie wspczynnika widoku elementw powierzchni i metody jego wyznaczania ..........................................

6.2. Absorpcja promieniowania po wielokrotnym odbiciu ............... 6.3. Model bilansu promieniowania krtkofalowego w kanionie ulicznym (RAK)

6.3.1. Weryfikacja modelu RAK ........................... 6.3.2. Efektywne albedo kanionu ulicznego ....................

6.4. Model bilansu promieniowania dugofalowego w kanionie ulicznym ..... 6.4.1. Weryfikacja modelu efektywnej absorpcji promieniowania

dugofalowego ................................... 6.4.2. Natenie miejskiej wyspy ciepa a waciwoci geometryczne

kanionu ulicznego ................................ 6.5. Czynniki wpywajce na natenie miejskiej wyspy ciepa podsumowanie

analiz modelowych ..................................... 7. MODELE STATYSTYCZNE NATENIA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPA W ODZI

7.1. Typy modeli statystycznych natenia miejskiej wyspy ciepa ......... 7.2. Zaleno natenia miejskiej wyspy ciepa w odzi od prdkoci wiatru

i zachmurzenia ........................................ 7.3. Zaleno natenia miejskiej wyspy ciepa od amplitudy temperatury .... 7.4. Zastosowanie modelu statystycznego do analizy wpywu kierunku wiatru na

natenie miejskiej wyspy ciepa w odzi ....................... 8. POSUMOWANIE .............................................. 9. SPIS LITERATURY ............................................

85 85 87 87 95 97

103 109

110

115 123

130

145

163

164 170 172 174 177 181

183

186

191

195 195

199 210

215

219

224

5

1. WSTP

Miasta, bdce wytworem cywilizacji, s miejscem, gdzie znaczna cz ludzkiej populacji spdza wikszo swojego ycia. Liczba mieszkacw miast nieustannie wzrasta, a przewidywania demografw wskazuj, e w najbliszej przyszoci wzrost ten bdzie jeszcze bardziej intensywny. Aglomeracje miejskie maj zapewni ich mieszkacom jak najkorzystniejsze warunki ycia i pracy. Dominujce s w tym przypadku wzgldy ekonomiczne, a w czasach historycznych bardzo istotne byy rwnie wzgldy bezpieczestwa. Jedn z funkcji miasta jest rwnie ochrona jego mieszkacw przed rnymi, zalenymi od strefy, niekorzystnymi wpywami klimatycznymi. Rol t wida wyranie w tradycyjnej zabudowie miast lecych na rnych szerokociach geograficznych. W miar rozwoju terytorialnego miast, stay si one samoistnym czynnikiem klimatotwrczym. Rozwj ten, czsto gwatowny i niekontro-lowany, doprowadzi do powstania indywidualnych cech klimatu terenw zurbanizowanych, cech, z ktrych wiele mona uzna za negatywne. Na pierwszym miejscu naley wymieni tu zanieczyszczenie powietrza, na ktre zwrcono uwag ju w czasach rzymskich (Neumann 1979). Pozostae cechy klimatu miast nie maj tak jednoznacznie negatywnego wpywu na komfort ycia. W niesprzyjajcych warunkach mog one jednak intensyfikowa inne, niekorzystne procesy. Przykady tego typu zjawisk to:

miejska wyspa ciepa, ktra w przypadku miast pooonych w szerokociach tropikalnych moe doprowadzi do podwyszenia temperatury znacznie ponad granice komfortu termicznego;

intensyfikacja procesw konwekcyjnych, ktra w przypadku opadw nawalnych moe podwyszy sumy opadw ponad moliwoci sieci kanalizacyjnej;

redukcja prdkoci wiatru utrudniajca przewietrzanie w obszarach o gstej zabudowie;

zwikszenie dawki promieniowania sonecznego na skutek wielokrotnych odbi wiata w kanionie ulicznym,

i wiele innych. Dlatego te istnieje potrzeba uwzgldnienia fizycznych procesw ksztatujcych klimat lokalny w planowaniu przestrzennym miast i osiedli. Klimat lokalny ksztatowany jest w duej mierze poprzez wymian

6

energii midzy podoem a atmosfer. Procesy te, stosunkowo dobrze poznane w skali pojedynczych form architektonicznych, s bardziej zoone w skali caych dzielnic, miast czy osiedli. Niestety, badania bilansu cieplnego powierzchni czynnej w warunkach miejskich nale do unikatowych, a jego roczna i dobowa zmienno poznana zostaa tylko w bardzo oglnym zarysie (Oke 1995). Pomiary tego typu prowadzone byy zaledwie w kilku miastach rnicych si zarwno morfologi, jak i warunkami makroklimatycznymi. Z tego wzgldu ich bezporednie zastosowanie w planowaniu przestrzennym jest praktycznie niemoliwe. Pomiary te mog suy natomiast weryfikacji numerycznych modeli klimatu miasta. Zastosowanie analizy modelowej umoliwia poznanie wyizolowanych wpyww poszczeglnych czynnikw ksztatujcych klimat miasta. Modele tego typu pozwalaj dodatkowo przewidywa indywidualne cechy klimatu planowanych miast i osiedli jeszcze w fazie projektowania urbanistycznego. Umoliwiaj one rwnie lepsze zrozumienie zwizkw midzy poszczeglnymi parametrami meteoro-logicznymi na terenach zurbanizowanych, przez co mog by pomocne w budowaniu modeli o czysto statystycznym charakterze.

Celem niniejszego opracowania jest poznanie czynnikw ksztatujcych reim termiczny miasta. Szczegln uwag powicono analizie zjawiska miejskiej wyspy ciepa w powizaniu z bilansem energetycznym miasta. Miejska wyspa ciepa, chocia stosunkowo najlepiej poznana ze wszystkich indywidualnoci klimatu terenw zurbanizowanych, jest wci przedmiotem intensywnych studiw. Mimo stosunkowo jasnych i jakociowo dobrze poznanych czynnikw powodujcych powstawanie tego zjawiska, ilociowa ocena wpywu poszczeglnych procesw jest wci mao znana. W pracy przedstawiony zostanie zarwno czysto statystyczny opis tego zjawiska w odzi, jak i prba ilociowej oceny wpywu poszczeglnych czynnikw przyczyniajcych si do jego powstania. Wykorzystane zostan w tym celu skonstruowane przez autora modele numeryczne bilansu energetycznego miasta. Naley w tym momencie podkreli, e celem przedstawionych tu analiz numerycznych nie jest stworzenie zoonego modelu operacyjnego, moliwie w najdrobniejszych szczegach odzwierciedlajcego mierzone przebiegi analizowanych parametrw, lecz studia nad wpywem poszczeglnych czynnikw na klimat miasta. Wnioski wynikajce z analiz numerycznych wykorzystane zostan w celu utworzenia statystycznego modelu intensywnoci miejskiej wyspy ciepa. Podstawow baz dowiadczaln opracowania stanowi dane z pomiarw wykonywanych w odzi, chocia do testowania modeli wykorzystano rwnie inne dane dostpne w literaturze.

Prac wykonano w ramach realizacji projektu badawczego 6 PO4E 010 17 finansowanego przez Komitet Bada Naukowych w latach 19992002.

7

2. PODSTAWOWE WIADOMOCI Z ZAKRESU KLIMATOLOGII MIEJSKIEJ

2.1. Rozwj i gwne kierunki bada klimatu miasta

Najbardziej uderzajcym elementem klimatu miast jest stan

zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego. Problematyka ta, jak ju wspomniano, jest obecna w literaturze od czasw staroytnych po wspczesne: w czasach antycznych Seneka Modszy wspomina o poprawie nastroju po opuszczeniu zadymionego Rzymu, a w redniowieczu rozporzdzenia krlewskie ograniczay lub wrcz zabraniay ogrzewania mieszka wglem w Londynie (Landsberg 1981). Obecnie, ze wzgldu na bezporedni wpyw na zdrowie a nawet ycie czowieka, zagadnienia rozprzestrzeniania si zanieczyszcze powietrza nale do najbardziej intensywnie studiowanych zarwno empirycznie, jak i teoretycznie. Obok niejednokrotnie bardzo dobrze rozwinitych sieci monitoringu dozorowanych przez specjalne suby, duy nacisk kadzie si na rozwj modeli numerycznych. Modele dyspersji zanieczyszcze, bazujce najczciej na formalizmie Lagrangea, charakteryzuj si wysokim stopniem zoonoci wymagajcym zastosowania komputerw o duej mocy obliczeniowej. Zagadnienia zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego stay si w ostatnich latach odrbn dziedzin wiedzy, o bardzo bogatej literaturze, ktrej analiza znacznie przekracza ramy niniejszego opracowania.

Pierwsze czysto klimatologiczne badania obszarw miejskich przeprowadzone zostay w Londynie przez Lucka Howarda. Jego ksika Climate of London Deduced From Meteorological Observations, najbardziej znana w wydaniu z roku 1833, zawiera porwnanie temperatur w Londynie i na terenie zamiejskim na podstawie obserwacji z lat 18071816. Spord prekursorw klimatologii miejskiej naley wymieni jeszcze E. Renou, prowadzcego badania w Paryu w drugiej poowie XIX w., oraz W. Shmidta i A. Schmaussa, pracujcych w Wiedniu i w Monachium (Landsberg 1981). Jeszcze przed wojn pojawia si ksika podsumowujca wikszo (225 cytowa) pionierskich bada w dziedzinie klimatologii miasta (Kratzer 1937). Po II wojnie wiatowej nastpi gwatowny rozwj bada klimatu obszarw

8

zurbanizowanych. W bibliografii zestawionej przez Chandlera (1970) mona znale ju 1800 pozycji. Jej kontynuacj s prace Okea (1974, 1979, 1982), zawierajce uzupenienie spisu publikacji powiconych badaniom klimatu miasta do roku 1980. W ostatnim dwudziestoleciu badania klimatu miast rozwijay si w sposb niezwykle burzliwy. Zaowocowao to wielk liczb opracowa klimatu terenw zurbanizowanych, odbyy si cztery wielkie midzynarodowe konferencje powicone tej tematyce, a w roku 2000 powstaa Midzynarodowa Asocjacja Klimatologii Miejskiej.

W polskiej literaturze klimatologicznej wzmianki dotyczce indywidualnoci klimatu miast mona znale ju u Mereckiego (1915), ktry zwrci uwag na obnienie sum usonecznienia w Warszawie wzgldem terenw zamiejskich o ok. 100 godz. (Kozowska-Szczsna, Podogrocki 1995). Rwnie Gorczyski (Gorczyski, Kosiska 1916) wspomina o miejskiej nadwyce temperatury wynoszcej w Warszawie rednio 1,5oC w lecie i 0,5oC w zimie (Kossowska-Cezak 1998). Po wojnie klimat miast by przedmiotem bada prawie wszystkich orodkw naukowych znajdujcych si w duych aglomeracjach. Do najstarszych nale szeroko, jak na wczesne czasy, zakrojone badania topoklimatyczne prowadzone w odzi przez prof. S. Zycha (1961), ktre przez wiele lat byy wzorcem metodycznym dla innych autorw. W Krakowie do jednych z najwczeniejszych nale prace Lewiskiej (1967), Hessa (1974) i Oleckiego (1975); w Warszawie publikacje Budziszewskiej (1966), Podogrockiego (1965); na lsku Paszyskiego (1972). Dokonania polskich klimatologw w dziedzinie klimatologii miejskiej podsumowane zostay na I Oglnopolskiej Konferencji nt. Klimat i Bioklimat Miast, ktra odbya si w odzi w dniach 2224 XI 1984 r. Jej kontynuacj byy kolejne konferencje w latach 1992 i 1997. Pojawiy si rwnie publikacje ksikowe w caoci powicone zagadnieniom klimatu miast (Lewiska i in. 1990; Grybo, Tomaszek 1997).

W nowoczesnej klimatologii miejskiej wyrni mona kilka nurtw badawczych. Najbardziej oglny podzia sprowadza si do bada eksperymentalnych i analiz modelowych. W badaniach eksperymentalnych wci dominuj standardowe pomiary parametrw meteorologicznych wykonywane w przyziemnej warstwie powietrza. Znaczny postp bada tego typu moliwy by dziki wprowadzeniu automatycznych stacji meteorologicznych pozwalajcych na wykonywanie pomiarw z du czstotliwoci. Pozwolio to lepiej pozna dynamik zmiennoci pola parametrw meteorologicznych na terenach zurbanizowanych. Uzupenieniem stacjonarnych posterunkw pomiarowych s stacje mobilne ukierunkowane najczciej na badania profili temperatury i wilgotnoci powietrza w poziomym przekroju przez miasto.

