ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA

PRACE GEOGRAFICZNE, zeszyt 122 Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ Kraków 2009 Anna Nowak ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA Zarys treści: W pracy przedstawiono analizę rozkładu temperatury powietrza na terenie Poznania w zależności od typu zabudowy miejskiej. Wartości temperatury z pomiarów wykonanych na terenie miasta odniesiono do temperatury powietrza zmierzonej na stacji pozamiejskiej Poznań- -Ławica. Na podstawie otrzymanych wyników dokonano charakterystyki miejskiej wyspy ciepła (m.w.c.), zwracając szczególną uwagę na natężenie (intensywność) oraz częstość występowania miejskiej wyspy ciepła, jak i zależność tego zjawiska od takich elementów meteorologicznych jak prędkość wiatru czy stopień zachmurzenia. Wielkość uprzywilejowania termicznego największa jest w zwartej zabudowie centrum miasta oraz w wysokiej zabudowie osiedlowej. Maksymalne natężenie m.w.c. (w okresie 1.05.2008 31.01.2009 r.) dla centrum Poznania wynosi 6,13 o C, średnie 0,74 o C. M.w.c. charakteryzuje się rytmem dobowym, a najlepsze warunki sprzyjające powstawaniu znacznych różnic temperatury powietrza między centrum a terenem pozamiejskim pojawiają się przeciętnie między 21:00 a 03:00. Wraz ze zwiększaniem się odległości od centrum następuje spadek częstości występowania i intensywności m.w.c. Natomiast analiza prędkości wiatru oraz stopnia zachmurzenia pozwoliła określić najmniej korzystne warunki do powstawania m.w.c. (zachmurzenie >6 i prędkość wiatru >3 m s -1 ). Słowa kluczowe: klimat miast, miejska wyspa ciepła, Poznań Key words: urban climate, urban heat island, Poznań Wstęp Obszar zurbanizowany, wskutek lokalnych zmian właściwości fizycznych podłoża oraz fizykochemicznych atmosfery (emisja ciepła antropogenicznego, emisja zanieczyszczeń), modyfikuje klimat danego regionu. Jedną z najjaskrawszych cech klimatu obszarów zurbanizowanych jest wzrost temperatury powietrza w mieście w porównaniu z terenami otaczającymi. W literaturze przedmiotu zjawisko to określane jest mianem miejskiej wyspy ciepła (m.w.c.). Na wielkość i charakter zmian reżimu termicznego w mieście w porównaniu z okolicą wpływa układ urbanistyczny miasta

100 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122 oraz warunki pogodowe panujące w ciągu dnia: wielkość zachmurzenia oraz kierunek i prędkość wiatru, zależne od sytuacji synoptycznej i rodzaju masy powietrza (Wawer 1995). Przeprowadzona analiza m.w.c. na obszarze Poznania dotyczy takich jej charakterystyk, jak: natężenie, częstość występowania i rytm dobowy, a także oceny wpływu na m.w.c. następujących elementów meteorologicznych: prędkość i kierunek wiatru, wysokość podstawy chmur i stopień zachmurzenia. Obszar badań Jako obszar badań wybrano Poznań, miasto o powierzchni 261,85 km 2 i liczbie ludności 557 264 (Ludność... 2009). Tereny zabudowane stanowią około 41% powierzchni miasta (przy czym 29,3% to tereny osiedli), a tereny zielone około 27%. Poznań położony jest w przełomowym odcinku doliny Warty. Ponad 58% obszaru w granicach administracyjnych Poznania znajduje się na wysokości powyżej 80 m n.p.m., 7% to tereny położone na terasie zalewowej doliny Warty, a pozostałe (35%) na wyższych terasach rzecznych oraz w obrębie rynien glacjalnych (Borówka 1994). Dane i metody badań Na obszarze Poznania od 18.04.2008 r. prowadzone są systematyczne pomiary (z rozdzielczością czasową 10 minut) wybranych elementów meteorologicznych (temperatury powietrza, temperatury punktu rosy, wilgotności względnej powietrza) w dziewięciu punktach pomiarowych (tab. 1). W niniejszym opracowaniu materiałem wyjściowym były wartości temperatury powietrza z okresu od 1.05.2008 do 31.01.2009 r. z czterech punktów zlokalizowanych w różnych typach użytkowania terenu i w różnej odległości od centrum miasta: 1) posterunek UAM Collegium Minus, reprezentujący zabudowę śródmiejską, centrum miasta; 2) posterunek Rusa, reprezentujący teren zabudowy blokowej; 3) posterunek Dębiec, reprezentujący obszar zabudowy jednorodzinnej; 4) posterunek Słoneczna, reprezentujący zieleń miejską. Ponadto wykorzystano dane dotyczące temperatury powietrza, stopnia zachmurzenia ogólnego nieba, wysokości podstawy chmur oraz prędkości i kierunku wiatru ze stacji Poznań-Ławica (stacja pozamiejska) (Russia s...). Wszystkie dane analizowano w terminach pomiarowych: 00:00, 03:00, 06:00, 09:00, 12:00, 15:00, 18:00, 21:00 UTC. Jako podstawowej charakterystyki użyto różnic wartości temperatury powietrza między posterunkami miejskimi a stacją pozamiejską. Intensywność i częstość występowania miejskiej wyspy ciepła Miejska wyspa ciepła jest zjawiskiem charakterystycznym dla terenów zurbanizowanych. Podstawową charakterystyką jest jej natężenie (intensywność), które w bezpośredni sposób zależy od wielkości i struktury miasta (przy czym ważna jest jego rzeczywista a nie administracyjna powierzchnia), zwartości terenów zabudowanych oraz gęstości i wysokości zabudowy (Szymanowski 2004).

ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA 101 Tab. 1. Charakterystyka punktów pomiarowych Table 1. Characteristic of measurement points Średnie natężenie m.w.c. w centrum Poznania w okresie od 1.05.2008 do 31.01.2009 r. wynosiło 0,74 o C. Dla pozostałych punktów pomiarowych średnie natężenie było niższe i wynosiło odpowiednio: 0,34 o C w zabudowie wysokiej (Rusa), 0,15 o C w zabudowie jednorodzinnej (Dębiec) oraz 0,04 o C na obszarze zieleni miejskiej (Słoneczna). Maksymalne natężenie w analizowanym okresie wynosiło 6,13 o C (UAM Collegium Minus, 11.05.2008 r., 21:00) i było o 1,42 o C niższe od maksymalnego natężenia obliczonego na podstawie wzoru Oke a (1973), będącego liniową funkcją logarytmu liczby ludności. Natomiast największa różnica temperatury powietrza, w sytuacji kiedy miasto było chłodniejsze niż teren pozamiejski, wyniosła -3,65 o C (31.08.2008 r., 06:00) dla punktu pomiarowego zlokalizowanego na obszarze o zwartej zabudowie jednorodzinnej (tab. 2). Analizując rozkład częstości występowania kontrastów termicznych między obszarem miejskim a pozamiejskim, można stwierdzić, że zjawisko m.w.c. najczęściej pojawia się w miesiącach wiosennych i letnich (w tym okresie osiąga ono również największe natężenie), natomiast najrzadziej w zimowych. W sierpniu zanotowano 87,4% przypadków, kiedy różnica temperatury powietrza pomiędzy centrum a obszarem pozamiejskim wynosiła >0,0 o C, natomiast w grudniu 84,2%. Dla różnic temperatury powietrza >1,0 o C oraz >3,0 o C wartości z poszczególnych miesięcy znacznie się różnią. W sierpniu zanotowano 29,7% przypadków z różnicą temperatury >1,0 o C oraz 2,5% przypadków z różnicą temperatury >3,0 o C, natomiast w grudniu (analogicznie) 18,6% i 0,4%.

102 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122 Tab. 2. Średnie, maksymalne i minimalne wartości natężenia miejskiej wyspy ciepła ( o C) w różnych typach zabudowy (maj 2008 styczeń 2009 r.) Table 2. Average, maximum and minimum urban heat island intensity ( o C) in different built-up areas (May 2008 January 2009) Objaśnienia: jak przy ryc. 1. śr średnie, maks. maksymalne, min. minimalne. Explanations as in fig. 1. śr mean, maks. maximum, min. minimum. Cykl dobowy miejskiej wyspy ciepła Analiza dobowego przebiegu temperatury powietrza wykazała występowanie wyższej temperatury powietrza w centrum miasta oraz na obszarze o zabudowie blokowej aniżeli na terenie pozamiejskim. Od maja do września maksimum temperatury powietrza przypada na godz. 15:00, natomiast od października do stycznia notowane

ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA 103 jest o godz. 12:00. Najprawdopodobniej jest to związane z długością dnia, momentami wschodu i zachodu Słońca oraz wielkością promieniowania krótkofalowego w różnych porach roku. Średni dobowy przebieg temperatury powietrza oraz różnic temperatury powietrza pomiędzy posterunkami miejskimi i stacją pozamiejską przedstawiono dla dwóch wybranych miesięcy: sierpnia 2008 r., jako charakterystykę dobowej rytmik i w miesiącu letnim (ryc. 1), i stycznia 2009 r. jako miesiąca zimowego (ryc. 2). Maksymalne różnice notowane są dla sierpnia w godzinach 21:00 03:00, zaś minimalne w godzinach 06:00 12:00, natomiast dla stycznia maksymalne wartości przypadają na godz. 00:00, zaś minimalne na godz. 09:00. Wzrost w wartościach różnic rozpoczyna się około godz. 15:00, natomiast tendencja spadkowa rozpoczyna się około godz. 03:00. Strukturę rytmu dobowego m.w.c. w Poznaniu podkreśla również frekwencja różnic temperatury powietrza o określonej intensywności (>0,0 o C, >1,0 o C, >3,0 o C). Analizę przeprowadzono dla poszczególnych miesięcy. W niniejszej pracy zaprezentowano wyniki dla sierpnia i grudnia (ryc. 3). W porównaniu z terenem pozamiejskim, centrum Poznania charakteryzuje się dodatnią anomalią temperatury powietrza. Częstość występowania różnic temperatury większych niż 0,0 o C nie spada poniżej 60%. Na obszarze o zabudowie wysokiej częstość różnic temperatury powietrza >0,0 o C utrzymuje się na poziomie 50%. W zabudowie śródmiejskiej szczególnie wysokim odsetkiem godzin z różnicą temperatury >0,0 o C charakteryzują się miesiące od maja do listopada. Analiza częstości występowania przypadków m.w.c. o intensywności >1,0 o C i >3,0 o C wykazała, że maksimum frekwencji przypada na godziny nocne, co potwierdza, że zjawisko m.w.c. jest charakterystyczne dla nocnej części doby, przy czym liczba przypadków maleje wraz ze zmniejszaniem stopnia przekształcenia terenu. Natężenie m.w.c. >3,0 o C notowane jest głównie dla zabudowy śródmiejskiej (centrum Poznania). Jednak zdarzają się sytuacje, w których natężenie to w nocy, na stacji zlokalizowanej w wysokiej zabudowie blokowej przekracza 3,0 o C (maj lipiec oraz grudzień i styczeń). Podobną sytuację notuje się na stacji położonej w obszarze zabudowy domów jednorodzinnych (maj i czerwiec); stanowią one jednak nie więcej niż 5%. Wpływ warunków meteorologicznych na miejską wyspę ciepła Szczególne miejsce wśród czynników meteorologicznych analizowanych pod kątem ich wpływu na m.w.c. zajmują te, które w bezpośredni sposób oddziałują na poszczególne strumienie wymiany energetycznej, zwłaszcza w porze nocnej, a w konsekwencji na różnicowanie tempa wychładzania obszarów miejskich i pozamiejskich. Zaliczyć do nich należy głównie stopień zachmurzenia modyfikujący strumień wymiany radiacyjnej oraz prędkość wiatru, bezpośrednio wpływającą na wentylację i wymianę energii na drodze turbulencyjnej, zarówno w obszarach zurbanizowanych, jak i poza nimi (Szymanowski 2004). Analizę natężenia m.w.c. przeprowadzono w Poznaniu pod kątem wpływu tych czynników, a także kierunku wiatru i wysokości podstawy chmur. Ponieważ największa intensywność m.w.c. zanotowana została na obszarze o zabudowie śródmiejskiej, analizę tę przeprowadzono dla różnic pomiędzy punktami UAM Collegium Minus i Poznań-Ławica, a otrzymane wyniki przedstawiono na ryc. 4 7. Intensywność m.w.c. w największym stopniu modyfikowana jest przez pręd-

104 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122 Ryc. 3. Cykl dobowy częstości (%) występowania różnic temperatury powietrza >0,0 o C, >1,0 o C, >3,0 o C pomiędzy posterunkami miejskimi a stacją pozamiejską (sierpień i grudzień 2008 r.) Fig. 3. Diurnal course of frequency (%) of urban-rural air temperature differences greater than >0.0 o C, >1.0 o C, >3.0 o C, August and December 2008

ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA 105 Objaśnienia jak przy ryc. 1. Explanations as in fig. 1.

