12/1/2013 Vybrané kapitoly z aplikované klimatologie (městské klima) Motivace Prostřed! městské zástavby vykazuje vyšši teploty a obvykle vede k formováni tzv. tepelného ostrova město. Pro pole teplot ve městě je typická značná variabilita v čase i v prostrou v závislosti na řadě přírodních i antropoqenních faktorů. Cíl • definovat faktory, které podmiňuji jeho prostorovou variabilitu • odhadnout intenzitu tepelného ostrova Brna • vymezit oblasti s nejvyŠŠlmi kladnými teplotními odchylkami Může tepelný ostrov města představovat problém? Teplotní diference mezi červencem 2003 a 2001 f /" Temperature Anomaly (" C> -1Ü -S 0 5 10 httD://earthobserva1orv.nasa. aov/Nalural Hazards/view. DhD?id= 11972 Klima měst Vybrané charakteristiky klimatu měst v porovnání s venkovskou krajinou (Landsberg 1981) • počet kondenzačních jader 10 x více ■ Počet pevných částic 10 x více ■ Trvání slunečního svitu o 5 - 15% měně ■ Množství oblačnosti o 5 - 10% měně ■ četnost výskytu mlhy v zimě o 100% více ■ množství srážek o 5 - 15% více ■ četnost bouřek o 5-10% více ■ průměrná roční teplota SoOČ - 3,0°C vyssNy ■ průměrná minimální teplota v zima o 1 - 2°C vyšší 1 ■ průměrná maximální teplota v létě ^jl - 2° C vyšší ■ délka topné sezóny o 10% kratší ■ roční průměrná relativní vlhkost o 6 % nižší ■ roční průměrná rychlost větru o 20-30% nižší • Jaké faktory přispívají k formování tepelného ostrova města? • Jaký vliv má počasí na formování tepelného ostrova města? A jaký geografická poloha? • Jakými způsoby by bylo možné měřit tepelný ostrov města? • Jak by bylo možné definovat intenzitu tepelného ostrova města? • (Může současná globální změna klimatu souviset s formováním tepleného ostrova měst?) Urban (Local) Climate Zones Stewart, Oke (2012) 1 12/1/2013 jlanetärni mezní vrstva . * Měřítka městského klimatu (upraveno podle Oke 1997) a) Mezoklima /■---v - *----------.,A-č3-^_J>-- směšovací vrstva městská;mezni vrstva b) venkov ...hlllllllll.- iřízemní vrstva * městská atmosféra * mezní vrstva ruráln V b) Místní klima A c) Mikroklima přizemni vrstva vrstva -* tření ýx..l™\.^^^-. pír-m^-y městského ^ vrstva vrstva tření □ z □ z Tepelný ostrov města 1. Tepelný ostrov města aktivních povrchů (Surface UHI) 2. Teplený ostrov města v mezní vrstvě atmosféry (Boundary layer) 3. Tepelný ostrov města přízemní vrstvě atmosféry (Canopy Layer) (Oke 1976) Tepelný ostrov města Surface Temperature (Bi Air Temperature (Day) Surface Temperature (Night) Air Temperature (Night) Rural Suburban Pond Warehouse Urban Downtown Urban Park Suburban Rural or Industrial Residential Residential Prevzato z Reducing Urban Heat Islands: Compendium ol Strategies a (Voogt 2000) Jaké faktory přispívají k formovaní tepelného ostrova města? • tepelné a radiační vlastnosti • nepropustný charakter aktivních povrchu • geometrické upořádáni aktivních povrchu • znečištěni atmosféry • produkce odpadního tepla Porovnání vybraných termálních vlastností typického povrchu urbanizovaných oblastí a typického přirozeného povrchu (upraveno podle Oke 1987 a Zmarsly et al. 2002) Husto t n pomer asfalt' j íl ovitá půda Tepelná kapacita Tepelná vodivost Tepelní diŕuaivita JiftVirr'K-1]__a [in1 ľ'] 0,75 0.4.106 Tepelná jimavost It [J.s-".m-'.K-i] 2 12/1/2013 Jak by bylo možné definovat intenzitu tepelného ostrova města? Intenzitu tepelného ostrova města obecně formuje především velikost města, která je často charakterizována počtem obyvatel. Vztah mezi maximálni intenzitou tepelného ostrova {(JHImax) a počtem obyvatel (f) (van Hoveetal. 