9

Nowe moliwoci bada przestrzennego zrnicowania parametrw meteorologicznych pojawiy si wraz z rozwojem technik teledetekcyjnych. Zdjcia satelitarne pozwalaj na analiz wpywu miasta na zachmurzenie, opady i pole wiatru. Najczciej jednak wykorzystywane s one w klimatologii miejskiej do studiw rozkadu temperatury radiacyjnej podoa i zwizanych z nimi prbach okrelenia bilansu cieplnego miasta. Metody teledetekcyjne znalazy rwnie szerokie zastosowanie w badaniach mikroklimatycznych, gwnie na podstawie termalnych zdj rnych powierzchni miejskich (ciany, dachy i okna budynkw, ulice, trawniki).

Oddzielny nurt pomiarowy zwizany jest z poznaniem pionowej struktury granicznej warstwy atmosfery nad miastem. Pionowe sondae atmosfery wykonywane za pomoc balonw meteorologicznych s coraz czciej wypierane przez nowoczesne metody zdalne: sodarowe, lidarowe i radarowe. W Polsce sondae tego typu prowadzone s przez Polsk Akademi Nauk w Krakowie i Uniwersytet Wrocawski (sodary) oraz Uniwersytet Warszawski (lidar). Badania pionowej struktury atmosfery w warstwie przyziemnej o gruboci kilkudziesiciu metrw wykonywane s rwnie przy uyciu masztw pomiarowych umieszczonych wewntrz zabudowy miejskiej. Zastosowanie wysokich masztw pomiarowych pozwolio rwnie na studia nad turbulencyjn wymian ciepa, wilgoci i pdu midzy powierzchni miejsk a atmosfer. Rozwj tego kierunku bada w ostatnich latach uwarunkowany jest powstaniem przyrzdw umoliwiajcych pomiary skadowych prdkoci wiatru, temperatury i zawartoci pary wodnej z czstotliwoci kilku hercw.

Na pograniczu bada eksperymentalnych i analiz komputerowych stoj prby okrelenia typowych ukadw architektonicznych miast (luna zabudowa jednorodzinna, tereny przemysowe, zwarta zabudowa rdmiejska, dzielnice blokw mieszkalnych itp.). Wykorzystywane s w tym celu zarwno obserwacje patrolowe, zdjcia lotnicze i wysokiej rozdzielczoci zdjcia satelitarne, jak i GIS-owskie bazy danych. Geograficzne systemy informacji (GIS Geogra-phical Information System) stay si bardzo uytecznym narzdziem pozwalajcym na czenie pomiarw meteorologicznych z danymi o morfologicznych cechach zabudowy miejskiej, a ich wykorzystanie stanowi obecnie oddzielny przedmiot bada. Mog by one m. in. stosowane w tworzeniu statystycznych modeli zrnicowania parametrw meteorolo-gicznych na obszarze miasta.

Modele statystyczne nale do najczciej proponowanych metod symulacji indywidualnych cech klimatu terenw zurbanizowanych. U ich podstawy le zazwyczaj regresyjne (wczajc regresje nieliniowe) zalenoci midzy badan wielkoci a parametrami meteorologicznymi czy fizycznymi cechami miasta. Pewn odmian modeli statystycznych jest rwnie zastosowanie sieci

10

neuronowych do przewidywania wpywu miasta na wybrane elementy klimatu lokalnego. Modele statystyczne mimo, i niejednokrotnie zadowalajco opisuj rzeczywisto, z reguy nie wyjaniaj procesw fizycznych prowadzcych do powstania wykrytych zalenoci. Z tego powodu wraz z rozwojem komputerw nastpi gwatowny rozwj modeli bazujcych na numerycznym rozwizywaniu rwna dynamiki atmosfery. W ostatnich latach duy nacisk w badaniach modelowych tego typu kadzie si na modele bilansu cieplnego umoliwiajce symulacj turbulencyjnych strumieni pdu i ciepa w miejskiej warstwie powierzchniowej. Jest to podyktowane chci ulepszenia mezoskalowych modeli meteorologicznych i modeli klimatycznych, w ktrych parametryzacje procesw powierzchniowych nad terenem zurbanizowanym sabo reprezentuj rzeczywiste zjawiska. Rzadziej natomiast pojawiaj si w ostatnich latach modele mezoklimatyczne ukierunkowane na badania caej warstwy granicznej nad miastem. Wynika to z faktu, e istniejce modele meteorologiczne stosunkowo dobrze opisuj procesy zachodzce w samej atmosferze. W celu symulacji atmosfery nad miastem (pola wiatru, temperatury czy wilgotnoci) wystarczy wic doda do nich model poprawnie opisujcy wymian energii i pdu midzy atmosfer a powierzchni miejsk.

Oddzieln grup stanowi modele ukierunkowane na analizy mikro-klimatologiczne. W grupie tej najczciej spotyka si modele opisujce przepyw wiatru wok przeszkody, np. pole wiatru w przekroju poprzecznym ulicy. Modele te charakteryzuj si rnym stopniem zoonoci, wczajc nawet symulacj metod wielkich wirw (LES large eddy simulation).

Pomimo niewtpliwych osigni zarwno bada empirycznych, jak i studiw modelowych, w literaturze przedmiotu trudno wskaza prace, w ktrych rezultaty analiz numerycznych byyby bezporednio wykorzystywane w celu interpretacji wynikw pomiarowych, zwaszcza w postaci statystycznych zalenoci pomidzy mierzonymi parametrami. W niniejszym opracowaniu szczeglny nacisk pooono na kompleksow analiz miejskiej wyspy ciepa w odzi za pomoc rnych narzdzi badawczych: standardowych pomiarw meteorologicznych, pomiarw skadnikw bilansu energetycznego oraz modeli numerycznych o rnym stopniu komplikacji. Przedstawione w kocowym rozdziale pracy modele statystyczne s w tym ujciu pewn syntez czc pomiary z wynikami analiz numerycznych. Chocia wyniki prezentowane w poszczeglnych rozdziaach pracy stanowi oddzieln warto poznawcz, naley podkreli walory caego zastosowanego tu cyklu badawczego: pomiar analiza procesw fizycznych (w tym wypadku za pomoc modeli numerycznych) model statystyczny zjawiska. Tego typu caociowe podejcie, oczywiste ze wzgldw metodologicznych, praktycznie nie byo do tej pory stosowane w badaniach miejskiej wyspy ciepa.

11

2.2. Struktura warstwy granicznej atmosfery nad miastem Gwne nurty klimatologii miejskiej w duej mierze zwizane s ze

struktur warstwy granicznej atmosfery nad miastem (rys. 2.1), a badania s czsto ukierunkowane na poznanie indywidualnoci atmosfery miejskiej w rnych skalach przestrzennych. W skali mezoklimatycznej (rys. 2.1a) analizowany jest globalny wpyw miasta na warunki klimatyczne, zaleny od jego wieloci terytorialnej, liczby ludnoci, stopnia uprzemysowienia i intensywnoci zabudowy miejskiej. Typowe rozmiary przestrzenne obiektw ksztatujcych klimat w tej skali s wiksze od 1 km (cae miasta lub due dzielnice). Badajc zrnicowanie warunkw klimatycznych w skali lokalnej (lub topoklimatologicznej pojcia klimat lokalny i topoklimat mog by uywane zamiennie Paszyski i in. 1999) rozrnia si wpyw poszczeglnych typw zabudowy, caych kompleksw urbanistycznych i innych obiektw o rozmiarach rzdu 1001000 m (rys. 2.1b). Wreszcie w skali mikroklima-tycznej (rozmiary obiektw mniejsze od 100 m) rozwaane s indywidualne waciwoci fizyczne poszczeglnych budynkw, cechy charakterystyczne przepywu wiatru w formach o skomplikowanej geometrii, pochanianie promieniowania po wielokrotnym odbiciu itp. (rys. 2.1c). Najbardziej znan form architektoniczn stosowan w badaniach klimatu miasta w skali mikro jest wyidealizowany kanion uliczny (rys. 2.2). Koncepcja ta wprowadzona do klimatologii miejskiej podczas studiw nad pochanianiem promieniowania (Oke, Fuggle 1972; Fuggle, Oke 1976; Numez, Oke 1976; Numez, Oke 1977) okazaa si bardzo uyteczna w syntetycznej analizie wielu zoonych procesw mikroklimatologicznych.

Przedstawiona klasyfikacja, chocia najbardziej rozpowszechniona w literaturze angielskojzycznej, u rnych autorw moe przybiera nieco inne formy. Na przykad w niemieckiej klimatologii miejskiej wyrnia si czsto nieco inny podzia. Zjawiska mezoskalowe dzieli si na dwie podskale: mezoskal ksztatowan pod wpywem obiektw o rozmiarach 20200 km i mezoskal dla obiektw o wymiarach 220 km. Obiekty mniejsze od 2 km determinuj mikroklimat w skali (2002000 m), (20200 m) i (poniej 20 m) (Hschele, 1984; Matzarakis, 2001).

Pionowa struktura warstwy granicznej atmosfery w miecie (UBL urban boundary layer) rni si od warstwy granicznej terenw niezurbanizowanych (PBL planetary boundary layer). Od powierzchni ziemi do poziomu dachw i wierzchokw drzew rozciga si warstwa dachowa (UCL urban canopy layer). Wikszo standardowych pomiarw meteorologicznych, zarwno stacjonarnych, jak i mobilnych, wykonywana jest wanie wewntrz tej warstwy.

12

PBL

UB

L ML

SL

SL

ML

RL

UCL

UB

L

SVF

a)

b)

c)

Rys. 2.1. Struktura warstwy granicznej atmosfery nad miastem w rnej skali przestrzennej: a) mezoskala; b) skala lokalna; c) mikroskala. Oznaczenia skrtw: PBL planetarna warstwa graniczna; UBL miejska warstwa graniczna; SL warstwa powierzchniowa; RL warstwa tarcia; UCL warstwa dachowa; SVF wspczynnik widoku nieba (na podstawie: Oke 2000)

13

W

H

Rys. 2.2. Wyidealizowany kanion uliczny o wysokoci budynkw H i szerokoci ulic W Na zrnicowanie parametrw meteorologicznych w warstwie dachowej bardzo istotny wpyw maj mikroklimatyczne waciwoci miejsca obserwacji. To mikroklimatologiczne zrnicowanie obserwuje si rwnie powyej, a do grnej granicy warstwy tarcia (RL roughness layer). W warstwie tej, ktrej grn wysoko szacuje si na od 1,5 do kilku gruboci warstwy dachowej, wartoci parametrw meteorologicznych takich jak temperatura powietrza, zawarto pary wodnej oraz turbulencyjne strumienie energii s jeszcze silnie zrnicowane przestrzenie w zalenoci od typu powierzchni, nad ktr s mierzone (dach, ulica, trawnik, park). Wartoci rednie parametrw meteorologicznych charakteryzujce klimat w skali lokalnej wystpuj dopiero powyej warstwy tarcia w warstwie powierzchniowej (SL surface layer). Wpyw powierzchni miejskiej obserwuje si a do wysokoci miejskiej warstwy granicznej atmosfery, w ktrej w warunkach sprzyjajcych intensywnemu mieszaniu, powyej warstwy powierzchniowej wydzieli mona jeszcze warstw wymieszan (ML mixed layer). Przytoczona tu klasyfikacja struktury atmosfery nad miastem zostaa stworzona przez Okea (1976, 1988) i potwierdzona empirycznie przez Taeslera (1980).

2.3. Cechy charakterystyczne klimatu miast Stosunkowo najlepiej poznane s cechy klimatu miasta obserwowane w

przyziemnej warstwie atmosfery. Jest to w duej mierze wynikiem stosunkowo prostej metodyki bada wykonywanych za pomoc dostpnych od wielu lat standardowych przyrzdw meteorologicznych. Do najczciej stosowanych nale stacjonarne pomiary porwnawcze prowadzone na dwch lub wicej stacjach meteorologicznych usytuowanych w punktach o rnym stopniu zurbanizowania.

