|
MIKA JÁNOS A globális klímaváltozás és a városi hősziget összefüggései
Bolygónk lakossága 2011 októberében
elérte a 7 milliárd főt. E népesség mintegy fele városokban él, amelyek
között mintegy 300 nagyváros (>1 millió lakos), ezen belül kb. 20 megacity
(>10 millió lakos) található. A nagyvárosok nyári hőmérséklete több fokkal
magasabb a természetes értéknél, az épületek kisugárzása pedig késő estig
nyújtja a túlmelegedés idejét. Írásunkban ennek okait, hatásait és a globális
klímaváltozással való kapcsolatát tekintjük át.
A városi hősziget-hatás A nagyvárosok kellemetlen jellemzője az ún. városi hősziget-hatás. A mesterséges beépítés sötétebb felületei, a szellőzés kiegyenlítő hatásának mechanikai korlátozása, a csatornázottság miatt csökkent párolgás, mint hőleadási forma, valamint a télen a fűtés, nyáron a hűtés által a légtérbe kerülő hőtöbblet emeli a belváros hőmérsékletét a külterülethez képest. E különbség a derült, szélcsendes napok kora esti óráiban a legerősebb. A hősziget-hatás maximális mértéke jól közelíthető a házak magasságának és az utcák szélességének arányának logaritmusával (1. ábra).
1. ábra. A legnagyobb hősziget-hatást meghatározó tényezők: (a) a lakosok száma, ami Európában gyengébb és kevésbé meredeken növekvő hatást eredményez, mint Észak-Amerikában. (b) a belváros házainak magassága, osztva az utcák szélességével. Ez a kapcsolat már mindhárom kontinens hősziget-hatását jól leírja (Oke, 1979) Amint az ábrán látható, a maximális hősziget-hatás mind Európában, mind Észak-Amerikában jól megközelíthető a lakosság számának logaritmusával, azonban az óvilágban mind a maximális hősziget mértéke kisebb adott lakosságszám mellett, mind pedig a városhatás erősödésének gyengébb, mint Észak-Amerikában. Ezért másban lehet a megoldás kulcsa: a házak magasságának és az utcák szélességének a hányadosa már mindkét kontinens, sőt Ausztrália nagyvárosai is illeszkednek e városmorfológiai jellemszám logaritmusához. A hősziget kialakításában meghatározó szerepet játszó városi morfológiai tényezők (beépítettség, égboltláthatóság, épületmagasság) és területi kiterjesztéseik felhasználásával a Szegedi Tudományegyetem munkatársai többváltozós lineáris regressziós modellegyenleteket állítottak fel (Unger et al., 2003). A vizsgálatokhoz szükséges morfológiai paramétereket teodolitos mérések és légifelvételek térinformatikai kiértékelésével 0,5x0,5 km-es, szabályos területekre állították elő (Bottyán and Unger, 2003). A számítások alapján, a legszorosabb kapcsolat a beépítettség és a hősziget-intenzitás között volt megfigyelhető, de egyértelmű az égboltláthatóság és a hősziget-hatás közötti összefüggés is. További két szignifikáns paraméter, az épületmagasság és a központtól mért távolság bevonásával, már 0,5 °C-nál kisebb abszolút hibával becsülhető a maximális hősziget-hatás. A hősziget-parametrizáció fenti, Szegedre kidolgozott metodikája általánosíthatónak bizonyult a kevésbé sűrű szerkezetű és nagyobb kiterjedésű Debrecen esetére is (Unger et al., 2004). A nyári félévben a jellemző hőmérsékleti többlet mindkét városban 2,5–3,0 oC volt, a fűtési szezonban ennél pár tized fokkal kevesebb. A vizsgált 13 hónap legerősebb hősziget-intenzitása 6,8 °C volt! A felszínközeli légtérben tapasztalható hősziget erőssége jellegzetes napi menetet és a városon belül meglehetősen eltérő mértéket mutat (2.a ábra). A napi menet legfőbb jellemzője, hogy a késő délutáni és az esti mérsékeltebb lehűlés miatt a hajnali minimumhőmérséklet sem olyan alacsony, mint a külső területeken. Ugyanakkor napkelte után a város légtere lassabban melegszik fel. Ezek eredőjeként a hősziget intenzitása napnyugta