106 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122 Ryc. 4. Natężenie miejskiej wyspy ciepła ( o C) a stopień zachmurzenia nieba (1.05.2008 31.01.2009 r.) Fig. 4. Urban heat island intensity ( o C) depending on cloudiness (1.05.2008 31.01.2009) Ryc. 5. Natężenie miejskiej wyspy ciepła ( o C) a wysokość podstawy chmur (1.05.2008 31.01.2009 r.) Fig. 5. Urban heat island intensity ( o C) depending on cloud base (1.05.2008 31.01.2009) Objaśnienia ryc. 4, 5, 6 i 7: del T różnica temperatury powietrza pomiędzy stacją UAM Collegium Minus i Poznań-Ławica. Explanations for fig. 4, 5, 6 and 7: del T air temperature differences between stations UAM Collegium Minus and Poznań-Ławica.

ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA 107 Ryc. 6. Natężenie miejskiej wyspy ciepła ( o C) a prędkość wiatru (1.05.2008 31.01.2009 r.) Fig. 6. Urban heat island intensity ( o C) depending on wind speed (1.05.2008 31.01.2009) Ryc. 7. Natężenie miejskiej wyspy ciepła ( o C) a kierunek wiatru (1.05.2008 31.01.2009 r.) Fig. 7. Urban heat island intensity ( o C) depending on wind direction (1.05.2008 31.01.2009)

108 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122 Ryc. 8. Frekwencja (%) natężenia miejskiej wyspy ciepła ( o C) w wybranych warunkach meteorologicznych (1.05.2008 31.01.2009 r.) Fig. 8. Frequency (%) of the urban heat island intensity ( o C) in selected meteorological conditions (1.05.2008 31.01.2009) Objaśnienia: 1 zachmurzenie 6 oraz prędkość wiatru 3 m s -1, 2 zachmurzenie 6 oraz prędkość wiatru >3 m s -1, 3 zachmurzenie >6 oraz prędkość wiatru 3 m s -1, 4 zachmurzenie >6 oraz prędkość wiatru >3 m s -1. Explanations: 1 cloudiness 6 and wind speed 3 m s -1, 2 cloudiness 6 and wind speed >3 m s -1, 3 cloudiness >6 and wind speed 3 m s -1, 4 cloudiness >6 and wind speed >3 m s -1.

ANALIZA MIEJSKIEJ WYSPY CIEPŁA NA OBSZARZE POZNANIA 109 kość wiatru (za granicę, która w znacznym stopniu zmniejsza natężenie m.w.c. można przyjąć 3 m s -1 ) oraz wysokość podstawy chmur (różnice temperatury powietrza >3,0 o C, w sytuacjach kiedy podstawa chmur znajduje się poniżej 500 m, nie są notowane). Reżim termiczny miasta w najmniejszym stopniu modyfikuje kierunek wiatru. Jednak można przypuszczać, iż kierunek wiatru może mieć znaczący wpływ na modyfikacje natężenia m.w.c., jeśli chodzi o położenie stacji pomiarowych (w zależności od sektora, w którym jest zlokalizowana). Dlatego planuje się przeprowadzenie analiz również dla pozostałych stacji miejskich. Chcąc opisać łączny wpływ wyżej wymienionych elementów meteorologicznych na modyfikację natężenia MWC, wydzielono cztery sytuacje pogodowe: 1) zachmurzenie 6 oraz prędkość wiatru 3 m s -1 ; 2) zachmurzenie 6 oraz prędkość wiatru >3 m s -1 ; 3) zachmurzenie >6 oraz prędkość wiatru 3 m s -1 ; 4) zachmurzenie >6 oraz prędkość wiatru >3 m s -1. Wyniki przedstawiono na ryc. 8. Wraz ze wzrostem prędkości wiatru oraz zachmurzenia zmniejsza się liczba przypadków występowania m.w.c. o dużym natężeniu (zmniejsza się prawostronna asymetria). Podsumowanie Przeprowadzona analiza wykazała znaczny modyfikujący wpływ obszaru miasta na warunki termiczne panujące na terenie Poznania. Wielkość uprzywilejowania termicznego jest największa w zwartej zabudowie centrum miasta oraz w wysokiej zabudowie osiedlowej. Otrzymane wartości takie jak średnie (0,74 o C) czy maksymalne (6,13 o C) natężenie m.w.c. dla centrum Poznania są niższe niż dla Łodzi czy Wrocławia. Maksymalne natężenie m.w.c. zanotowane dla Łodzi wynosi 12 o C (Kłysik 1998), natomiast dla Wrocławia 9 o C (Szymanowski 2004). Przyczyną różnic jest najprawdopodobniej to, że są to miasta o większej liczbie ludności, a ponadto analizy oparte były na dłuższych seriach pomiarowych aniżeli w przypadku Poznania. Miejska wyspa ciepła charakteryzuje się rytmem dobowym. Najlepsze warunki sprzyjające kształtowaniu się dużej intensywności m.w.c. (>3,0 o C) pojawiają się przeciętnie pomiędzy godziną 21:00 a 03:00. Najwięcej przypadków notowanych jest dla centrum Poznania. Wraz ze zwiększaniem się odległości od centrum następuje spadek częstości występowania i intensywności m.w.c. Różnice temperatury między obszarem miejskim a pozamiejskim osiągają największe wartości latem i wiosną, a najmniejsze zimą. Stwierdzone prawidłowości są zgodne z wynikami badań dla innych miast Polski. Analiza wpływu wybranych elementów meteorologicznych na natężenie m.w.c. wykazała, że modyfikujący wpływ prędkości wiatru zaznacza się bardziej aniżeli wpływ zachmurzenia nieba. Łączna analiza tych parametrów pozwoliła określić najmniej korzystne warunki do powstawania m.w.c.: zachmurzenie >6 i prędkość wiatru >3 m s -1. Otrzymane wyniki są zbliżone do analiz przeprowadzonych dla Wrocławia.