14

2.3.1. Miejska wyspa ciepa (UHI) Najbardziej ewidentnym przejawem odrbnoci klimatu miasta jest wzrost

temperatury powietrza w przyziemnej warstwie atmosfery w stosunku do temperatury powietrza za miastem. Zjawisko to, od dawna nazywane miejsk wysp ciepa (UHI urban heat island), naley do najlepiej poznanych indywidualnoci klimatu terenw zurbanizowanych. Geneza sowa wyspa zwizana jest z obrazem izoterm, ktre wykrelone na planie miasta, przyjmuj ksztat podobny do konturu wyspy otoczonej morzem chodniejszego powietrza. W przypadku braku dokadnych informacji o rozkadzie temperatury w miecie (pomiary porwnawcze wykonywane na dwch posterunkach) czsto stosowan miar kontrastw termicznych jest natenie UHI. Liczone jest ono jako rnica temperatury pomidzy stacj usytuowan w centrum gstej zabudowy miejskiej a stacj zamiejsk. Miejska wyspa ciepa jest zjawiskiem typowo dynamicznym, charakteryzujcym si du zmiennoci dobow i roczn (Sunborg 1950; Bornstein 1968). Najwiksze rnice temperatury midzy miastem a terenem zamiejskim obserwuje si podczas pogodnych, bezchmurnych nocy. W duych miastach amerykaskich, przy sprzyjajcych warunkach pogodowych, rnice te mog przekracza 12oC, podczas gdy w miastach europejskich najczciej dochodz do 10oC. Obserwuje si przy tym wyran zaleno midzy wielkoci miasta a nateniem UHI maksymalne natenie miejskiej wyspy ciepa jest liniow funkcj logarytmu populacji (Oke 1973). W miastach polskich dobrze rozwinita miejska wyspa ciepa osiga natenie 58oC. Maksymalne zanotowane wartoci s jednak wysze. W Warszawie zanotowano kontrasty termiczne przewyszajce 10oC (Wawer 1995), w Lublinie 8oC (Kaszewski, Siwek 1998) w Krakowie 7oC (Lewiska i in. 1990) we Wrocawiu 7oC (Dubicka, Szymanowski 2002). Najwysze w Polsce natenie UHI zanotowano w odzi w nocy z 5 na 6 lutego 1996 r. Rnice temperatury midzy centrum miasta a dzielnicami peryferyjnymi dochodziy wtedy do 12oC (Kysik, Fortuniak 1999). Jako termin maksymalnych kontrastw termicznych midzy miastem a otaczajcym go terenem przyjmuje si najczciej 23 godz. po zachodzie Soca (Landsberg 1981; Oke 1982b). Termin ten ulega jednak znacznym zmianom i w zalenoci od struktury urbanistycznej miasta oraz warunkw meteorologicznych moe przypada praktycznie o dowolnej godzinie midzy zachodem a wschodem Soca. W wietle wartoci rednich rocznych czy miesicznych miejska wyspa ciepa zaznacza si o wiele mniej wyranie, a jej maksymalne natenie zaley w duej mierze od makroklimatycznych uwarunkowa obszaru, na ktrym miasto jest pooone (od czstoci wystpowania sprzyjajcych warunkw pogodowych). W strukturze przestrzennej miejskiej wyspy ciepa charakterystyczny jest stosunkowo duy

15

poziomy gradient temperatury na granicy zwartej zabudowy miejskiej, po ktrym nastpuje wzgldnie saby wzrost temperatury, a do maksimum w rdmieciu. W analogii do wyspy Oke (1995) okrela te struktury mianem klifu, paskowyu i szczytu. W zalenoci od prdkoci wiatru obraz ten moe jednak ulec pewnym modyfikacjom. Jest on bowiem przykadem tzw. uoglnionej formy miejskiej wyspy ciepa wystpujcej podczas sabego wiatru. W warunkach pogody bezwietrznej miejska wyspa ciepa przyjmuje form komrkow charakteryzujc si wyranymi ogniskami ciepa porozdzielanymi obszarami chodnego powietrza (Kysik 1998). Jest to wynikiem osabienia procesw mieszania powietrza, ktre powoduj ujednorodnienie pola temperatury. Zarwno forma, jak i intensywno miejskiej wyspy ciepa s wynikiem wspdziaania wielu zoonych procesw fizycznych. Spord procesw tych najczciej wymienia si (Oke 1995):

1. Specyficzny w bilans radiacyjny miast. Gwny wpyw maj w tym wypadku dwa czynniki: zanieczyszczenie powietrza i geometria miejskich struktur urbanistycznych. Zanieczyszczenie powietrza powoduje zwikszenie promieniowania zwrotnego atmosfery na skutek zwikszonego pochaniania promieniowania wyemitowanego przez powierzchni ziemi. Rwnie zwikszone pochanianie promieniowania krtkofalowego przez zanieczy-szczone powietrze miejskie moe prowadzi do jego ogrzewania, a w efekcie do zwikszenia promieniowania zwrotnego. Efektywne wypromieniowanie energii przez powierzchnie miejskie jest natomiast utrudnione ze wzgldu na zoon geometri budynkw. Znaczna cz energii wypromieniowanej przez ulice i ciany budynkw jest absorbowana przez otaczajce zabudowania. Efekt ten jest tym silniejszy, im gbsze s kaniony uliczne. Pochanianie promieniowania krtkofalowego na skutek wielokrotnych odbi zmniejsza natomiast efektywne albedo miasta, co powoduje jego wiksze nagrzewanie si w cigu dnia. Z tego wzgldu obserwuje si silny zwizek midzy miejsk wysp ciepa a geometrycznymi charakterystykami kanionw ulicznych, takimi jak wspczynnik widoku nieba czy stosunek wysokoci budynkw do szerokoci ulic (Oke 1981).

2. Zwikszona pojemno cieplna materiaw budowlanych. Prowadzi ona do gromadzenia energii sonecznej dostarczanej miastu w cigu dnia i jej oddawania w nocy. Wpyw tego czynnika na intensywno miejskiej wyspy ciepa silnie zaley od waciwoci cieplnych gleb otaczajcych miasto (skay, piasek, torf) oraz ich uwilgotnienia (dua pojemno cieplna wody) oraz materiaw, z ktrych wykonano powierzchnie sztuczne w miecie (np. rodzaj izolacji termicznej budynkw). W zalenoci od wzajemnych relacji midzy parametrami cieplnymi miasta i otaczajcych go terenw wpyw ten moe by zarwno negatywny, jak i pozytywny (Oke i in. 1991).

16

3. Antropogeniczny strumie ciepa. Obejmuje on zarwno ciepo uzyskane ze spalania paliw kopalnych, jak i ciepo metaboliczne (to drugie najczciej zaniedbywalnie mae). Ogrzewanie atmosfery miejskiej t drog zaley gwnie od iloci zuytej energii na jednostk powierzchni, a ilo ciepa pochodzenia antropogenicznego dostarczanego do atmosfery miejskiej jest czasami porwnywalna (a nawet wysza) z pozostaymi skadnikami bilansu energetycznego.

4. Zmniejszona ewapotranspiracja. Ten czsto przytaczany czynnik (Oke 1995) wydaje si by nieco dyskusyjny. Rzeczywicie mniejszy udzia rolinnoci i odkrytego gruntu powodujce mniejsze straty ciepa na parowanie w cigu dnia mog przyczynia si do wikszego przegrzewania miasta. Z drugiej strony, w pogodne bezchmurne noce zjawisko rosy na terenach zamiejskich dostarcza przygruntowym warstwom powietrza dodatkowego ciepa skraplania. Na terenach zurbanizowanych zjawisko to obserwuje si znacznie rzadziej, a strumie ciepa utajonego przyjmuje dodatnie wartoci przez ca dob.

5. Zmniejszony turbulencyjny transport ciepa. Wpyw tego czynnika na powstawanie miejskiej wyspy ciepa rwnie nie jest oczywisty. Gsta miejska zabudowa rzeczywicie prowadzi do zmniejszenia prdkoci wiatru w warstwie dachowej, co moe pociga za sob wiksze nagrzewanie powierzchni budynkw i ulic w cigu dnia. Jednake w czasie pogodnych nocy sprzyjajcych powstawaniu UHI w miecie obserwuje si prawie adiabatyczny profil pionowy temperatury. W tym samym czasie na terenach zamiejskich stratyfikacja przyziemnych warstw atmosfery jest zdecydowanie staa, czsto przyjmujca form inwersji termicznych. Fakt ten sugeruje wiksze wymieszanie atmosfery miejskiej bdce prawdopodobnie wynikiem poczenia turbulencji mechanicznej (wiksza szorstko terenu) i termicznej (przegrzanie powierzchni miejskiej wzgldem napywajcego znad okolicznych terenw powietrza).

Wymienione czynniki mog w rnym stopniu przyczynia si do powstawania miejskiej wyspy ciepa. Wpywy te zale zarwno od samej struktury miasta, cech fizycznych obszaru, na ktrym si ono znajduje, jak i zmieniajcych si warunkw meteorologicznych. Typowym tego przykadem jest rola emisji ciepa sztucznego, niewielka latem, a wrcz decydujca zim. Dua pojemno cieplna miasta odgrywa znaczn rol w przypadku adwekcji chodnego powietrza, lecz przy adwekcji ciepa moe wpywa ujemnie na powstawanie miejskiej wyspy ciepa.

17

2.3.2. Stosunki radiacyjne terenw zurbanizowanych Prawie rwnie dobrze jak miejska wyspa ciepa poznane s stosunki

radiacyjne terenw zurbanizowanych. Promieniowanie krtkofalowe docierajce do powierzchni ziemi jest silniej tumione i rozpraszane w miecie ni na terenach zamiejskich ze wzgldu na odmienny skad atmosfery, ktra nad miastem zawiera znacznie wicej rnorodnych, pyowych i gazowych, zanieczyszcze (Landsberg 1981). W miastach, w ktrych zanieczyszczenia pochodz gwnie ze spalania wgla w celach przemysowych lub w paleniskach domowych redukcja, promieniowania sonecznego waha si od ok. 10% w przypadku sum rocznych, poprzez ok. 20% w rednich miesicznych dla okresu zimowego, a do ponad 30% w wybranych dniach. Czterdziestoletnie obserwacje w Warszawie wskazuj na ponad 20% redukcj sum miesicznych promieniowania cakowitego w zimie i 510% latem (Kozowska-Szczsna, Podogrocki 1995). Mniejsze tumienie obserwuje si w miastach, w ktrych na zanieczyszczenia skadaj si stosunkowo mae czstki gazowe (np. te wywoujce smog fotochemiczny). Zmniejszaj one promieniowanie bezporednie, lecz jednoczenie powoduj wzrost promieniowania rozproszonego, w efekcie czego cakowite promieniowanie soneczne jest nisze tylko o kilka procent od promieniowania obserwowanego na otaczajcych miasto terenach (Oke 1988). Tumienie promieniowania sonecznego w atmosferze miejskiej charakteryzuje si wyranym biegiem dobowym i rocznym. Najsilniejszemu osabieniu podlega promieniowanie przy niskich wysokociach Soca, przy czym efekt ten najsilniej zaznacza si w miesicach zimowych. Wysokie pooenie Soca sprzyja natomiast przenikaniu promieniowania sonecznego do powierzchni gruntu szczeglnie w czystym, wieym powietrzu. Pochanianie promieniowania krtkofalowego przez atmosfer miejsk ma wyranie selektywny charakter. Najwiksze straty promieniowania zachodz w ultrafioletowej czci widma. Promieniowanie UV jest na terenach zurbanizowanych nisze o ok. 40%, a w ekstremalnych przypadkach straty te mog dochodzi nawet do 90% (Oke 1995). W miar wzrostu dugoci fali (w zakresie krtkofalowym) procentowe tumienie wiata zaznacza si mniej wyranie. Bilans radiacyjny w pamie krtkofalowym jest na terenach zurbanizowanych dodatkowo modyfikowany przez odmienne optyczne waciwoci podoa. Odmienno ta wynika zarwno z cech fizycznych materiaw pokrywajcych powierzchnie ulic, chodnikw, cian i dachw, jak rwnie ze wspomnianych ju zalenoci geometrycznych midzy zabudow. Problem efektywnego albedo miasta zostanie szerzej omwiony w rozdziale 6. W dugofalowym zakresie promieniowania najlepiej udokumentowana jest intensyfikacja promieniowania zwrotnego atmosfery miejskiej (L). W stosunku

18

do terenw zamiejskich L jest wiksze o ok. 640 Wm2 (Oke, Fuggle 1972), osigajc maksymalne wartoci w godzinach popoudniowych, minimalne wczesnym rankiem (Estournel i in. 1983). Znacznie mniej poznane jest efektywne wypromieniowanie energii w pamie dugofalowym. Poniewa zdolno emisyjna materiaw budowlanych jest tylko nieznacznie nisza od typowych wartoci dla terenw zamiejskich, istnieje podejrzenie (Oke 1988), e miasto emituje wicej energii ni otaczajce je tereny. Podobnie niejasny jest wpyw miasta na cakowity bilans radiacyjny (Q*). W cigu dnia Q* moe przyjmowa w miecie zarwno lekko ujemne, jak i lekko dodatnie wartoci w stosunku do terenw zamiejskich. W nocy obserwuje si natomiast wikszy deficyt promieniowania w miecie ni na terenach je otaczajcych.