után gyorsan növekszik és kb. 3–5 órával később éri el a maximumát. Az éjszaka hátralévő részében lassan, de egyenletesen csökken a különbség a hőmérsékletek között, majd a csökkenés napkeltekor felerősödik. Összességében, a külterületi ütemek görbéi általában meredekebbek a városiaknál. A városi hősziget jelenségét a távérzékelési technikák elterjedésével kellő térbeli felbontással tudjuk bemutatni. Ez a mérési mód a felszín kisugárzási hőmérsékletét teszi megismerhetővé, mégpedig kizárólag a derült napokon. Az épületek kisugárzása késő estig elnyújtja a nappali melegedést. A hősziget-hatás derült időben műholdakról is jól detektálható. Az ún. kisugárzási hőmérséklet a nap folyamán szorosan követi a léghőmérsékletet. A léghőmérséklet ingadozása 0,7–0,9-szerese a kisugárzási hőmérsékletének (Bartholy et al., 2005). Az ELTE munkatársai meghatározták a nagyvárosok hőmérsékleti többletének éves menetét (Pongrácz et al., 2010). Eszerint, a városi hősziget-hatás évi ingása meghaladja az éjszakait (2.b. ábra). Ezen belül a nappali hősziget-hatás júniusban a legerősebb. Az éjszakai hősziget-hatás ugyancsak az év meleg felében nagyobb, mint a többi hónapban. Évi átlagban a nappali és az éjszakai hősziget-hatás között kicsi a különbség (1,8 °C, ill. 2,1 °C). A MoDiS felvételei szerint mind a 10, legalább százezer lakosú városunkban kimutatható a melegebb városmag (Bartholy et al., 2004). Ezen alakzatokat a felszín-albedó térképeivel összevetve, a szerzők egyértelműnek találták az oksági kapcsolatra utaló hasonlóságot. A Terra műhold 1999 decembere óta kering kvázipoláris pályán, 705 km magasságban, globális lefedettséget biztosítva.
2. ábra. A város és a külterület eltérő viselkedése ideális, derült időben. (a) A hőmérséklet napi menetének sémája a városban és a külterületen (°C); (b) A kisugárzási felszín-hőmérséklet eltérése a belterületi és a külterületi műholdas pixeladatokban Budapesten (2001-2004). Bartholy et al., 2005 adatai alapján; (c) A városi területek és a külterület léghőmérsékletének éves átlagos különbsége (°C) a szegedi mobil mérések (2002-2003) alapján (Unger, 2006); (d) Az éves csapadékátlag (mm) izohiétái (Urbana, Illinois: a pontozott vonal a város határa) (Landsberg, 1981) A hőmérséklet horizontális változása a város szerkezetétől, övezeteitől függ (2.c ábra). A hőmérséklet a külterülethez képest a külvárosi résztől a centrum felé haladva először hirtelen, majd kisebb mértékben növekszik. Sajátos ezzel kapcsolatban a csapadék nagyváros körüli alakulása. A belváros függélyes emelő hatása folytán több felhő keletkezik, ezek azonban a csapadékukat csak a város szélmögötti oldalán, attól bizonyos távolságra adják le (2.d ábra). A hősziget-hatás függése az időjárási helyzettől A hősziget mértékére az időjárási tényezők (különösen a szél és a felhőzet) is jelentősen hatnak, s kialakulásukra kedvezőek az anticiklonális helyzetek, amikor derült az ég és közel szélcsend van. Szegeden az 1978–1980 közötti adatok tanúsága szerint az anticiklonális helyzetekben jóval erősebb a hőszigethatás, mint ciklonális helyzetekben (3. ábra). (Unger, 1996)
3. ábra. Az anticiklonális helyzet esetén kb. kétszer erősebb a hősziget-intenzitás, mint ciklonális helyzet esetén a Péczely-féle makroszinoptikus típusokban (Szeged 1978-1980) (Unger, 1996) A következőkben Budapest adatain is megismételtük Unger (1996) azon vizsgálatát, amely – Szegedre – a hősziget-hatás Péczely (1983) által definiált cirkulációs típusok szerinti, feltételes mértékét számszerűsítette. A maximumhőmérséklet következő pontban említett, furcsa viselkedése miatt az csak a minimumhőmérsékletekre végeztük el (4. ábra).
