VÁROSKLÍMA I.

1. VÁROSKLÍMA I.

2. A városklíma térbeli lehatárolása • Napjainkban az emberiség mintegy felét érintik a mesterségesen létrehozott városi környezet terhelései: a környezetszennyezés, a zaj, a felfokozott élettempóval együtt járó stressz és nem utolsó sorban a városi légtér – a természetes környezethez képest – megváltozott fizikai paraméterei. • A továbbiakban főleg a meteorológiai szempontból érdekes módosulásokkal, sajátos jellemzőikkel, kialakulásuk okaival, valamint e módosulásoknak a környezettel való kölcsönhatásaival foglalkozunk, szükség szerint érintve a légszennyeződés kérdéseit is.

3. A megváltozott városi levegőkörnyezetet csak a különböző léptékű meteorológiai folyamatok eredményeképpen kialakuló éghajlat ismeretében lehet tárgyalni, értékelni. • A szabadban megfigyelhető mikroklímák időben igen változékonyak, rövid életűek és jellegzetes kifejlődésük egy adott időjárási helyzethez kötődik. • A városokban, főleg a nagyobbakban fellelhető mikroklímák tarka mozaikszerűségükkel tűnnek ki. Az utcák, terek, parkok és udvarok mind sajátos éghajlattal rendelkeznek, amelyekben azonban közös vonások is vannak. Ezek a közös vonások éppen a lokális (helyi) éghajlat, a városklíma keretében jutnak kifejezésre.

4. A különböző klímák térbeli egymásra épüléseAz éghajlati jelenségek térbeli dimenziói: Z = zonális (makro) klíma, R = regionális (mezo) klíma, L = lokális klíma, T = topoklíma, M = mikroklíma

5. A városklíma kialakulásának okai Alapadottságok: • A város földrajzi elhelyezkedése az adott éghajlati zónában, • mérete (lakosság, terület), • szerkezete, • gazdaságának milyensége jelentős hatással van a kialakult éghajlati különbségek mértékére. • A természetföldrajzi adottságok (pl. medencefekvés, tengerparti elhelyezkedés) erősíthetik vagy gyengíthetik az antropogén okok hatására bekövetkező változások szerepét. E változások főbb okozói a következők:

6. A természetes felszínt épületek és vízátnemeresztő utak, járdák – vízelvezető csatornarendszerekkel kombinálva – helyettesítik. A felszín térbeli rendellenességei az utcák és a parkok felületétől a különböző tetőmagasságokig terjednek. • A járdák, utak és az épületek anyagainak fizikai tulajdonságai lényegesen különböznek az eredeti felszín sajátosságaitól. Általában kisebb albedóval, nagyobb hővezetési tulajdonsággal és hőkapacitással rendelkeznek. A természetes helyett egy új, elsődlegesen sugárzó felszín alakul ki a beépített területek tetőszintjében. • A helyi energiaegyenleg lényeges része az emberi tevékenység által (ipar, közle­ke­dés, fűtés) termelt és a környezetbe kibocsátott vagy kikerült hő is.

7. Fontos tényező a fűtés, közlekedés és az ipari folyamatok során keletkező idegen anyagok, így a vízgőz, gázok, füst és egyéb szilárd szennyezőanyagok (aeroszol) mennyisége. Ezek a várost lepelszerűen vonják be. • A városklíma jellemzőinek megismerése előtt röviden foglalkozni kell a települések felett kialakuló légrétegekkel. Ezek a következők: • - A városi határréteg(urban boundary layer – UBL) magassága jelentős mértékben függ az érdességi viszonyoktól. A városi határréteg tetőszint alatti és feletti rétegekre különíthető el. A városi határréteg, amelynek alapja a tetőszint közelében van, lokális, vagy mezoskálájú jelenség, amelynek jellemzőit az általános városi felszín alakítja ki. A nappali UBL szerkezete és dinamikája hasonló a vidéki határrétegéhez (RBL), attól eltekintve, hogy általában valamivel turbulensebb, melegebb, szárazabb és szennyezettebb.

8. A városi határréteg burokként veszi körül a települést és függőleges kiterjedése meghaladja az RBL magasságát. Enyhe és közepes erősségű szél esetén a városi határréteg egy ”toll” (angolul: plume) – más elnevezésekkel: ”tollpehely” vagy ”zászló” – formájában elnyúlik a vidéki (természetes) légköri határréteg felett a széliránynak megfelelően. • Így, a városon túl az új, természetes felszínnek megfelelően kifejlődött RBL fölött – sokszor 10-100 km-re kiterjedően – helyezkedik el ez a városi levegő tulajdonságait hordozó réteg. Az éjszakai UBL gyökeresen más, mint vidéki megfelelője.

9. Zavartalan viszonyok között gyakran a 300 m-es magasságig is kiterjed és továbbra is jellemző rá a viszonylag erős keveredés, míg az RBL-ben a kisugárzás hatására erőteljes inverziós rétegzettség alakul ki. • Az átlagos tetőszint magasságában kialakuló ún. városi tetőszint réteg (urban canopy layer – UCL) tulajdonságait mikroskálájú (épületekhez, terekhez, parkokhoz, stb. kapcsolódó) folyamatok kormányozzák.