2.3.3. Wpyw miasta na pole wiatru Ewidentny wpyw prdkoci wiatru na dyspersj zanieczyszcze powoduje,

e zagadnieniu pola wiatru w miecie rwnie powicono wiele uwagi. Miejska zabudowa o zmiennej wysokoci budynkw powoduje wzrost szorstkoci aerodynamicznej podoa, co pociga za sob zmniejszenie prdkoci wiatru przy powierzchni ziemi oraz w caym profilu pionowym nad miastem. rednia roczna prdko wiatru w miecie jest czsto o 2030% nisza ni na otwartym terenie zamiejskim (Lee 1979). W sprzyjajcych warunkach meteorologicznych obraz ten moe jednak ulec zmianie. Szczeglnie noc, rednie godzinne prdkoci wiatru w miecie mog przewysza wartoci zamiejskie (Chandler 1965; Bornstein, Johnson 1977). Ma to czsto miejsce podczas sabego wiatru i dobrze rozwinitej miejskiej wyspy ciepa. Wysza temperatura miasta powoduje wtedy powstanie cyrkulacji bryzowej wyranie zaznaczajcej si na tle sabego pola wiatru. W zalenoci od pory roku i doby istnieje krytyczna prdko wiatru zamiejskiego, poniej ktrej prdko wiatru w miecie zaczyna dominowa nad prdkoci wiatru na terenie niezabudowanym. Drugi przypadek wikszych prdkoci wiatru w miecie wystpuje przy silnym wietrze w grnych warstwach atmosfery. Zwikszona szorstko aerodynamiczna miasta moe wtedy intensyfikowa turbulencyjny transport pdu ku powierzchni ziemi, co powoduje zwikszenie prdkoci wiatru w przypowierzchniowej warstwie atmosfery (Oke 1995). Rwnie kierunek wiatru jest silnie modyfikowany przez zabudow miejsk. Dotyczy to zarwno mezoskalowego pola wiatru, jak i mikroskalowych przepyww wok pojedynczych struktur architektonicznych. W skali mikroklimatycznej szczeglnie wiele uwagi powicono rozkadowi pola wiatru w kanionie ulicznym. Zarwno badania eksperymentalne (DePaul, Sheih 1986; Nakamura, Oke 1988), jak i symulacje komputerowe (Macdonald

19

2000; Ca i in. 1995) dowodz, e przepyw w kanionie ulicznym nie podlega logarytmicznemu prawu wiatru, a na poziomie dachw obserwuje si gwatowny spadek prdkoci wiatru. Generalizujc informacje o warunkach anemo-metrycznych w miecie naley pamita o duej zmiennoci pola wiatru, silnie zwizanej ze specyfik lokalizacji miejsca obserwacji. Czynniki mikro-klimatyczne mog prowadzi do zupenie rnych wynikw pomiarowych na posterunkach pooonych blisko siebie lub z pozoru charakteryzujcych si duym podobiestwem. Chocia deformacja pola wiatru przez pojedyncze budynki bya przedmiotem zarwno bada dowiadczalnych, symulacji komputerowych jak i studiw z uyciem modeli fizycznych, oszacowanie wpyww mikroklimatycznych jest w przypadku wiatru niesychanie trudne. Dlatego oglne, ilociowe informacje o wpywie miasta na prdko wiatru otrzymywane na podstawie pomiarw w jednym lub kilku wybranych punktach umieszczonych w warstwie dachowej mog by obarczone duym bdem. Dopenieniem bada nad zmiennoci pola wiatru w miecie s studia dotyczce charakterystyk turbulencji obszarw zurbanizowanych: tensora Reynoldsa, znormalizowanych wariancji parametrw meteorologicznych czy ich spektralnych waciwoci (Hgstrm i in. 1982; Rotach 1993; Roth 1993; Roth, Oke 1993; Rotach 1995).

2.3.4. Stosunki wilgotnociowe terenw zurbanizowanych W odrnieniu od stosunkw termicznych, problemw bilansu radiacyjnego

czy warunkw anemometrycznych, stosunkowo rzadko podejmowane s zagadnienia wilgotnoci powietrza (Chandler 1967; Kopec 1973; Hage 1975; Ackerman 1987; Adebayo 1991; Lee 1991; Juregui, Tejeda 1997; Holmer, Eliasson 1999; Unger 1999). Najlepiej poznane s rnice midzy miastem a terenem zamiejskim przejawiajce si w wielkociach charakteryzujcych bezwzgldn zawarto wody w powietrzu. W miecie nie obserwuje si typowego dla terenw zamiejskich biegu dobowego prnoci pary wodnej cechujcego si dwoma maksimami i dwoma minimami. Po minimum popoudniowym zawarto pary wodnej w powietrzu wzrasta a do zachodu Soca, po czym utrzymuje si na staym poziomie przez ca noc (Hage 1975; Oke 1995). Na terenach zamiejskich zawarto pary wodnej, w cigu dnia wyranie wysza ni w miecie ze wzgldu na intensywn ewapotranspiracj, noc spada zdecydowanie poniej wartoci miejskich, co jest wynikiem procesw kondensacji na powierzchni odkrytego gruntu. Przebiegi te ksztatuj dobow zmienno kontrastw wilgotnociowych miasto tereny zamiejskie: noc wystpuje w miecie nadwyka wilgoci w stosunku do terenw je

20

otaczajcych, w dzie sytuacja ulega odwrceniu. Prezentowany obraz podlega zmiennoci rocznej i wpywom makroklimatycznym. W miastach umiarko-wanych szerokoci geograficznych w miesicach zimowych i czciowo wiosennych miejska nadwyka wilgoci utrzymuje si praktycznie przez ca dob. Dominujcym procesem jest w tym przypadku emisja wilgoci pochodzenia antropogenicznego. W tropikach (nigeryjskie miasto Ibadan) bezwzgldna wilgotno jest wysza w miecie w sezonie mokrym i nisza w sezonie suchym (Adebayo 1991). W miecie Meksyk miejska nadwyka wilgoci wystpuje w cigu nocy sezonu wilgotnego. Kontrasty te zanikaj w sezonie suchym (Juregui, Tejeda 1997). W wietle wilgotnoci wzgldnej miasto jawi si jako obszar o obnionej zawartoci pary wodnej. Jest to wynikiem wyszej temperatury w miecie, ktra pociga za sob zwikszenie prnoci pary wodnej nasyconej, co z definicji obnia warto wilgotnoci wzgldnej (Landsberg 1981).

2.3.5. Wpyw miasta na wystpowanie hydrometeorw Z zawartoci wody w atmosferze zwizane jest rwnie wystpowanie

w miecie hydrometeorw. Miasto jest potocznie uwaane za bardziej mgliste ni tereny zamiejskie. Przekonanie to nie znajduje jednak potwierdzenia w badaniach klimatu miast. Rzeczywicie, w wikszoci miast obserwuje si redukcj widzialnoci wywoan zanieczyszczeniem powietrza. Niektre z czsteczek tworzcych te zanieczyszczenia s, ze wzgldu na skad chemiczny, dobrymi jdrami kondensacji. Skraplanie wody moe wtedy zachodzi nawet w nienasyconym par wodn powietrzu. Proces ten, nazywany topieniem aerozoli, powoduje zmniejszenie widzialnoci w miastach kiedy wilgotno wzgldna osiga 7080% (Stull 2000). Ograniczenie widzialnoci jest wtedy spowodowane zamgleniem, ktrego kropelki maj rozmiary rzdu 0,02 m. Rzadziej jednak w miecie obserwuje si typow mg, zwaszcza mg gst, ograniczajc widzialno poniej 200 m. Wyjtkiem s miasta pooone w zimnym klimacie o wzmoonej antropogenicznej emisji pary wodnej, ktra przy temperaturach spadajcych znacznie poniej punktu zamarzania i duej liczbie jder kondensacji prowadzi do powstania mgy lodowej.

Indywidualno klimatu terenw zurbanizowanych przejawia si take w intensyfikacji opadw atmosferycznych. Due orodki miejskie otrzymuj w skali roku o kilka procent opadw wicej od wartoci redniej obszarw, na ktrych si znajduj (Landsberg 1981). Obserwuje si przy tym przesunicie maksimum opadowego znad centralnych dzielnic miast ku zawietrznej stronie aglomeracji (Oke 1995). Spord przyczyn tego zjawiska najczciej wymienia

21

si: wzrost liczby jder kondensacji, zwikszon emisj pary wodnej oraz intensyfikacj konwekcji przez przegrzanie powierzchni czynnej w miecie i intensyfikacj turbulencji przez du szorstko podoa. Kilkuprocentowy wzrost rocznych sum opadw na terenach zurbanizowanych ma stosunkowo niewielkie znaczenie gospodarcze. Naley jednak pamita, e wzrost ten moe by przejawem intensywniejszych opadw konwekcyjnych, co powinno by uwzgldniane przy projektowaniu sieci kanalizacyjnej. Wpyw miasta na ulewne deszcze jest jednak trudny do oszacowania ze wzgldu na ich lokalny charakter i losow natur pola opadw konwekcyjnych praktycznie nie mona stwierdzi, czy obserwowany jedynie w miecie ulewny deszcz nie wystpiby na tym samym obszarze w przypadku gdyby miasto nie istniao, a gdyby wystpi, to o ile mniejsza byaby suma opadu.

22

3. OBSERWOWANA MIEJSKA WYSPA CIEPA W ODZI 3.1. d jako miejsce bada klimatu miasta

Struktura urbanistyczna odzi oraz jej warunki naturalne sprawiaj, e mona tu znale wyjtkowo korzystne warunki do bada indywidualnoci klimatycznych terenw zurbanizowanych. Z liczb mieszkacw sigajc blisko 850 tys. jest d drugim co do wielkoci miastem w Polsce. Miasto to cechuje si przy tym bardzo przejrzystym ukadem architektonicznym. Najstarsza cz odzi powstaa w wikszoci na przeomie XIX i XX w. w okresie gwatownego rozwoju przemysowego. Na obszarze tym ulice s prostopade wzgldem siebie, zorientowane prawie dokadnie w kierunkach pnoc-poudnie lub wschd-zachd. Chocia generalnie zabudowa ma tutaj charakter mieszany, mieszkalno-przemysowy, gsto zabudowane wzdu ulic kamienice tworz klasyczne przykady kanionw ulicznych. atwy do wyznaczenia jest rwnie poziom dachw, z ktrego wyrasta zaledwie kilkanacie nowych budynkw mieszkalnych i biurowych (cay obszar historycznej zabudowy obejmuje ok. 15 km2). Ta najstarsza cz miasta otoczona jest przez dzielnice przemysowe i mieszkaniowe. W dzielnicach przemysowych, zajmujcych w caym miecie powierzchni ponad 14 km2, na specjalnie wydzielonych terenach Teofilowa, Widzewa, Dbrowy zlokalizowano wielkie zakady produkcyjne. W ostatnich latach wiele z tych zakadw upado, a ich pomieszczenia wykorzystywane s obecnie czsto jako magazyny lub hale handlowe. Wrd dzielnic mieszkaniowych wyrnia si dwa zasadnicze typy zabudowy: bloki mieszkalne i domy jednorodzinne. Dzielnice blokw mieszkalnych (Teofilw, Retkinia, Widzew, Radogoszcz, Chojny) zlokalizowane na obrzeach miasta zajmuj najwiksz cz jego zabudowanej powierzchni (ogem prawie 30 km2). Na tych bardzo monotonnych architektonicznie obszarach przewaaj 5- lub 12-kondygnacyjne budynki o rnej dugoci (najczciej 50 m), szerokoci 10 m i wysokoci 15 lub 35 m. Rwnie przewanie na peryferiach miasta pooone s dzielnice domw jednorodzinnych (zajmujce cznie ok. 21 km2). Charakteryzuj si one znacznie wikszym udziaem zieleni i mniejsz intensywnoci zabudowy (Kysik 1998).

23

Pooenie odzi ma rwnie bardzo due znaczenie dla studiw nad modyfikacjami lokalnych cech klimatu. Gwnym atutem jest tutaj stosunkowo mae zrnicowanie cech geograficznych terenu wok odzi. W najbliszym ssiedztwie odzi brak jest bowiem jednostek, ktrych wpyw na klimat lokalny byby trudny do oddzielenia od wpyww miasta. Typowym przykadem takich wpyww moe by stabilizujce temperatur i powodujce powstawanie wiatrw bryzowych istnienie duych zbiornikw wodnych: blisko morza, jeziora czy nawet duej rzeki. Z orografi terenu zwizane s natomiast wiatry nizinne i grskie oraz zastoiska zimnego powietrza. d pooona jest natomiast na prawie paskim terenie, lekko nachylonym ku poudniowemu zachodowi. Na obszarze intensywnie zabudowanym najniej pooone s dzielnice zachodnie (Retkinia 180 m n.p.m.), najwyej wschodnie (Widzew-wschd 235 m n.p.m.), chocia w administracyjnych granicach odzi najwyej pooona jest cz pnocno-wschodnia (270 m n.p.m.). Najwiksza rnica w wysokoci terenu dzielnic zabudowanych wynosi wic 55 m przy odlegoci 12 km. Chocia mae dolinki powoduj, e przecitne wysokoci wzgldne wynosz ok. 10 m na km2, to wysoko zabudowy przewysza znacznie te naturalne deniwelacje terenu. Z klimatologicznego punktu widzenia teren odzi mona wic uzna za mao urozmaicony pod wzgldem hipsometrycznym.