4. ábra. Városi hősziget-hatás az éjszakai minimumhőmérsékletben Budapest belterülete (Kitaibel Pál u.) és külterülete (Pestszentlőrinc) között az egyes Péczely-típusokban (1954-1985). Mindkét szélső időszakban az anticiklonális helyzetek esetén nagyobb a különbség Ennek alapján a főváros esetében is bebizonyosodott, hogy a hősziget-hatás az anticiklonális helyzetekben valamivel erősebb, mint a ciklonális helyzetekben. Budapest belterületi adatai Megvizsgálva a Budapest belterületi (Kitaibel Pál. u.) és külterületi (Pestszentlőrinc) állomásai közötti különbség időbeli dinamikáját, nagyon furcsa viselkedést tapasztaltunk (5. ábra). Megfigyelhető, hogy a 31–31 napból számított havonkénti átlagos hősziget-hatás nemcsak évközi ingadozást mutat, hanem az időszak különböző szakaszaiban váratlan ugrásokat és ingadozásokat is. Ugyanakkor az a törés, amit a belterületi állomás felszínről a tetőre helyezése miatt 1985ben indokoltnak tartanánk, nem mutatkozik meg az adatsorokban. Ekkor az 1910. március elseje óta a Kitaibel Pál utcai székház melletti műszerkertben (Kitaibel P. u. 3.; északi szélesség: 47°30’46”; keleti hosszúság: 19°01’34”) folyó mérések ugyanis felkerültek a tetőre. E műszerkertben a mérések a terület beépítése miatt 1985. március 31-én befejeződtek. A mérések 1985. április 1-től a Kitaibel Pál u. 1. alatti székház 5. emeletén lévő 25,7 m magasan lévő teraszon folytatódtak (északi szélesség: 47°30’40”; keleti hosszúság: 19°01’41”). A hőmérők ugyanolyan hőmérőházba kerültek, de az új elhelyezés jóval nagyobb szellőzést nyújtott. 1998 januárjától a hagyományos hőmérőket elektromos hőmérő váltotta fel.
5. ábra. A hősziget-hatás alakulása a Kitaibel Pál u. és Pestlőrinc között a négy évszak középső hónapjaiban Amint ez tehát az 5. ábráról kitűnik, a hősziget-hatás évközi ingása eléggé szabálytalan, különösen a maximumhőmérsékletek különbségei és az átlagok esetében. Emiatt a léghőmérsékletek és a kisugárzási hőmérséklet viselkedését a 6. ábrán a minimumhőmérséklet éves menet alapján állapítjuk meg. A 6. ábra megmutatja, hogy a belváros (kertszint, ekkor még nem a tető) és a külterület közötti eltérés a léghőmérsékletben egészen más jellegű, mint az a kisugárzási hőmérséklet esetében megfigyelhető. A műholdról ugyanis nyáron, a hőmérőházban pedig inkább télen jelentkezik nagyobb eltérés.
6. ábra. A felszín kisugárzási hőmérsékletének belterület-külterület különbsége (2001-2004, csak derült időben, balra – azonos a 2b ábrával, ugyancsak Bartholy et al., 2005 nyomán), illetve a Bp. Kitaibel Pál u. – Pestszentlőrinc állomások közötti léghőmérséklet különbségei (alul). A különbség éves menete láthatóan nem egyezik a kétféle forrás szerint. (A léghőmérséklet a belterületen is a járdától 2 m-re került felvételre, 1954 és 1985 márciusa között.) A hősziget-hatás kapcsolata a globális felmelegedéssel Bár a hősziget-hatás és a globális klímaváltozás mind tudományos, mind környezetvédelmi szempontból különálló problémakör, egy ponton mégis kapcsolódnak. Mégpedig ott, hogy a klímaváltozás nemcsak az éghajlati változók módosulásában, hanem az általános légkörzés fő övezeteinek, a ciklonpályák és anticiklon tartózkodási zónák eltolódásával is együtt jár. Előzetes vizsgálatok (Mika, 1988; Bartholy ¦ Matyasovszky, 1995) szerint a Kárpát-medence térségében ez a múltban nyári nyomásemelkedéssel, szélgyengüléssel, vagyis a helyi hatások erősödésével jár együtt. Emellett, a klímaváltozás lokális hatásai közül a legegyértelműbb a hőmérséklet emelkedése. Különösen meredek a mérsékeltövi területek (városon kívüli) csúcshőmérsékletének emelkedése (iPCC, 2007), ami előrevetíti a kritikusan magas városi hőmérsékletű napok gyakoribbá válását. A hősziget-hatás cirkulációs típusokkal való szembesítése az anticiklonokat jelölte meg a legnagyobb különbség hordozójának. Az említett példákból merítve, anticiklonális helyzetben kétszer erősebb a hősziget intenzitása, mint ciklonok esetén. Mivel a légnyomás egyes számítások szerint a nyári félévben várhatóan emelkedik a globális melegedéssel párhuzamosan (Mika, 1988), a hősziget-hatás várhatóan a beépítettség további fokozódása nélkül is erősödhet (Mika, 1998). Ugyanígy, télen az utóbbi 50 évben (1955 és 2005 között) az atlanti-európai térségben, s így hazánk térségében is, hatalmas területen nőtt a légnyomás, vagyis a derült anticiklonális időjárási helyzetek aránya nő, a borult, ciklonális helyzetek rovására (7. ábra). A nagytérségű folyamatok modellezésével ugyanakkor ez a változás csak kisebb részben magyarázható, ami az előrejelzések bizonytalanságára utal.