10. A városi légkör szerkezete

11. Az energia- és vízegyenleg változásai természetes felszínen és városi területeken A természetes felszínek energiaegyenlege • A természetes területek egyenlegének sajátosságait – mind általában – a felszínre jutó sugárzási energia mennyisége szabályozza, amelyben nappal a rövidhullámú sugárzás dominál, éjszaka pedig kizárólag csak a hosszúhullámú sugárzás játszik szerepet. • A felszín energiatöbbletét (veszteségét) a talaj irányába (irányából) történő hőszállítás (QG), valamint a légkör irányába (irányából) történő konvektív szállítású érzékelhető és látens hőszállítás (QH+QE) vezeti el (pótolja).

12. A turbulens hőszállításon belül az érzékelhető és látens hő arányának megoszlása nagyrészt a felszín nedvességének mértékétől függ. • Ha a felszín nedves, akkor az evapotranspiráció eléri a maximálisan lehetséges 100%-ot, nagysága csak a rendelkezésre álló energiamennyiségtől függ. Ekkor a látens hő aránya a döntő. • A felszín nedvességének csökkenésével a sugárzási többlet egyre nagyobb része fordítódik a felette lévő levegő felmelegítésére, vagyis a QH szerepe megnő a QE rovására.

13. A városi területek sugárzási energiaegyenlege • Először is azt kell megvizsgálni, hogy milyen hatása van a városnak a sugárzási mérleg rövid- és hosszúhullámú összetevőire. Ez a módosulás – legalábbis tényezőnként – jelentős lehet, amelynek okai a levegőben lévő szennyezőanyagokban és a felszín megváltozott sugárzási tulajdonságaiban keresendők.

14. A rövid- és hosszúhullámú sugárzási folyamatok általánosított szerkezete a szennyezett városi határrétegben

15. A beérkező (1) és a felszínről visszaverődő (3) rövidhullámú sugárzás a külterületekhez képest erősebben gyengül a szennyezett városi légkörben. • A felszín bevétele (K↓), amely a direkt és szórt sugárzásból (2), valamint visszavertből (4) áll, általában 2-10%-kal kevesebb a városban. • Éves szinten például Budapesten 8%-os a besugárzás csökkenése, ami nyáron az intenzívebb feláramlások, a turbulens átkeveredések és a fűtés hiánya miatt valamivel kisebb, télen viszont ennél lényegesen magasabb értéket mutat.

16. A szennyezés és a hozzá kapcsolódó köd (füstköd) korábban, pl. a brit városok esetében a téli időszak alatt (novembertől márciusig) a beérkező rövidhullámú sugárzás 25-55%-os veszteségét eredményezte. • A reggeli és délutáni órákban az alacsonyabb napmagasság miatt a sugarak hosszabb utat tesznek meg a szennyezettebb városi levegőben, ezért ekkor nagyobb a sugárzásveszteség, mint délben. • Megkülönböztethető hullámhossz szerinti veszteség is, amely szerint a rövidebbektől (UV) a hosszabbakig (IR) csökken a veszteség mértéke, tehát a bioklimatológiai szempontból fontos UV sugárzás csökken a legjobban.

17. Azonban a városban az albedó általában 0,05-0,10-dal alacsonyabb, mint a közepes szélességek vidéki területein (vagyis kisebb a K↓), amit részben az építési anyagok színe és télen a hótakaróval való borítottság mértéke, részben a tagolt felszín (utcák, házak) hatására csapdába eső napsugarak következménye. • Így a két hatás eredményeképpen a rövidhullámú sugárzási mérleg (K*) értékeiben nem mutatkozik túl nagy különbség.

18. A beérkező rövidhullámú sugárzás hullámsáv szerinti %-os megoszlása a városban és a külterületen (Párizs és környéke)

19. Hasonlóan, egymást kioltó folyamatok lépnek fel a hosszúhullámú sugárzás esetében is. • A szennyezett levegő és a városi felszín kicsit kisebb kibocsátóképességét a hősziget ellensúlyozza, ugyanis a magasabb hőmérsékletű felszín nagyobb kisugárzást eredményez (5). • Ennek jelentős része elnyelődik a szennyezett rétegben és visszasugárzódik a felszínre a bejövő égboltsugárzás (6) egy részével együtt (7), emellett a hősziget feletti meleg levegő is bocsát ki sugárzást (8).

20. Éjszaka ez az egyesített hosszúhullámú bevétel egy kicsit nagyobb a városban, mint a külterületen és esetleg nappal is nagyobb maradhat a napsugárzás által felmelegített szennyezőanyagok miatt. • Összességében tehát az urbanizáció hatására megnő mind a hosszúhullámú bevétel (L↓), mind a kiadás is (L↑), ezért a hosszúhullámú sugárzási mérlegek (L*) különbsége nem nagy. • A fentiekből az következik, hogy a teljes sugárzási mérlegnek (Q*) a város és a külterület közötti különbsége nem jelentős, általában 5%-nál kevesebb.