W odzi ju przed wojn istniay na terenie miasta stacje meteorologiczne umoliwiajce porwnanie temperatur ze stacj zamiejsk (Kysik i in. 1995). Porwnania takie nie byy wtedy jednak wykonywane i dopiero w ostatnich latach dane te doczekay si opracowania (Kysik, Kafar 1995). Studia nad przestrzenn struktur i intensywnoci miejskiej wyspy ciepa w odzi zapocztkowane zostay przez prof. Zycha (1961). Od tego czasu okresowo dziaay na terenie miasta stacje meteorologiczne ukierunkowane na poznanie charakterystycznych cech mikroklimatu w rnych typach zabudowy. Rozkad temperatury w miecie badano rwnie wykonujc pierwsze pomiary patrolowe (Kysik, Tarajkowska 1977; Kysik 1985). Regularne badania intensywnoci miejskiej wyspy ciepa podjto po utworzeniu w 1992 r. Miejskiej Stacji Meteorologicznej (MSM) Katedry Meteorologii i Klimatologii U, mieszczcej si w centrum miasta. Prowadzone do 1996 r. manualne pomiary temperatury w czterech gwnych terminach obserwacyjnych wskazuj na istnienie w odzi dobrze rozwinitej miejskiej wyspy ciepa o intensywnoci dochodzcej do 7oC (Kysik, Fortuniak 1998). Intensywne studia nad dynamik zmiennoci natenia miejskiej wyspy ciepa stay si moliwe po zautomatyzowaniu stacji meteorologicznych (Fortuniak, Kysik 1998; Fortuniak 2000, 2001). Nowoczesne czujniki HMP35 (Vaisala) umoliwiy rwnie wykonanie precyzyjnych pomiarw patrolowych. Pomiary takie wykonane w sprzyjajcych

24

warunkach doprowadziy do wykrycia miejskiej wyspy ciepa o ekstremalnie duej intensywnoci prawie 12oC (Kysik 1998; Kysik, Fortuniak 1999).

Rys. 3.1. Lokalizacja automatycznych stacji meteorologicznych Katedry Meteorologii i Klimatologii U na terenie odzi

3.2. Aktualny system pomiarowy i dane wykorzystane w opracowaniu Od 1997 r. na terenie odzi pracuj trzy automatyczne stacje

meteorologiczne gromadzce dane za pomoc rejestratorw 21X i CR10 (Campbell Scientific Inc.). Czstotliwo prbkowania wynosi 0,1 Hz, lecz dane zapisywane s do pamici rejestratora co 10 min. W zalenoci od parametru s

25

to wartoci chwilowe lub/oraz ich rednie 10-minutowe. Do standardowych pomiarw temperatury i wilgotnoci wzgldnej wykorzystywane s umieszczone w klatkach meteorologicznych i podczone do rejestratorw sondy HMP35 (Vaisala). Ponadto rejestrowane s wartoci temperatury w gruncie (5, 10, 20 i 50 cm), temperatury przy powierzchni gruntu (5 cm nad gruntem), gradientw temperatury i wilgotnoci (0,5 i 10 m), prdkoci i kierunku wiatru oraz cakowitego promieniowania sonecznego i promieniowania w zakresie ultrafioletowym. Ukad czujnikw jest nieco inny na poszczeglnych punktach pomiarowych w zalenoci od specyfiki najbliszego otoczenia i posiadanego sprztu (tab. 3.1). Warunki zamiejskie reprezentuje stacja meteorologiczna d Lublinek (rys. 3.1). Chocia jej odlego od centrum miasta nie jest zbyt dua (w linii prostej ok. 6,5 km od dworca d Fabryczna), usytuowanie stacji na odkr

tosunkowo maej czstotliwoci wiatrw z kierunku NE dodatkowo minimalizuje wpyw aglomeracji dzkiej. Dwa pozostae posterunki reprezentuj warunki miejskie. Oba znajduj si w centrum miasta, leczcha cja Meteorologiczna pooona jest na du u dworca kolejowego d Fabryczna. meteorologicznej s u przekracza 50 m i z wy ch, wieczorny h niektryg tka prawie przez cay d wystawiona jest na d promieni sonecznych. Posterunek pomiarowy przy u rzeach gstej zabudowy iejskiej. S na trawniku przed budynkiem I j odlego od ot zajcych j b gnacyjny budynek Instytutu znajduje si odleg ci o achodnim. Po d iej stro ie ulicp m znajduje si budynek podobnej wysoko nek poudniowo-wschodni i c ciowo poudniowy przeso wysokimi drzewami, ktrych wierzchoki pokrywaj z wym. Takie usytuowanie klatki m doc aniu bezporedniego pr sonecznego do miejsca obserwacji, co wpywa na z

syw ci mi jskiej wyspy ci peratury zmierzone na wy-m meteorologicznych w latach 19971999.

ytym terenie lotniska pozwala przypuszcza, e w warunkach sabego wiatru lokalne warunki klimatyczne dominuj nad wpywami miasta. Stacja ta usytuowana jest ponadto na poudniowo-zachodnich obrzeach miasta, co przy s

rakteryzuj je nieco odmienne warunki mikroklimatyczne. Miejska Sta

y placu w poblimOdlego klatki

jtkiem godzin ranny od najbli

czych boraz

dynkwch

odzin w okresie zimowym kla zieziaanie bezporednich l. Lipowej 81 usytuowany jest na ob rdmama klatka meteorologiczna znajduje sinstytutu Nauk o Ziemi U, w niewielkie ci acudynkw. Piciokondy w ok. 10 m w kierunku poudniowo-z rug n y od nocy w odlegoci nieco ponad 20

ci. Kieru znity jest si

dobrze zaznaczonym poziomem dachoeteorologicznej powoduje du zmienno w omieniowania

ier

rnicowanie termiczne w skali mikroklimatycznej. W niniejszym opracowaniu studia nad inten

epa przeprowadzono wykorzystujc wartoci temno e

ienionych trzech stacjach

26

Tabe 3.1

ogicz Katedry Meteorologii i Klimatologii U

ul.Lipowa MSM Lublinek

l a

Pomiary wykonywane przez automatyczne stacje meteorol ne

Mierzony parametr

Temperatura powietrza na wys. 2 m (w klatce meteorologicznej)

x x x

W x x ilgotno wzgldna powietrza na wys. 2 m (w klatce meteorologicznej)

x

10-minutowa suma promieniowania krtkofalowego x 10-minutowa suma promieniowania ultrafioletowego x 12-godzinna suma opadw x x Cinienie atmosferyczne na poziomie stacji x Temperatura powietrza:

5 cm n.p.g. x 50 cm n.p.g. x 10 m n.p.g. x

Wilgotno wzgldna 10 m nad powierzchni gruntu x Temperatura powietrza na wys. 27 m (10 m nad dachem

budynku IGFiK) x

Wilgotno wzgldna powietrza na wys. 27 m (10 m nad dachem budynku IGFiK)

x

Temperatura powietrza na wys. 18 m (1 m nad dachem budynku IGFiK)

x

Temperatura gruntu na gbokoci: 5 cm x x 10 cm x x 20 cm x x x 50 cm x x x

Prdko wiatru warto rednia i maksymalna z 10 min. na wysokoci:

11 m x x 27 m (10 m nad dachem budynku IGFiK) x 37 m (20 m nad dachem budynku IGFiK) x

Kierunek wiatru na wys.11 m (rednia z 10-min) x x Kierunek wiatru na wys. 27 m (10 m nad dachem budynku

IGFiK) warto rednia z 10-min x

Odchylenie standardowe kierunku wiatru na wys. 11 m x x Odchylenie standardowe kierunku wiatru na wys. 27 m x

Intensywno miejskiej wyspy ciepa obliczono dla standardowej wysokoci 2 m n.p.g. z pomiarw wykonywanych czujnikami umieszczonymi w klatce meteorologicznej. W obliczeniach wykorzystano oryg alne 10-minutowe in

27

wa r z s (zachmurzenie).

rtoci zapisywane do rejestratorw. Do szczegowych analiz wykorzystanownie wartoci innych parametrw meteorologicznych zarwno pochodzcychy temu automatycznego, jak i obserwacji wizualnychs

Rys. 3.2. Fotografie otoczenia stacji pomiarowych wykonane obiektywem typu rybie oko: posterunek przy ul. Lipowej 81; Miejska Stacja Meteorologiczna; stacja meteorologiczna d Lublinek (fot. K. Fortuniak)

3.3. Natenie miejskiej wyspy ciepa w odzi w wietle wartoci rednich miesicznych

Dynamiczny charakter miejskiej wyspy ciepa powoduje, e w wietle

wartoci rednich miesicznych kontrasty termiczne midzy centrum miasta a stacj zamiejsk nie s due. W odzi w analizowanym okresie 19971999 rednie miesiczne rnice temperatur midzy posterunkami pooonymi w centrum a stacj d Lublinek nie przekraczaj 2oC nawet w najbardziej uprzywilejowanych godzinach nocnych (rys. 3.3 i 3.5). Najsilniejsze kontrasty termiczne obserwuje si w miesicach letnich, gwnie w sierpniu. rednie pole temperatury zim jest mniej zrnicowane, a rnice temperatury nie

28

przekraczaj 1oC. Naley jednak przypuszcza, e obraz ten jest wynikiem wikszej liczby dni z warunkami pogodowymi sprzyjajcymi rozwojowi miejskiej wyspy ciepa w lecie a nie wikszymi ni zim rnicami temperatur podczas indywidualnych epizodw dobrze rozwinitej UHI. Izotermy przedstawione na rys. 3.3 wskazuj na generalnie podobn dobow zmienno natenia UHI liczonego wzgldem obu punktw pomiarowych. Widoczny jest wyrany zwizek midzy gwatownym rozwojem i zanikiem UHI a terminami wschodw i zachodw Soca. W cigu nocy na obu posterunkach obserwuje si wyrane podwyszenie temperatury w stosunku do obszarw niezurbanizo-wan

usytuowaniu obu punktw pomiarowych zaznaczaj si wyranie w cigu dnia. Miejska nadwyka temperatury na MSM wystpuje praktycznie przez ca dob. W ukadzie izoterm pojawiaj si jedynie bardzo mae ogniska ujemnych kontrastw termicznych. W miesicach letnich praktycznie ju od minimum porannego obserwuje si powolny wzrost rnic temperatury midzy MSM a Lublinkiem. Po zachodzie soca wzrost ten staje si szybszy, ale nie tak gwatowny jak na posterunku przy ul. Lipowej. Cech charakterystyczn posterunku przy ul. Lipowej jest natomiast wyrane obnienie temperatury w cigu dnia w stosunku do terenw zamiejskich. Widoczny jest przy tym wyrany zwizek z temperatur a przesoniciem horyzontu. Przy niskich pooeniach Soca, w godzinach porannych i wieczornych, kiedy klatka meteorologiczna nie jest wystawiona na dziaanie bezporedniego promieniowania sonecznego, temperatura notowana na ul. Lipowej jest wyranie nisza ni na Lublinku. Wysokie pooenie Soca w letnie poudnie umoliwia bezporednie nagrzewanie miejsca pomiarowego, co owocuje dodatnimi rnicami temperatur. W czerwcu, kiedy efekt ten jest najlepiej widoczny, nadwyka temperatury na tej stacji przekracza 0,5oC. Wymienione zjawiska s wynikiem zarwno mikroklimatycznych cech najbliszego otoczenia punktu pomiarowego, jak i prawdopodobnie wpywu samej klatki meteorologicznej, ktra nie w peni eliminuje wpyw bezporedniego promieniowania na pomiar temperatury.

ch harakterystyczn klimatu miejskiego w skali lokalnej zwizanego z cechami

ych, utrzymujce si mniej wicej na tym samym poziomie przez ca noc, z lekk tendencj do osigania maksimum przed wschodem Soca. Posterunek pomiarowy przy ul. Lipowej 81 cechuje si przy tym nieco wyszymi wartociami temperatury ni Miejska Stacja Meteorologiczna.

Mikroklimatyczne rnice w

Przedstawione rezultaty pokazuj, e wykryte przez niektrych badaczy zjawisko miejskiej wyspy chodu pojawiajcej si w dzie moe by wynikiem specyficznej lokalizacji punktw pomiarowych, a nie cecmorfologicznymi samego miasta.