7. ábra. A tengerszinti légnyomás trendje a téli időszakban: 19552005 (Gillett et al., 2005). (a) megfigyelt értékek, (b) nyolc globális klímamodell átlagos szimulációja az üvegház-gázok, az aeroszolok, az ózon és a naptevékenység változásai nyomán. Az atlanti-európai térség mérsékelt szélességein a nyomás emelkedése, míg a poláris térségben csökkenése figyelhető meg. A modellek ezt csak részben tudták visszaadni A hősziget-hatás kapcsolata a légszennyezéssel Hazánkban a napi maximumhőmérséklet természetes sík felszínek felett az év 10– 30 napján meghaladja az ún. hőségnap nemzetközi kritériumát, a 30 oC-ot. nagyvárosainkban ennél 2–6 fokkal melegebb van, azaz hazánk népességének 1/3-a ennél jóval hosszabb ideig, átlagosan évi 30–60 napon át ki van téve a túlmelegedés okozta környezeti stressznek. ilyenkor szervezetünket a napsugárzásból, valamint az épületek kisugárzásából származó többlet hőbevétel, a szélcsend és a zsúfoltság okozta korlátozott hőleadás is fokozottan terheli. Sőt, a legerősebb hősziget-hatást előidéző szélcsendes, napos nyári időben a városlakók helyzetét súlyosbítja az egyidejűleg kialakuló magas ózon-(8. ábra) és a szállópor-koncentráció járulékos veszélytényezője is. Ez azzal magyarázható, hogy a nitrogén-dioxid a felszín közelében a napsugárzás hatására és a hőmérséklet emelkedés függvényében ózonná alakul. A napi maximumhőmérséklet 30 oC fölé emelkedése emiatt növeli azon napok számát, amikor az ózonkoncentráció eléri az érzékeny embereknél már egészségi kockázatot hordozó szintet.
8. ábra. Az USA 8 órás ózon-küszöbértékének (0,08 ppm) átlépési valószínűsége a hőmérséklet függvényében. Az ózonkoncentrációt elsősorban nem a hőmérséklet, hanem az erős napsütés fokozza! Az időjárás és a városi légszennyezettség kapcsolatáról beszámolt Makra et al., (2007), akik azt vizsgálták, hogy mely időjárási típusokban erős a légszennyezettség. Megállapításaikat Szeged belvárosi légszennyezettség adataira alapozták. E vizsgálatok szerint a 13 Péczely-féle időjárási típus (Péczely, 1983) közül a magasabb szennyezettségek rendre anticiklonális helyzetekhez, az alacsonyabbak pedig ciklonális helyzetekhez illetve erős széllel járó anticiklon-peremi helyzetekhez kötődnek. Az előbbiekben a leszálló áramlás, napos idő és a szélcsend segíti, utóbbiakban a feláramlás és az erős szél enyhíti szenynyezőanyagok felhalmozódását. A városi mikroklíma módosításának lehetőségei A klímaváltozás valószínűleg maga után vonja a nagyon magas nyári hőmérsékleteket, így gyakoribbá válnak az anticiklonális helyzetek, melyek mind a szennyezett levegő „beragadásának”, mind a hosszantartó hőhullámok kialakulásának kedveznek. A hőségriadó szempontjából kritikus napi középhőmérséklet trendjei a 70-es évek közepétől emelkedő tendenciát mutatnak, vagyis a felmelegedéssel párhuzamosan nő a küszöb-átlépések száma. Ezzel egy időben az átlagos „napi csapadékosság” is növekszik, azaz a csapadékos napokon lehullott átlagos csapadék mennyisége nő. Ez azt jelenti, hogy nő az eseti vízbevétel, tehát nagyobb csatornakapacitás szükséges. A jövőben egyre fontosabb lesz az adaptáció, mind a rövid távú, mind a hosszabb távú alkalmazkodás. (A hoszszú távú alkalmazkodást nevezhetjük hatásmérséklésnek, angolból ferdítve mitigációnak, hiszen itt a cél a magának a hatásnak a mérséklése.) A rövid távú alkalmazkodáshoz az egészségügy orvosmeteorológiai előrejelzéseket, riasztásokat használ fel, mivel a hőhullámok a városi lakosságot fenyegetik a legjobban. Ezért is nagyon fontos, hogy az illetékes hatóságok a megfelelő időben, vagy amilyen korán csak lehet, meghozzák a szükséges döntéseket. (A hőhullámok egészségi hatásairól