2011): UHlmax = 2,93 log P-11,95 Pro Brno (P = 380 tis.) UHlmax = 4,4 X Jiné způsoby definování intenzity UHI? 3 12/1/2013 V obou termínech se jako nejteplejší jeví kategorie průmyslových a dopravních ploch, jejichž hodnoty LST byly o 3,5 resp. 5,1 °C vyšší -než průměr. Tyto plochy nejvíce přispívají ■ k potenciálnímu formování tzv. povrchového i tepelného ostrova. i Poněkud nižší povrchové teploty obytných ploch v porovnání s průmyslovými a dopravními plochami mohou souviset s častějším výskytem vegetace v obytných zónách. Nejch ladnější je kategorie lesních porostů a sadů. Jejich průměrná povrchová teplota byla o 3,7 resp. 4,2 °C nižší než průměr studované oblasti. Odhad intenzity UHI na základě standardních meteorologických měření Kolísání průměrných červencových tep lot doplněné analýzou trendu Troubsko Srno, Žabovřesky Jaké .jsou další možnosti odhadu intenzity UHI? Odhad intenzity UHI na základě standardních meteorologických měření Brno, Žabovřesky BKSl^-. ? Brno, Tuřany 4 12/1/2013 Měřící jízdy Základní informace o termínech mobilních měření v Brně a okolí, o typu synoptické situace podle klasifikace ČHMU (Katalog 1972) a o hodnotách vybraných meteorologických prvků (údaje ze stanice Tuřany z termínu 21 h) Doba měření Synoptická Množství Průměrná Směr větru Termín (h:min) SEČ situace oblačnosti rychlost větru [stupně] [desetiny] ta-s'1 19. 4. 2011 20:31 -23:28 SEa 1 4,0 360 9. 5. 2011 20:15 -23:04 NEa 0 3.0 30 8. 7. 2011 20:58-23:54 SWcl 1 3.0 60 3. 8. 2011 20:21 -23:40 SWc2 1 3,0 40 13. 9. 2011 20:12-23:03 Wc 2 1.0 260 27. 9. 2011 20:03 -23:19 Bp(A) 1 1,0 350 1. 11. 2011 20:28-23:53 SEa 1 2.0 70 3. 1. 2012 20:11 -23:28 Wc 4 2,0 180 31. 1. 2012 20:24-23:54 Ea 0 1,0 70 Příklady poklesu teploty vzduchu na stanicích v době mobilních měření: (a) 19. 4. 2011 - stejná intenzita poklesu teploty vzduchu s časem na všech stanicích; (b) 31.1. 2012 - odlišná intenzita poklesu teploty vzduchu na městských (M) a příměstských (P) stanicích 5 12/1/2013 A A A A 20:20 20:35 20:50 21:05 21:20 21:35 21:50 22:12 22:27 22:42 22:57 23:12 23:27 Průběh mobilních měření teploty vzduchu dne 3. srpna 2011 v Brně a okolí; a - původní hodnoty, b - hodnoty opravené na pokles teploty s časem a shlazené klouzavým průměrem řádu 3 Příklad průběhu teploty vzduchu podél tras mobilních měření dne 8. července 2011. Obrázky prezentují profil teploty vzduchu (a), výškový profil (b) a převládající charakter aktivních povrchů podél trasy měřících jízd (c) Základní statistické charakteristiky teploty vzduchu během měřících jízd v první polovině noci v Brně a okolí Termín průměr směrodatná variační minimum maximum odchylka koeficient [%] 19. 4. 2011 13,5 1,5 11,1 7,5 16,4 9. 5. 2011 16,2 1.9 11,8 10,3 19,5 8. 7. 2011 22,0 1.6 7,2 16,3 26.0 3. 8. 2011 21,1 1,4 6,8 15,8 24,0 13. 9. 2011 21,2 1.6 7,7 15,6 24,5 27. 9. 2011 17,3 1,5 8,6 12,6 20,0 1. 11. 