29

Rys. 3.3. Izotermy rednich miesicznych rnic temperatury (w stopniach Celsjusza) midzy Miejsk Stacj Meteorologiczn (rys. lewy) i posterunkiem przy ul. Lipowej (rys. prawy) a stacj d Lublinek w poszczeglnych godzinach. Wartoci rednie z lat 19971999 3.4. Maksymalne dobowe natenie miejskiej wyspy ciepa w odzi

W poszczeglnych dniach maksymalne natenie miejskiej wyspy ciepa liczone jako najwiksza rnica midzy stacj miejsk a stacj zamiejsk w okresie od poudnia do poudnia dnia nastpnego moe znacznie przewysza wartoci rednie miesiczne. Wybr niestandardowego przedziau 24-godzin-nego (od poudnia do poudnia) podyktowany jest specyfik miejskiej wyspy ciepa. Poniewa najwiksze kontrasty termiczne wystpuj w nocy,

osugiwanie si typow dob mogoby spowodowa zaliczenie silnej wyspy iepa do dwch kolejnych db. W badanym okresie najwysze rnice

temperatury midzy stacj zamiejsk a centrum miasta zanotowano w nocy z 10 na 11 lutego 1999 r. Temperatura na posterunku ul. Lipowej bya wtedy o 9,5oC, a MSM o 8,7oC wysza od temperatury na lotnisku d Lublinek (rys. 3.4). Podobnie jak wspomniany ju przypadek z 5 na 6 lutego 1996 r., noce z tak ekstremalnie duymi kontrastami termicznymi pojawiaj si wyjtkowo rzadko. S one wynikiem kombinacji korzystnych warunkw radiacyjnych z adwekcj zimnego powietrza. Warunki sprzyjajce tworzeniu si wyspy ciepa o tak

pc

30

duym nateniu wystpuj najczciej w rozbudowujcym si po przejciu frontu chodnego wyu. Dua przeroczysto powietrza zwizana z ma zawartoci pary wodnej w chodnym powietrzu sprzyja wtedy silnemu efektywnemu wypromieniowywaniu energii w pamie dugofalowym, a dua pojemno cieplna materiaw budowlanych zapewnia wikszy dopyw ciepa do powierzchni czynnej w miecie ni na terenach niezurbanizowanych. Dodatkowym czynnikiem pogbiajcym miejsk nadwyk temperatury jest, istotna zwaszcza w miesicach zimowych, emisja ciepa sztucznego do atmosfery. Bezwadno termiczna materiaw budowlanych jest rwnie

duej mierze odpowiedzialna za przeciwny efekt pojawiajcy si w przypadku adwekcji ciepa. Znaczna ilo ciepa jaka potrzebna jest do nagrzania murw budynkw, chodnikw i ulic powoduje, e po przejciu aktywnego frontu ciepego miasto jest chodniejsze od otaczajcych go terenw zamiejskich. Efekt ten utrzymuje si czasami nawet przez ca dob ujemne wartoci T pojawiajce si na rys. 3.4.

w

-10123

T

456789

10

MSM

-Lub

linek

[oC

]

1997 1998 1999

-10123456789

10

T L

ipow

a-Lu

blin

ek [o

C]

1997 1998 1999

Rys. 3.4. Najwysze dobowe rnice temperatury midzy posterunkami pomiarowymi mieszczcymi si w centrum miasta a stacj meteorologiczn d Lublinek

31

Zarwno ujemne kontrasty termiczne, jak i wyjtkowo due przegrzanie miasta s pewnymi osobliwociami na tle wyranego rocznego przebiegu miejskiej wyspy ciepa. Zasadnicz cech tego przebiegu jest wystpowanie najwikszych rnic w okresie letnim, najmniejszych zim. Rytm ten uwarunkowany jest du czstotliwoci niesprzyjajcych tworzeniu UHI warunkw pogodowych w miesicach zimowych. Wpyw cyklonw atlantyckich z czstymi frontami atmosferycznymi ksztatuje pogod charakteryzujc si duym zachmurzeniem i silnym wiatrem utrzymujcym si przez ca dob. W takich warunkach tworzenie si trwaej nadwyki temperatury w miecie jest niemoliwe. Latem czciej obserwuje si pogodne, bezchmurne i bezwietrzne noce pozwalajce na rozwj dobrze wyksztaconemiejskiej wyspy ciepa. Dlatego te w miesicach letnich stosunkowo czsto intensywno UHI przekracza 3oC, a kontrasty rzdu 46oC rwnie nie nale do wyjtkowych.

j

0

0.1

0.3

0.4

0.5f

0.2

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T [oC]

a) III, IV, VLipowa - LublinekMSM - Lublinek

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5f

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T [oC]

b) VI, VII, VIIILipowa - LublinekMSM - Lublinek

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5f

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T [oC]

c) IX, X, XILipowa - LublinekMSM - Lublinek

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5f

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T [oC]

d) XII, I, IILipowa - LublinekMSM - Lublinek

Rys. 3.5. Histogramy czstoci wystpowania najwyszych dobowych rnic temperatury midzy

stacj miejsk a zamiejsk w poszczeglnych porach roku w odzi w latach 19971999

32

Prawidowoci te znajduj odzwierciedlenie w czstociach wystpowania wyspy ciepa o maksymalnym nateniu w okrelonych przedziaach tempe-ratury (rys. 3.5). W rozkadach tych czstoci mona zaobserwowa pewne rnice wynikajce z lokalizacji punktw pomiarowych, lecz nie zaburzaj one oglnego obrazu zmiennoci rocznej. Latem warto modalna rozkadu maksymalnych kontrastw termicznych ley w przedziale 23oC. Rnice tem u cechuj ponad 30% letnich nocy. Miejska wyspa ciep eniu powyej 3oC jest latem bardziej prawdopodobna ni brak

otaczajcymi rnice mnie ele ponad 15% wszystkich przypadkw. W pozostaych porach roku rnice temperatur mniejsze od 1oC dominuj w r

peratur z tego przedziaa o nat

zrnicowania termicznego midzy odzi a terenami jjsze od 1oC stanowi niewi

ozkadzie temperatur. Wyjtkowo wiosn na ul. Lipowej przewaaj rnice z przedziau 12oC. Ta pora roku charakteryzuje si rwnie stosunkowo du czstotliwoci (ok. 20% przypadkw) wystpowania UHI o nateniu przekraczajcym 3oC. Zim dni takich jest po poow mniej, a rnice mniejsze od 1oC cechuj ponad 40% przypadkw. Z drugiej strony to wanie zim zdarzaj si noce z wyjtkowo silnymi epizodami UHI, dochodzcymi do 78oC. W skali caego roku noce z miejsk wysp ciepa o intensywnoci ponad 3oC stanowi ok. 16% na ul. Lipowej i 17% na MSM. Kontrasty termiczne powyej 5oC pojawiaj si natomiast nieco czciej na posterunku przy ul. Lipowej, lecz w obu przypadkach liczba nocy speniajcych to kryterium waha si w granicach ok. 2%. Dominuj kontrasty niewielkie. Oba przedziay 01oC i 12oC s prawie rwnoliczne i w sumie zawieraj ok. 60% przypadkw.

3.5. Czsto wystpowania miejskiej wyspy ciepa w kolejnych godzinach doby

Z oczywistych wzgldw prawdopodobiestwo wystpienia okrelonych

rnic temperatury midzy miastem a terenem zamiejskim nie jest rwnomiernie rozoone w cigu doby. Najbardziej uprzywilejowane pod wzgldem duych nadwyek temperatury s godziny nocne, co znajduje odzwierciedlenie w omawianych wczeniej rednich miesicznych przebiegach kontrastw termicznych. Niezalenie od pory roku ponad 80% nocy na posterunku pomiarowym przy ul. Lipowej jest cieplejszych ni na Lublinku (rys. 3.6). W przypadku Miejskiej Stacji Meteorologicznej procentowy udzia przypadkw z dodatni rnic temperatur (Tu-r>0oC) jest nieco mniejszy, lecz nawet w najmniej uprzywilejowanych miesicach zimowych przekracza on 70%. Najwicej przypadkw z Tu-r>0oC obserwuje si we wczesnych godzinach wieczornych, kiedy intensywne wypromieniowanie energii na terenach

33

zam

ateriaw budowlanych i redukcj wypromieniowania radiacyjnego. Prz ne warstwy powietrza na terenach zurbanizowanych mog by te dodatkowo ogrzewane przez skierowany do dou strumie ciepa jawnego bdcy wynikiem resztkowej turbulencji utrzymujcej si wieczorem nad cieplejszym i bardziej szorstkim terenem zabudowanym. Spowolnienie wychadzania miasta zaznacza si najsilniej latem na MSM, gdzie dopyw bezporedniego promieniowania sonecznego w godzinach popoudniowych powoduje due nagromadzenie ciepa w materiaach budowlanych. Znaczne przesonicie horyzontu na posterunku przy ul. Lipowej powoduje, e jego najblisze otoczenie otrzymuje znacznie mniej energii od Soca. Dopiero silne wypromieniowanie energii za miastem w pniejszych godzinach jest przyczyn spadeku temperatury poniej wartoci obserwowanych przy ul. Lipowej. Jednoczenie ze wzgldu na mniejszy wspczynnik widoku nieba efektywne wypromieniowanie energii na tym posterunku w cigu godzin nocnych jest mniejsze ni na MSM, co owocuje wiksz czstoci wystpowania Tu-r>0oC.

Wieczorny termin wystpowania najwikszej liczby przypadkw z Tu-r>0oC nie oznacza, e intensyw o miejskiej wyspy przyjmuje wtedy

iejskich powoduje szybkie wychadzanie powierzchni czynnej. W miecie proces ten przebiega wolniej ze wzgldu na odmienne parametry cieplne m

yziem

n

020406080

100 f [%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

a) III, IV, VMSM

Lipowa

0

20406080

100 f [%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

b)VI, VII, VIIIMSM

Lipowa

020406080

100 f [%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

c) IX, X, XIMSM

Lipowa

0

20406080

100 f [%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

d) XII, I, IIMSM

Lipowa

Rys. 3.6. Czsto wystpowania dodatnich rnic temperatur midzy posterunkami miejskimi w odzi a stacj d Lublinek (Tu-Lub>0oC) w kolejnych godzinach doby. Sezony: a) wiosna, b) lato, c) jesie, d) zima. Lata 19971999 (czas lokalny zimowy)

34

najwiksze wartoci, lecz wskazuje na uprzywilejowanie tej pory doby do tworzenia si miejskiej nadwyki temperatury. W porwnaniu z pniejszymi god

zinami nocnymi rnice w czstociach wystpowania Tu-r>0oC s zreszt bardzo niewielkie. Zdecydowanie nisze prawdopodobiestwo wystpienia dodatnich rnic temperatur notuje si w cigu dnia. W cigu dnia zaznaczaj si te wyraniej rnice w mikroklimatycznych warunkach obu punktw pomiarowych. Plac przed dworcem d Fabryczna, niezalenie od pory dnia i roku, jest w wikszoci przypadkw cieplejszy od lotniska d Lublinek. Posterunek ten charakteryzuje si rwnie regularnym przebiegiem prawdopodobiestwa wystpowania dodatnich kontrastw termicznych z jednym minimum, pojawiajcym si z reguy okoo poudnia. W przypadku posterunku przy ul. Lipowej zmiany warunkw insolacyjnych powoduj due fluktuacje prawdopodobiestwa wystpowania dodatnich kontrastw termicznych. Latem na ul. Lipowej o godz. 9 zaledwie 38% dni charakteryzuje si dodatnimi rnicami temperatury, podczas gdy w poudnie udzia ten wzrasta a do 80%, po czym ponownie spada do ok. 52% po poudniu. Podobny przebieg dobowy czstotliwoci cechuje pozostae sezony, z wyjtkiem zimy, kiedy w przebiegu tym obserwuje si tylko jedno minimum we wczesnych godzinach popoudniowych.

Histogramy dodatnich rnic temperatur midzy miastem a stacj zamiejsk zawieraj znaczn liczb przypadkw, kiedy temperatura w miecie tylko nieznacznie przewysza temperatur na stacji referencyjnej (tab. 3.2). Rnice takie w wielu wypadkach nie musz by spowodowane wystpowaniem dobrze wyksztaconej miejskiej wyspy ciepa na obszarze caej odzi. Bardzo prawdopodobnym powodem takiego zrnicowania jest naturalna zmienno przestrzenna pola temperatury w warstwie granicznej atmosfery. Zmienno ta, bdca wynikiem istnienia struktur dynamicznych (np. komrki konwekcyjne), frontw atmosferycznych, niejednorodnoci pola wilgoci itp. nie jest zwizana ze zjawiskiem miejskiej wyspy ciepa rozumianej jako wynik specyfiki procesw fizycznych na obszarach zurbanizowanych. Z tego powodu wicej informacji o prawdopodobiestwie wystpienia zjawiska miejskiej wyspy ciepa o ustalonej godzinie daj histogramy czstoci rnic temperatur wyszych od zadanego progu umownie okrelajcego wyran UHI. W niniejszym opracowaniu prg ten arbitralnie ustalono na 3oC. Jego znaczne zwikszenie uniemoliwioby analiz ze wzgldu na ma liczb przypadkw. Prg nieco mniejszy (2oC) prowadzi do podobnych jakociowo wnioskw (Fortuniak 2001).