a következő pontban szólunk.) A hosszabb távú, tartós alkalmazkodásnak több módja is van. A várostervezésben az utcai és beltéri hőstressz csökkentése a cél, zöld és tágas nyílt terek, a légáramlás kialakításával, fák ültetésével, az albedó és az antropogén hőtermelés csökkentésével. Az épülettervezés is fontos szerepet kap: a beltéri hőstressz gyengítése érdekében növelni kell az épületek hőkapacitását, s a lakhelyek megfelelő tájolásával a hatékony besugárzást szükséges szabályozni. A zöld növényekkel borított tető csökkenti a nappali felmelegedést, és kissé az éjszakai lehűlést is. Ez a megoldás drágább ugyan, de előnye az időtállóság, ami a hőháztartás és a vízháztartás kiegyensúlyozottságában fontos szerepet játszik. Az ilyen típusú tetők albedója nagyobb, több fényt vernek vissza és a szokásos tetőzettel ellentétben a víz lassabban zúdul az utcára és folyik el a csatornákba. A felsorolt lehetőségeket röviden az 1. táblázatban foglaltuk össze.
1. táblázat. Lehetséges lépések a városi túlmelegedés enyhítésére A városi hősziget-hatás fokozza az egyébként is meleg napok hőterhelését, ami szélső esetben indokolttá teheti hőségriadó bevezetését. Ennek első foka a figyelmeztető jelzés, amikor legalább egy napon eléri a napi középhőmérséklet a 25 °C–ot. A második fok a készültség jelzés, amikor legalább három egymást követő napon eléri a napi középhőmérséklet a 25 °C–ot, vagy legalább egy napon eléri a napi középhőmérséklet a 27 °C–ot. A legmagasabb fok a riadó jelzés, amikor legalább három egymást követő napon eléri a napi középhőmérséklet a 27 °C–ot. A hosszabb távú, tartós alkalmazkodásnak több módja is van. A várostervezésben az utcai és beltéri hőstressz csökkentése a fő cél, zöld és tágas nyílt terek, szellőzés, légáramlás kialakításával, fák ültetésével, az albedó és az antropogén hőtermelés csökkentésével. Az épülettervezés is fontos,
aminek keretében a beltéri hőstressz csökkentése érdekében növelni kell
az épületek hőkapacitását, a lakhelyek megfelelő tájolásával pedig a hatékony,
de nem túlzott mértékű besugárzás biztosítása a cél. A zöld növénnyel borított
tető erősen csökkenti a nappali felmelegedést, és kissé az éjszakai lehűlést
is. Ez a megoldásdrágább ugyan, de előnye az időtállóság, mind a hőháztartás,
mind a vízháztartás
Az épületekkel tagolt felszín változatossága a légáramlási viszonyokban jelentős helyi eltéréseket okoz. A terepmérések anyaga általában túl csekély egy-egy beépítési típus szél-módosító hatásának számszerű jellemzéséhez. Az eltérések mértékét jól érzékelteti, hogy a városi járdákon 10–50%-kal kisebb az átlagos szélsebesség, mint az úttest közepén. A fasorral szegélyezett utcákon a szélsebesség akár 20–30%-kal is mérséklődhet. A légszennyezés negatív hatásait
kétféle módon csökkenthetjük. Az egyik nyilvánvaló eljárás a kibocsátás
csökkentése. A másik járható út az adott viszonyok mellett a környezet
olyan kialakítása, amely kedvezőbb mikroklimatikus viszonyokat, azaz jobb
átkeveredést biztosít. Az átszellőzés érdekében meg kell őrizni a városközpont
felé tartó egyenes és kellően széles útvonalakat. A külterületek felszínét
világos színűre érdemes változtatni, hogy ezzel is hűtő hatást fejtsünk
ki a városközpont felé áramló levegőre, egyben fokozva a belváros és a
hűvös külterület közötti légcserét. A házak közötti távolság megnövekedésével
javulnak a közlekedésből származó kibocsátás felhígulásának feltételei.
Az utak mentén kialakított zöldfelületek kedvezőbbé teszik a mikroklimatikus
komfortviszonyokat. Cserjék, fák ültetésével jelentős zajcsökkentő hatás
is elérhető.
Hivatkozások:
A szerző munkáját az OTKA
K-68277 kutatási projektje is támogatta.
|