21. A teljes UBL viszonylatában a városi felszín és a felette lévő levegő közötti – területileg átlagolt – energia-cserefolyamatokat kell figyelembe venni. • Ekkor a város "felszíne" az UCL és az UBL közötti határfelületet jelenti. Az ezen a felületen keresztülhaladónak tekintett energiaáramlás az egyes UCL-egységekről (pl. tetők, fák, gyepek, utak, stb.) kiinduló áramlások összegzése egy nagyobb területű, adott beépítettségi típussal jellemzett városrészre. • Egy ilyen városrésznyi felszín közepe tájára vonatkozó energiaegyenleg a következők szerint alakul (ha az advektív hatástól el lehet tekinteni): Q* + QF = QH + QE + ΔQS ahol QF – az antropogén hőtermelés.

22. A QF tényezőt ki lehet következtetni, ha a fűtőanyag-felhasználás térbeli és időbeli mennyisége rendelkezésre áll, közvetlenül azonban nem lehet meghatározni a terepi mérések során. • Ezért a gyakorlatban megmért energiaegyenlegek ezt a tagot nem tartalmazzák elkülönülten, hanem a tulajdonképpeni hatása a többi tényező egyikében-másikában jelentkezik. • A mérsékelt égövben nyáron a QF tényező tipikus napi átlaga az elővárosi 5 Wm-2-től a belvárosi 50 Wm-2-ig ingadozik. • Ezek az értékek a legtöbb esetben a mérési hibahatáron belülre esnek, ezért elhanyagolhatónak tekinthetők. Északi fekvésű városok esetében azonban feltétlenül számításba kell venni a QF-et.

23. Pl. Fairbanks és Manhattan esetében az átlagos éves értékek nagyobbak, mint a sugárzási mérleg. • A magas értékek a nagy lakósűrűség vagy az egy lakóra jutó nagy energiafelhasználás következményei. • Viszont az alacsony szélességeken fekvő Hong Kong és Szingapúr esetében a QF elhanyagolható mértékű. • Az antropogén hőtermelés időbeli menetében a nap folyamán kimutatható egy reggeli és egy késő délutáni-kora esti csúcs, évszakosan pedig egy téli (hidegebb éghajlatokon fűtés miatti) vagy egy nyári (melegebb éghajlatokon hűtés miatti) csúcs.

24. A sugárzási mérleg (Q*) és az antropogén hőtermelés (QF) átlagértékeinek összehasonlítása különböző városok esetében

25. Az energiaegyenleg összetevőinek tipikus arányai az átlagos napi sugárzási mérleghez viszonyítva a külterületen, az elővárosban és a belvárosban

26. A táblázatból az is kitűnik, hogy a város hőtárolásának változása (ΔQS) általában jelentősen nagyobb, mint a külterületé, amely néhány építési anyagnak a természetes felszínhez képest valamelyest nagyobb hővezető képességével és nagyobb hőkapacitásával magyarázható. • Ennek a jelentősége hangsúlyosabb az éjszaka folyamán, amikor a tárolási tényezőnek a városban és a külterületen is nagyobb szerepe van a teljes energiaegyenlegben és ez a tényező fontossá válhat a magasabb városi hőmérséklet fenntartásában. • A hőtárolásbeli eltérés azonban csak kisebb részben tulajdonítható az előzőeknek, feltehetően jelentősebb a felszínek geometriájában lévő eltéréseknek a szerepe.

27. A városi energiaegyenleg tényezőinek nappali menetében két érdekességet lehet megfigyelni. A délután második felében a QH csökkenése – bizonyos késéssel – a Q* csökkenését követi, valamint a QH az éjszaka folyamán is pozitív (a légkör felé irányuló) maradhat. • Az előzőek szerint a külterületi és városi felszínek meglehetősen eltérő energiaháztartással jellemezhetők. • Ennek oka nagyrészt a rendelkezésre álló nedvesség különbségeiben keresendők. • Ha mindkettő nedves, akkor az eltérések kicsik, azonban egy száraz időszak alatt a város egyre inkább az érzékelhető hő egy viszonylagosan nagy helyi forrásává válhat (noha a városi területek öntözése mérsékelheti, vagy akár meg is fordíthatja ezt a tendenciát).

28. Az energiaegyenlegben az érzékelhető és látens hő szerepét szemléletesen fejezi ki a Bowen-arány (ß = QH/QE). • A hányadosnak kimutatható napi változása van. A külterületen negatív értékek is fellépnek, méghozzá kora reggel, este és főleg éjszaka. • A nappali órákban a ß előjele pozitív lesz, maximumát dél körül éri el. • Ekkor általában QH < QE, tehát a hányados az 1-t nem, vagy csak rövid időre éri el. • A városban ellenben egész nap pozitív és több órán keresztül az érték nagyobb 1-nél.

29. Összességében megállapítható, hogy az urbanizáció hatására az energiaegyenlegben az érzékelhető és a tárolt hő szerepe megnő a látens hő rovására.