Przedstawione na rys. 3.7 histogramy potwierdzaj fakt, e zjawisko miejskiej wyspy ciepa wystpuje w nocy. Najwicej przypadkw z Tu-r>3oC obserwuje si w drugiej poowie nocy. Latem o godz. 2 stanowi one prawie 15% na MSM i nieco ponad 13% na posterunku przy ul. Lipowej. Zim nawet

35

w godzinach nocnych czstotliwo wystpowania Tu-r>3oC nie przekracza 3%. Zastanawiajca jest wiksza w stosunku do stacji na ul. Lipowej czstotliwo wystpowania Tu-r>3oC na MSM prawie we wszystkich godzinach w caym roku. Nadwyka ta pojawiajca si we wczesnych godzinach nocnych i czciowo porannych moe by wionym powyej pochanianiem promieniowania sonecznego. Bardziej zagadkowe jest pojawianie si jej pn noc. Najbardziej prawdopodobnym wyjanieniem wydaje si by wpyw czynnikw dynamicznych. Przewaga dni z Tu-r>3oC na MSM jest bowiem gwnie wynikiem zwikszonej liczby kontrastw z przedziau 34oC (tab. 3.2). Wyspa ciepa o takim nateniu pojawia si czsto przy sabym wietrze, podczas gdy pogoda bezwietrzna umoliwia powstawanie wikszych kontrastw termicznych. Mimo mniejszej efektywnej emisji promieniowania w sytuacji sabego wiatru posterunek przy ul. Lipowej, znajdujcy si na skraju zwartej zabudowy miejskiej, ulega silniejszemu wychadzaniu ze wzgldu na lokaln adwekcj chodnego powietrza znad terenw o mniejszym stopniu urbanizacji. Otoczony przez zabudow rdmiejsk posterunek MSM nie jest w takim stopniu naraony na wychadzanie adwekcyjne. Podczas zupenie bezwietrznej pogody decydujce znaczenie maj procesy wychadzania radiacyjnego. Dlatego due kontrasty termiczne wykazuj uprzywilejowanie posterunku przy ul. Lipowej.

spowodowana om

0

5

10

1

0

5

10

15 f

[%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

a) III, IV, VMSM

Lipowa

5 f

[%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

b) VI, VII, VIIIMSM

Lipowa

0

5

10

15 f

[%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

c) IX, X, XIMSM

Lipowa

0

5

10

15 f

[%]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

d) XII, I, IIMSM

Lipowa

Rys. 3.7. Czsto wystpowania rnic temperatur midzy posterunkami miejskimi w odzi a stacj d Lublinek wikszych od 3oC (Tu-Lub>3oC) w kolejnych godzinach doby. Sezony: a) wiosna, b) lato, c) jesie, d) zima. Lata 19971999 (czas lokalny zimowy)

36

Tabe la 3.2

Czsto przypadkw wystpienia rnicy temperatur midzy stacj miejsk (L Lipowa, M MSM) a stacj d Lublinek dla jednostopniowych lewostronnie domknitych przedziaw temperatury w poszczeglnych godzinach doby. Lata 19971999 (czas lokalny zimowy)

P r z e d z i a t e m p e r a t u r y [ o C ]

4

3

3

2

2

1

1

0

0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9

10

Godz

ina

L M L M L M L M L M L M L M L M L M L M L M L M L M L M 1 . . . . . 0,2 9,0 17,2 48,2 40,8 24,4 22,3 12,4 13,0 3,7 4,7 1,6 1,5 0,5 0,2 0,1 . . 0,1 0,1 . . . 2 . . . . . 0,3 9,7 18,3 49,9 43,0 22,6 19,9 11,3 10,9 4,2 5,4 1,1 1,6 0,9 0,6 0,2 0,1 0,1 . . . . . 3 . . . . . 0,3 10,9 19,1 49,3 42,9 21,7 19,6 11,6 10,8 3,9 4,9 1,6 2,3 0,8 . . 0,1 0,1 . . . . . 4 . . . . 0,1 0,4 10,6 19,0 49,8 42,9 21,9 19,8 11,0 10,5 3,4 5,2 2,3 1,8 0,8 0,3 0,1 0,1 . . . . . . 5 . . . . . 0,3 10,7 19,2 54,7 47,6 20,3 19,3 8,7 7,7 2,8 3,8 1,6 1,6 0,9 0,4 0,2 . . . . . . . 6 . . . . 0,3 0,4 14,2 21,3 60,1 53,4 16,6 15,1 5,4 5,7 1,6 2,2 0,9 1,2 0,5 0,7 0,4 0,1 . . . . . . 7 . . . . 0,7 0,6 25,0 26,0 61,0 55,9 8,8 11,4 2,8 3,6 0,7 1,4 0,7 0,6 0,3 0,4 . 0,2 . . . . . . 8 . . 0,1 . 2,2 0,7 38,4 32,4 52,3 55,7 4,7 8,8 1,3 1,6 0,6 0,5 0,3 0,2 . 0,2 . . . . . . . . 9 . . 0,1 0,1 4,1 1,3 41,6 34,3 50,0 58,1 3,4 5,2 0,7 0,9 0,1 0,2 . . . . . . . . . . . .

10 . . . . 2,7 1,4 38,3 38,8 54,5 55,6 4,3 3,3 0,3 0,8 . 0,1 . . . . . . . . . . . . 11 . . . 0,2 1,6 1,1 30,2 38,3 62,1 54,6 6,1 5,5 . 0,2 0,1 0,1 . . . . . . . . . . . . 12 . . 0,1 0,2 2,1 1,5 31,8 35,7 57,4 57,0 7,7 5,1 0,6 0,3 0,1 . . 0,1 . . . . . . . . . . 13 . . . 0,1 4,0 1,4 35,8 35,5 53,9 57,2 5,6 5,2 0,6 0,4 0,1 0,2 . . . . . . . . . . . . 14 . . 0,2 . 5,6 1,3 40,1 31,2 51,1 60,9 2,7 6,4 0,2 0,3 0,1 . . . . . . . . . . . . . 15 . . . . 3,4 0,7 38,6 28,7 55,2 62,7 2,6 7,9 0,1 0,1 . . . . . . . . . . . . . . 16 0,1 . . 0,2 1,5 0,5 32,9 24,2 61,0 66,9 4,0 7,7 0,5 0,4 0,1 0,1 . . . . . . . . . . . . 17 . . . . 0,6 0,4 27,2 18,0 63,8 68,5 7,5 12,3 0,9 0,9 . . . . . . . . . . . . . . 18 . . . . 0,3 0,1 18,7 12,1 66,7 68,1 13,5 17,6 0,7 1,9 0,2 0,2 . . . . . . . . . . . . 19 . . . . 0,1 0,1 9,8 12,3 67,2 57,9 20,7 24,3 2,1 4,8 . 0,4 0,1 0,2 . . . . . . . . . . 20 . . . . . 0,1 6,9 13,0 58,8 50,8 28,7 25,1 5,4 9,5 0,1 1,3 . . . 0,1 0,1 . . . . . . . 21 . . . . . 0,1 8,2 14,0 52,9 47,3 28,7 24,1 8,6 10,9 1,4 3,3 0,2 0,2 . . . 0,1 0,1 . . . . . 22 . . . . . 0,1 8,3 15,0 49,6 43,5 27,6 23,2 12,2 13,2 1,9 4,3 0,2 0,7 0,2 . . . . 0,1 0,1 . . . 23 . . . . . 0,2 8,6 15,8 49,5 43,8 25,7 21,5 11,9 12,8 3,1 4,6 0,8 1,2 0,3 0,1 . . . . . 0,1 0,1 . 24 . . . . . . 10,1 17,5 48,7 40,7 23,7 22,0 12,7 13,3 2,9 4,4 1,2 1,7 0,6 0,3 0,1 . . . . 0,1 0,1 .

Na uwag zasuguje rwnie pojawianie si kontrastw termicznych

wikszych od 3oC w godzinach poudniowych (rys. 3.7 b, c). Ma to najczciej miejsce latem i jesieni, a wic w porach roku kiedy dua ilo ciepa zgromadzonego w gruncie umoliwia rozwj wysokich struktur konwekcyjnych. Zwizane z nimi prdy wstpujce i zstpujce mog powodowa przy powierzchni ziemi fluktuacje temperatury przekraczajce 3oC. Dlatego w cigu dnia w ciepej porze roku obserwuje si zarwno dodatnie, jak i ujemne rnice tego rzdu (tab. 3.2). Podobne kontrasty mog wystpowa o dowolnej porze doby przy przechodzeniu frontw atmosferycznych, zwaszcza frontw chodnych drugiego rodzaju z silnie rozwinitym waem chmur konwekcyjnych typu Cumulus congestus i Cumulonimbus oraz przy wystpowaniu

37

Tabe la . 3.3

Godziny (GMT) wystpienia najwikszych rnic temperatur midzy posterunkami miejskimi a Lublinkiem (M MSM, L Lipowa) dla miesicy z ograniczon insolacj (XI, XII, I, II) i miesicy z duym nasonecznieniem (V, VI, VII, VIII) liczba przypadkw dla jednostopniowych lewostronnie domknitych przedziaw temperatury z lat 19971999

M i e s i c e : X I , X I I , I , I I M i e s i c e : V , V I , V I I , V I I I

p r z e d z i a t e m p e r a t u r y p r z e d z i a t e m p e r a t u r y -1;0 0;1 1;2 2;3 3;4 4;5 5;6 6;7 7;8 8;99;10

s u m a 0;1 1;2 2;3 3;4 4;5 5;6 6;7

s u m a

Godz

ina

M L M L M L M L M L MLMLMLMLML M L M L M L M L M L M L M L MLML M L

1 . . 4 5 7 4 3 6 . . . . .1 . . . . . . . . 14 16 . 1 4 5 9 14 10 4 3 7 21 .1 28 33 2 . 1 5 5 3 2 4 2 1 3 11 . . . . . . . . . . 14 14 1 . 4 5 4 6 6 6 . 2 2 . . . 17 19 3 . . 2 2 6 7 . 1 . . . . . . . . . . . . . . 8 10 . 2 3 6 13 12 11 11 5 7 .1 .1 32 40 4 . . 4 2 2 3 1 2 1 1 21 . . . . . . . . . . 10 9 . 1 2 8 9 7 9 11 5 5 11 . . 26 33 5 . . 6 3 3 1 . . 1 2 .1 1 . . . . . . . . . 11 7 . . 1 2 2 1 3 1 1 . 1 . . . 8 4 6 . . 5 4 6 8 5 5 1 1 . . .1 1 . . . . . . . 18 19 . . . 1 . . . . 2 . 1 . . . 3 1 7 . . 8 12 7 4 3 3 1 2 .1 . . . . . . . . . . 19 22 1 . . . 1 . . . . . . . . . 2 0 8 . . 3 7 2 1 . 1 . . . . . . . . . . . . . . 5 9 . . 2 . . . . . . . . . . . 2 0 9 . . 3 3 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 . 1 2 1 1 2 . . . . . . . . 3 4 10 . . 9 1. . 1 . . 1 . . . . . . . . . . . . . 10 11 2 . 4 7 1 1 . . . . . . . . 7 8 11 . . 9 4 2 1 . . . . 1 . . . . . . . . . . . 12 5 3 2 6 8 2 1 . 2 . . . . . . 11 13 12 1 1 10 8 4 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 15 10 6 4 11 8 1 3 1 2 2 . .1 . . 21 18 13 1 1 16 13 3 . . 1 1 . . . . . . . . . . . . . 21 15 2 6 1 5 2 3 2 3 . . . . . . 16 17 14 1 . 7 8 . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . 8 9 . 2 6 3 1 3 . . . . . . . . 7 8 15 . . 8 19 4 3 . . . . . . . . . . . . . . . . 12 22 1 3 11 2 4 3 3 4 1 . . . . . 20 12 16 . . 9 11 6 6 2 2 . . . . . . . . . . . . . . 17 19 2 1 7 4 4 2 . 1 . . . . . . 13 8 17 . . 7 6 12 16 2 1 . . . . . . . . . . . . . . 21 23 3 2 . 3 6 3 . 2 . . . . . . 9 10 18 . . 7 9 9 7 4 1 . 1 1 . . . . . . . . . . . 21 18 . 1 4 2 . 2 1 . . . . . . . 5 5 19 . . 2 4 7 8 6 5 1 . . . . . . . . . . . . . 16 17 2 2 5 4 1 4 1 . . . . . . . 9 10 20 . 1 5 7 6 9 4 2 3 4 . . . . . . . . . . . . 18 23 . 1 4 6 7 4 4 1 . . . . . . 15 12 21 . . 5 5 6 7 5 2 1 . . . . . . . . . . . . . 17 14 1 . 5 8 15 14 8 5 2 2 . . . . 31 29 22 . . 2 4 9 11 4 4 . 1 . . . . . . . . . . . . 15 20 1 1 7 10 15 11 6 4 3 . . . .1 32 27 23 . . 3 4 4 6 2 2 1 1 2 . . . . . . . . . . . 12 13 1 1 5 5 10 9 5 5 3 2 .1 . . 24 23 24 . . 2 1 6 9 1 1 1 1 1 . . . . . . . 1 . . 1 12 13 . . 8 7 10 17 8 7 2 2 .2 . . 28 35

3 414115611511646421417 84 12 1 . . . 1 . . 1 330342 2631111110118122 78 692927 77 .3 369369

38

rozbudowanych wewntrzmasowych komrek burzowych. Pojawiajce si wtedy rnice temperatury midzy stacj miejsk a zamiejsk nie s uwarunkowane specyfik powierzchni miejskiej i nie mog by uznawane za zjawisko miejskiej wyspy ciepa (nawet jeli pojawiaj si noc). Efekty tego typu nie nale do wyjtkowo rzadkich i w ciepej porze roku maksymalna rnica temperatury midzy miastem a jego peryferiami czsto jest notowana nie noc, lecz w cigu dnia (tab. 3.3). Dotyczy to nie tylko przypadkw maych rnic temperatury, ale rwnie rnic wikszych tradycyjnie uwaanych za manifestacj miejskiej wyspy ciepa.