110 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122 Literatura Borówka R.K., 1994, Środowisko geograficzne Poznania, [w:] K. Matusiak (red.), Wielka księga miasta Poznania, Koziołki Poznańskie, Poznań, 333 344. Kłysik K., 1998, Struktura przestrzenna miejskiej wyspy ciepła w Łodzi, Acta. Univ. Lodz., Folia Geogr. Phys., 3, 385 391. Ludność. Stan i struktura w przekroju terytorialnym. Stan w dniu 31 XII 2008 r., 2009, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa (www.stat.gov.pl/gus/). Oke T.R., 1973, City size and the urban heat island, Atm. Environ., 7, 769 779. Russia s Weather forecast, weather conditions, weather archive (meteo.infospace.ru). Szymanowski M., 2004, Miejska wyspa ciepła we Wrocławiu, Studia Geogr., 77, Wyd. Uniw. Wrocławskiego. Wawer J., 1995, Wpływ warunków pogodowych na intensywność miejskiej wyspy ciepła w Warszawie, [w:] K. Kłysik (red.), Klimat i bioklimat miast, Wyd. Uniw. Łódzkiego, Łódź, 71 78. Analysis of the urban heat island in Poznań Summary This paper presents the analysis of the air temperature variations in the area of Poznań, dependent on different urban land use types. The measurements were performed in the city center and in areas with high housing estates or dispersed houses and parks within the city area. Those measurements were compared with the data from the measurement point located in rural area, which is the Poznań-Ławica airport, localized west of the city centre. The data analysis shows that Poznań has a moderate influence on air temperature modifications. The highest temperatures were measured in the city center with a dense build-up and in areas with high housing estates. In the measurement period (1.05.2008 31.01.2009) the average temperature in the city center was higher by 0.74 C than in the airport. The maximum temperature difference reached 6.13 C. The urban heat island (UHI) is characterised by a daily cycle. High UHI intensity (>3 C) occurs most often between 9 pm and 3 am, mainly in the city center. The UHI situations are more seldom and less intensive with increasing distance from the city center. The highest temperature differences between the city and the rural areas were measured in summer and spring, the smallest ones in winter. Wind speed affects UHI more than the cloudiness. The most disadvantageous weather conditions for UHI formation are cloudiness >6 and wind speed >3 m s -1. The results obtained in other Polish cities are similar. Anna Nowak Uniwersytet Adama Mickiewicza Instytut Geografii Fizycznej i Kształtowania Środowiska Przyrodniczego ul. Dzięgielowa 27 61-680 Poznań e-mail: anno@amu.edu.pl