Klimat miasta

Wiadomości podstawowe

Czynniki kształtujące klimat miasta

Klimat miasta jest wynikiem współoddziaływania wielu czynników zarówno naturalnych, jak też antropogenicznych. Zanieczyszczenia powietrza, pokrycie obszaru miasta ulicami i budynkami, czy emisja tzw. sztucznego ciepła, wraz z lokalnymi czynnikami naturalnymi, powodują różnice klimatyczne między miastem i obszarami pozamiejskimi.

Na kształtowanie się klimatu miasta ma wpływ szereg naturalnych czynników zarówno makroskalowych (m. in. szerokość geograficzna), jak i mezoskalowych - lokalnych (ukształtowanie powierzchni, pokrycie terenu, obecność zbiorników wodnych). Wraz z rozwojem miasta zaczynają działać zupełnie nowe czynniki, które modyfikują dotychczasowy klimat obszaru i przyczyniają się do stworzenia klimatu miejskiego.

Uwaga: Kolory użyte w tekście odpowiadają kolorom użytym na rysunku poniżej!

1. Czynniki kształtujące klimat miasta
Autor: Sebastian Wypych

W mieście większość powierzchni, zwłaszcza w centrum, jest pokryta ulicami, budynkami itp. zbudowanymi z różnych materiałów nie przepuszczających wody (np. beton, asfalt). Naturalna powierzchnia Ziemi występuje w parkach czy na skwerach, ale zazwyczaj zajmuje tylko mały fragment całej powierzchni miasta. Powierzchnia miasta jest często bardzo urozmaicona, tworzy jakby mozaikę złożoną z różnego rodzaju materiałów. Każdy materiał ma inne albedo, co powoduje różnice w ilości promieniowania odbitego i pochłoniętego przez daną powierzchnię. Albedo całego miasta wynosi zaledwie 10-15% (np. albedo świeżego śniegu wynosi ponad 80%) co oznacza, że większość docierającej do miasta energii słonecznej jest pochłaniana. Ponadto większość materiałów, z których zbudowane jest miasto charakteryzuje się dużą pojemnością cieplną i dużym przewodnictwem cieplnym. W przyrodzie trudno spotkać materiały, które miałyby zarazem tak niskie albedo i wysoką pojemność cieplną, a jest to bardzo ważny czynnik kształtujący klimat miasta. 

Dodatkowo układ budynków w mieście, tzw. trójwymiarowa geometria miasta, sprzyja "zatrzymywaniu" promieniowania w pobliżu podłoża. Powoduje to zmniejszenie strat promieniowania długofalowego (cieplnego). Wszystko to sprawia, że duża ilość energii jest kumulowana w ciągu dnia i stopniowo wypromieniowywana w nocy, co spowalnia nocne wychłodzenie miasta w porównaniu do terenów poza miejskich.

Kolejnym ważnym czynnikiem modyfikującym klimat miasta jest emisja zanieczyszczeń powietrza, które powodują zmiany w składzie chemicznym atmosfery, zmniejszenie jej przeźroczystości i dopływu promieniowania słonecznego, a wzrost jego pochłaniania przez atmosferę. Miejskie zanieczyszczenia powietrza to substancje gazowe i pyłowe, powstajace w trakcie procesów przemysłowych, oraz będące efektem gospodarki komunalnej i transportu. Zazwyczaj największe ilości zanieczyszczeń obecne są w centrum miasta i maleją ku peryferiom. Jest to jednak zależne od położenia zakładów przemysłowych i usytuowania ulic o dużym natężeniu ruchu samochodowego. W ciągu dnia największe stężenia notowane są w godzinach największego nasilenia ruchu samochodowego. W ciągu roku ilość zanieczyszczeń jest najwyższa zimą, kiedy to dochodzi do emisji dużej ilości szkodliwych substancji podczas procesów spalania różnych paliw celem ogrzewania budynków mieszkalnych, gospodarczych i przemysłowych. Wtedy także warunki pogodowe sprzyjają tworzeniu się tzw. równowagi stałej atmosfery, co oznacza, że ruchy pionowe powietrza i mieszanie się różnych jego warstw są bardzo ograniczone. To zaś sprzyja utrzymywaniu się zanieczyszczeń w miejscu ich emisji, uniemożliwia ich odprowadzanie poza miasto. Smog fotochemiczny jest jednak zanieczyszczeniem właściwym dla lata (kiedy temperatura powietrza jest wysoka), a nie zimy. 
 

4. Dobowe zmiany zanieczyszczenia powietrza; typowy słoneczny, letni dzień - Kraków, 22 sierpnia 2003 r.
 
W lecie transport jest głównym źródłem zanieczyszczenia powietrza w mieście. Rano intensywny ruch drogowy powoduje duże emisje tlenków azotu i tlenku węgla (ryc. a and b). Około południa i po południu temperatura powietrza wzrasta, a prędkość wiatru pozostaje niewielka (ryc. c). Reakcje chemiczne zachodzące w powietrzu przy udziale światła słonecznego powodują spadek koncentracji tlenków azotu i wzrost koncentracji ozonu troposferycznego (ryc. a). Pomiary zostały wykonane na pasie zieleni między jezdniami dwukierunkowej dużej ulicy z intensywym ruchem samochodowym (Aleja Krasińskiego). Stężenia zanieczyszczeń były mierzone na wysokości 4 m ponad gruntem, prędkośc wiatru - 10 m, a temperatura - 6 m.
Autorzy: Anita Bokwa, Sebastian Wypych
Źródło danych: Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie

5. Dobowe zmiany zanieczyszczenia powietrza; typowy zimowy dzień - Kraków, 26-27 grudnia 2002 r.
  
Zimą produkcja energii cieplnej jest głównym źródłem zanieczyszczenia powietrza w miastach. Gdy temperatura jest bardzo niska (ryc. c) to intensywna emisja z różnych źródeł ogrzewania (zorganizowanych i indywidualnych) powoduje wysoką koncentrację w powietrzu pyłów (zwłaszcza tzw. PM10, czyli cząstek o średnicy do 10 mikrometrów), tlenku węgla i dwutlenku siarki (ryc. a and b). Gdy prędkość wiatru jest niewielka i temperatura powietrza jest bardzo niska (typowa sytuacja dla tworzenia się inwersji temperatury - ryc. c), to zanieczyszczenia powietrza utrzymują się blisko powierzchni ziemi, poniżej warstw inwersyjnych, i nie są wynoszone poza obszar miasta. Powoduje to utrzymywanie się wysokich koncentracji zanieczyszczeń. Pomiary stężeń zanieczyszczeń zostały wykonane na Rynku Głównym, 12 m ponad powierzchnią ziemi (przyrządy są zainstalowane na ścianie Wieży Ratuszowej). Prędkośc wiatru była mierzona 10 m ponad poziomem gruntu, a temperatura - 6 m.
Autorzy: Anita Bokwa, Sebastian Wypych
Źródło danych: Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie

Następnym czynnikiem modyfikującym klimat w mieście jest emisja sztucznego ciepła (tzw. ciepła antropogenicznego). Jest to ciepło dostarczane do atmosfery wskutek ogrzewania pomieszczeń zimą, chłodzenia ich latem (poprzez system klimatyzacji), a także pochodzi ze spalania surowców energetycznych (węgiel, koks, gaz i paliwa płynne), z produkcji przemysłowej oraz transportu. Ilość emitowanego ciepła antropogenicznego zależy od średniego zużycia energii na mieszkańca, wielkości miasta (ilości mieszkańców), ilości zakładów przemysłowych i położenia geograficznego samego miasta.

W mieście parowanie jest znacznie mniejsze niż na terenach pozamiejskich ponieważ większość obszaru to powierzchnie sztuczne, bez roślinności, a opady atmosferyczne nie wsiąkają w takie podłoże, lecz szybko spływają do studzienek kanalizacyjnych i są odprowadzane poza miasto. Ciepło, które nie zostaje zużyte na parowanie (bo jest dostępne bardzo mało wody, która mogłaby parować) dodatkowo podgrzewa powietrze w mieście. Warto jednak pamiętać, że w niektórych miastach udział terenów zielonych w całowitej powierzchni miasta jest znaczący, co zwiększa ewapotranspirację.

Oddziaływanie czynników antropogenicznych zależy od wielkości i struktury przestrzennej miasta, a także od liczby mieszkańców oraz poziomu uprzemysłowienia. Niewielkie miasteczka o niskiej, luźnej zabudowie, licznych terenach zielonych, pozbawione praktycznie funkcji przemysłowej, zmieniają klimat lokalny w znacznie mniejszym stopniu niż duże miasta z wysoką zabudową. 
 

Na siłę oddziaływania czynników antropogenicznych wpływają decydująco także warunki naturalne obszaru. Przykładowo, miasto położone w kotlinie śródgórskiej narażone jest na częste występowanie mgieł i gorsze przewietrzanie. Takie warunki prowadzą do złej jakości powietrza. Kumulowaniu zanieczyszczeń sprzyja także występowanie w dolinach inwersji
termicznych. Zjawisko inwersji termicznych jest wyjaśnione w części "Troposfera" (patrz link poniżej). Jednak w przeciwieństwie do przyczyn tam opisanych, w mieście położonym w głębokiej dolinie lub kotlinie głównym powodem
tworzenia się inwersji jest zacienienie podłoża przez otaczające stoki, wskutek czego tereny niżej położone są zimniejsze niż tereny położone wyżej. Ponadto zimne i zarazem cięższe powietrze spływa nocą grawitacyjnie ze stoków do kotlin i dolin, gromadzi się tam i przyczynia do tworzenia się inwersji temperatury.

Klimat miasta można ulepszać, czyli meliorować, planując zabudowę miejską tak aby zmniejszyć negatywny wpływ zarówno czynników antropogenicznych, jak i naturalnych, a także maksymalnie wykorzystać walory środowiskowe obszaru
miasta. Umiejętnie zaplanowana rozbudowa miasta (rodzaj i charakter zabudowy), właściwie rozmieszczone tereny zielone i powierzchnie wodne, a także odpowiednio (m.in. w stosunku do przeważających wiatrów) zlokalizowane zakłady przemysłowe zapewniają miastu zarówno dynamiczny rozwój, jak i dobre warunki aerosanitarne i klimatyczne.

Zajrzyj na inne strony Encyklopedii ESPERE:

Każda powierzchnia ma inne albedo:
Klimat miasta - więcej - część 2 - bilans promieniowania
Zanieczyszczenie powietrza:
Klimat miasta - podstawy - część 1 - przyczyny
Smog fotochemiczny:
Troposfera - podstawy - część 3 - smog ozonowy
Klimat miasta - podstawy - część 1 - skutki
Inwersja temperatury:
Troposfera - podstawy - część 1 - w pionie (struktura) 
 

O tej stronie:

Autorzy: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Uniwersytet Jagielloński - Kraków
Współpraca: Anna Gorol
1. Recenzent: prof. dr hab. Barbara Obrębska-Starklowa - Uniwersytet Jagielloński - Kraków
2. Recenzent: dr Marek Nowosad - Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej - Lublin 
3. Recenzent: Prof. Yair Goldreich - Bar-Ilan University - Ramat-Gan / Izrael - 2003-09-21
ostatnia aktualizacja: 2005-03-15