Zim notowane w cigu dnia przypadki znacznie wyszej temperatury w miecie zwizane s z adwekcj chodnego powietrza i du bezwadnoci termiczn miasta. W zalenoci od terminu przejcia frontu chodnego adwekcja ta moe powodowa intensyfikacj wyspy ciepa do ekstremalnie duego natenia lub przesunicie maksymalnych rnic temperatury na godziny dzienne.

Opisane procesy stwarzaj powane problemy przy tworzeniu statystycznych modeli natenia miejskiej wyspy ciepa, w ktrych maksymalne rnice temperatur na stacjach s regresyjnie uzaleniane od innych parametrw meteorologicznych i cech morfologicznych miasta. Na przykad rnice sigajce prawie 3oC mog wystpowa przy silnie zachmurzonym niebie i prdkoci wiatru dochodzcej do 5 ms1 (rys. 7.1). Jeli efekty te pojawiaj si w cigu dnia, mog by stosunkowo atwo wykryte nawet przy automatycznym wyliczaniu natenia miejskiej wyspy ciepa. Jeli natomiast wystpuj one w nocy, mog by atwo utosamiane ze zjawiskiem miejskiej wyspy ciepa.

3.6. Dobowy przebieg natenia miejskiej wyspy ciepa w odzi w sprzyjajcych warunkach pogodowych

Ksztat krzywej opisujcej typowy dobowy przebieg natenia miejskiej

wyspy ciepa uzaleniony jest od sposobu zdefiniowania tego zjawiska. Inny bdzie przebieg rnic temperatury Tu-r uredniony dla caego miesica, inny w przypadku redniej z wyselekcjonowanych dni. W badaniach ukierunko-wanych na poznanie charakterystycznych cech zmiennoci dobowej kontrastw termicznych bdcych wynikiem rozwoju miejskiej wyspy ciepa naj-odpowiedniejsza wydaje si definicja, w myl ktrej przebiegi temperatury w miecie i poza miastem oraz ich rnice nabieraj typowego charakteru przy staych warunkach pogodowych. Wybr epizodw miejskiej wyspy ciepa dokonywany jest w sposb arbitralny, a jako podstawowe kryterium stosuje si

39

w tym wypadku niezmienno czynnikw synoptycznych w cigu caej doby prowadzc do regularnych przebiegw Tu-r.

3.6.1. Przykady przebiegu dobowego temperatury w odzi w przypadku dobrze wyksztaconej UHI latem i zim

Najbardziej interesujce s przypadki dobrze wyksztaconej wyspy ciepa

pojawiajcej si w bezwietrzne, bezchmurne noce. Na rysunku 3.8 przedstawiono przykad rozwoju miejskiej wyspy ciepa podczas bezchmurnej nocy z 16 na 17 sierpnia 1997 r. Po zachodzie Soca, o godz. 19.04 obserwowano szybki rozwj miejskiej wyspy ciepa zwizany z wypro-mieniowaniem energii i zdecydowan redukcj prdkoci wiatru. Zwizek midzy wychadzaniem powierzchni gruntu a zanikaniem wiatru w warstwie powierzchniowej ma w tym wypadku charakter dodatniego sprzenia zwrotnego obnienie temperatury gruntu powoduje wzrost stabilnoci atmosfery, co pociga za sob zmniejszenie turbulencji o charakterze termicznym (konwekcji). Zanik konwekcji powoduje zmniejszenie prdkoci wiatru przy powierzchni ziemi, co z kolei redukuje turbulencyjny strumienia ciepa jawnego od atmosfery do powierzchni ziemi i pogbia wychadzanie gruntu.

Okoo godziny 22 natenie miejskiej wyspy ciepa dochodzi ju do 5oC i wzrost kontrastw termicznych staje si mniej gwatowny. Od tego czasu rnice temperatury midzy odzi a stacj na Lublinku zwikszaj si bardzo nieznacznie. Warto zauway, e efekt ten nie jest wywoany zwikszeniem tpa wychadzania miasta, ktre jest mniej wicej takie samo w cigu caej nocy, lecz wyranym spowolnieniem procesu wychadzania terenw zamiejskich. Porwnanie danych z odzi z pracami innych autorw, na przykad z typowym przebiegiem Tu-r przedstawionym przez Oke (1995), pozwala wnioskowa, e wanie przebieg temperatury na terenach otaczajcych badan aglomeracj, a nie specyfika wychadzania samego miasta, w duej mierze determinuje ksztat krzywej opisujcej nocne zmiany Tu-r (w szczeglnoci termin wystpienia maksymalnych rnic temperatury). Wschd Soca (w omawianym przypadku o godz. 4.27) powoduje szybkie ogrzewanie odkrytych terenw zamiejskich i zanik UHI. Zanikanie kontrastw termicznych miasto teren zamiejski ma przy tym o wiele bardziej gwatowny charakter ni rozwj kontrastw termicznych we wczesnych godzinach nocnych.

Zim rzadko wystpuj pogodne noce charakteryzujce si staoci warunkw meteorologicznych prowadzcych do powstania dobrze

40

12.00 18.00 24.00 6.00 12.0068

1012141618202224

TM

SM

TLi

p

T

Lub

[o C

]

12.00 18.00 24.00 6.00 12.00-2

0

2

4

6

8

T MSM

-Lub

T L

ip-L

ub [

o C]

12.00 18.00 24.00 6.00 12.0001234

vv [m

/s]

12.00 18.00 24.00 6.00 12.0002468

N

, N

L

Rys. 3.8. Przebiegi temperatury, kontrastw termicznych, prdkoci wiatru i zachmurzenia w nocy z 16 na 17 sierpnia 1997 r.

wyksztaconej miejskiej wyspy ciepa. Chocia zdarzaj si przypadki UHI o bardzo duym nateniu, przebieg temperatury jest wtedy czsto zakcony przez pojawienie si niskiego zachmurzenia, gwatown adwekcj ciepa lub chodu czy znaczn zmian prdkoci wiatru. Dlatego w celu zobrazowania typowego przebiegu kontrastw termicznych midzy centrum odzi a stacj meteorologiczn d Lublinek wykorzystano redni przebieg temperatury liczony z piciu wyselekcjonowanych zimowych nocy: z 16 na 17 stycznia 1997, z 26 na 27 stycznia 1997, z 2 na 3 lutego 1997, z 23 na 24 stycznia 1998,

41

z 25 na 26 stycznia 1998 (rys. 3.9). Podstawowym kryterium wyboru w tym wypadku byo niewielkie zachmurzenie w godzinach nocnych i regularny przebieg prdkoci wiatru. Mniejsz wag przykadano do wartoci rnic temperatury.

Zimowa zmienno rnic temperatury cechuje si generalnie podobnym dobowym przebiegiem Tu-r jak miesice letnie. W pierwszych godzinach po zachodzie Soca (ok. godz. 16.15) nastpuje stosunkowo szybki wzrost

12.00 18.00 24.00 6.00 12.00-10

-8

-6

-4

-2

0

2

TM

SM

TLi

p

T

Lub

[o C

]

12.00 18.00 24.00 6.00 12.00-1

0

1

2

3

T MSM

-Lub

T L

ip-L

ub [

o C]

12.00 18.00 24.00 6.00 12.0001234

vv [m

/s]

12.00 18.00 24.00 6.00 12.0002468

N

, N

L

Rys. 3.9. rednie przebiegi temperatury, kontrastw termicznych, prdkoci wiatru z piciu zimowych nocy (16/17 I 1997, 26/27 I 1997, 2/3 II 1997, 23/24 I 1998, 25/26 I 1998)

42

intensywnoci UHI. Nastpnie (po godz. 18) wzrost ten staje si wolniejszy a do czasu ustabilizowania si kontrastw termicznych na mniej wicej staym poziomie. W omawianym przypadku nastpuje to ok. godz. 2 w nocy. Wschd Soca (ok. godz. 7.35) prowadzi do szybkiego zmniejszania si miejskiej nadwyki temperatury, lecz w przeciwiestwie do okresu letniego nie zanika ona cakowicie, na co wpyw ma znacznie wikszy udzia w bilansie energetycznym ciepa sztucznego emitowanego do atmosfery w miecie oraz wolniejsze tempo nagrzewania terenw zamiejskich promieniami sonecznymi. W porwnaniu z okresem letnim dobowa zmienno natania UHI zim charakteryzuje si nieco wiksz asymetri i wolniejszymi zmianami temperatury. Pewne spowolnienie procesw termicznych zim jest wynikiem mniejszych wartoci strumieni energii skadnikw bilansu cieplnego, co zwiksza rol bezwadnoci termicznej gruntu.

3.6.2. Znormalizowany przebieg dobowy natenia UHI

Dokadne porwnanie dobowych przebiegw kontrastw termicznych midzy miastem a terenem zamiejskim w rnych porach roku przy sprzyjajcych warunkach pogodowych staje si moliwe po ich odpowiednim przeskalowaniu. Znormalizowane rednie przebiegi dobowe rnic temperatury midzy stacjami pooonymi w centrum miasta a stacj meteorologiczn d Lublinek, charakteryzujce rne pory roku, przedstawia rys. 3.10. Procedurze skalowania poddano nie przebiegi kontrastw termicznych w poszczeglnych dobach, lecz wartoci urednione z kilku wybranych dni. Wartoci rednie redukuj bowiem przypadkowe fluktuacje, przez co pokazuj bardziej typowy przebieg analizowanego zjawiska. Uredniono wyselekcjo-nowane dni z wybranych miesicy a nie caych pr roku, aby unikn zbytniego rozmycia wykresu zwizanego z przesuniciem terminw wschodu i zachodu Soca. Poniewa normalizacj przeprowadzono zarwno dla wartoci temperatury, jak i skali czasowej, urednianie danych moliwe byo jedynie przed zmian czasu pomiarw. Natenie miejskiej wyspy ciepa przeskalowano przyjmujc za 1 najwysz, a za 0 najnisz warto redni Tu-r zanotowan w cigu 24 godz. Terminy pomiarw przeksztacono w wartoci wzgldne w stosunku do godzin wschodu i zachodu Soca. W miesicach charakteryzujcych si krtk noc i dugim dniem skala czasowa zostaa rozcignita dla godzin nocnych (liczonych od momentu zachodu do wschodu Soca) i zacieniona dla godzin dziennych, tak aby dugo nocy bya rwna dugoci dnia. W miesicach z krtkim dniem zastosowano odwrotn procedur. Przedstawione na rys. 3.10 wykresy wskazuj na due podobiestwo rozwoju

43

i zaniku miejskiej nadwyki temperatury w rnych porach roku. Wyranie widoczne s cztery fazy dobowego przebiegu natenia UHI:

1) faza intensywnego rozwoju miejskiej wyspy ciepa rozpoczynajca si ju w pnych godzinach wieczornych i trwajca mniej wicej do poowy nocy,

2) faza ustabilizowanych kontrastw termicznych midzy miastem a jego otoczeniem,

3) faza gwatownego zaniku UHI we wczesnych godzinach porannych, 4) faza dzienna braku dobrze wyksztaconej miejskiej wyspy ciepa i

duego zrnicowania topoklimatycznego. W pierwszej fazie rozwojowej obserwowany jest szybki wzrost nadwyki

temperatury w miecie w stosunku do terenw zamiejskich. Czasami proces ten wystpuje w dwch etapach: bardzo gwatowny wzrost Tu-r tu przed i krtko po zachodzie Soca poprzedza etap, w ktrym powikszanie si miejskiej nadwyki temperatury staje si nieco agodniejsze. Zwizane z tym niewielkie zaamanie krzywej Tu-r jest lepiej widoczne na posterunku przy ul. Lipowej, gwnie w styczniu i we wrzeniu. Gwatowny rozwj UHI o zachodzie Soca mona tumaczy duym zrnicowaniem termicznym miasta w godzinach wieczornych. W momencie zachodu Soca, gdy na terenach zamiejskich proces wychadzania jest ju dosy intensywny i stratyfikacja przybiera stay charakter, w miecie wci intensywna jest turbulencyjna wymiana ciepa. Miejsca, ktre wieczorem byy chodniejsze, takie jak posterunek przy ul. Lipowej, wolniej trac ciepo, gdy radiacyjne wychadzanie jest redukowane przez turbulencyjny dopyw ciepa. Dlatego chocia s one chodniejsze od innych punktw w miecie, wychadzanie w stosunku do terenw zamiejskich jest wolniejsze, co oznacza szybszy przyrost Tu-r (pomimo mniejszych wartoci bezwzgldnych Tu-r). Miejsca, ktre byy wyranie cieplejsze, takie jak pooona na du