2011 5.7 1.2 21,6 1.9 8.4 3. 1. 2012 3.6 0,8 22,4 0.1 5.1 31. 1. 2012 -8,0 1,0 12,2 -12,2 -5,6 Záznam měřících jízd v síti 300 x 300 m 6 12/1/2013 Jaké faktory budou podmiňovat prostorovou diferenciaci teplot (LST) v Brně ? Nadmořská výška (NV) wian Nadmořská výška (m): 350 im^^^^^O Podíl ploch s vegetací -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.? 0 4 L.Ö 0.!=. 0.7 0.8 Hustota zástavby Hustota zástavby (%) |. | 0,01 - 5,00 ■ 5.01 - 10.00 10,01 -20,00 20,01 - 30,00 30,01 -45,00 45,01 - 65,00 Geometrie zástavby - Sky View Factor (SVF) Y •X / y ^^^^ Veronica 7 12/1/2013 Závislost mezi průměrnou teplotou vzduchu zjištěnou na základě jednotlivých měřících jízd a vybranými parametry prostředí (NDVT - množství vegetace; DENS - hustota zástavby; DEM - nadmořská výška) vyjádřená korelač nimi koeficienty. Tučně jsou zvýrazněny korelace statisticky významné na hladině a = 0,05 Termín NDVI DENS DEM 19.4.2011 -0,S6 0,57 -0,40 9.5.2011 -0,44 0.45 0,04 8.7.2011 -0,71 0,65 -0,44 3.3.2011 -0,46 0,41 -0,04 13.9.2011 •0.60 0,58 -0,33 27 9.2011 -0,46 0,41 -0,07 1.11.2011 -0,30 0,34 0,14 3,1.2012 -0,53 0,55 -0,3S 31.1.2012 -0,61 0,61 -0,42 Interpolace teplot z měřících jízd geostatickými metodami Princip krigování a co-kriging ž(x0) = YlAí-z(xi) Semivariogram a semivariance jako míra nepdobnosti 2n ,=] Vybrané faktory podmiňující prostorovou diferenciaci LST v Brně Uvažované faktory 1. Podii ploch s vegetaci charakterizovaný tzv. vegetačním indexem (NDVT) 2. Hustota zástavby (procentuální podii zastavěných ploch v siti 300 x 300 metrů) (DENS) 3. Množství komunikaci (celková délka komunikaci v siti 300 x 300 metrů) (TLoS) Vybrané faktory podmiňující prostorovou diferenciaci LST v Brně 8 12/1/2013 Korelační koeficenty mezi LST a vybranými faktory 1.000 -0.752 0.531 0.403 -0.752 1.000 -0.579 -0.442 0.531 -0.579 1.000 0.572 0.403 -0.442 0.572 1.000 1.000 -0.821 0.509 0.421 -0.821 1.000 -0.579 -0.442 0.509 -0.579 1.000 0.572 0.421 -0.442 0.572 1.000 Model vícenásobné regrese Charakteristika LST_2001 LST_2006 Koeficient vícenásobné regrese R 0. 770 0 . 825 F poměr 671. 681 985 . 480 Stupně volnosti 3,1383 3,1383 Vysvětlená variabilita R2 0. 593 0. 681 Upravené R2 0.592 (p < 0.001) 0.680 (p < 0.001) Směrodatná chyba odhadu 1.586 2 .119 LST_2001 = 22.806 - 0.600*NDVI + 0.216*DENS + 0.014*TLoS LST_2006 = 39.457 - 0.750*NDVI + 0.072*DENS + 0.047TLoS Numerické modelování městského klimatu Downscaling of climate projections Global Climate Models (~100 km) Reanalyzes, ECHAM5 + IPCC ■Scenarios Ensemble - Regional Climate Models (~10 km) I REMO. CLM, WmREG, STAR Urban Climate Model (~100 m) MUKÜMO_3 MUKLIMO (DWD) ENVI-Met rhttp:/Aw/w.envi-met.com/) Úkoly 1. Případné rozdíly ve směrnicích lineárních trendů by mohly indikovat vliv města na teplotní poměry a na tormování UHI. Porovnejte lineární trendy v průměrných sezónních teplotách vzduchu na stanicích Brno, Žabovřesky a Troubsko za období 1980-2011 (ukol_1_trendy.xls). 2. Hledáme, na jakých parametrech závisí průměrná, minimální a maximální teplota vzduchu ve dnech s radiačním typem počasí. Zjistěte, zda existuje statisticky významnývztah mezi Tavg, Tmin a Tmax a nadmořskou výškou (NV), množstvím vegetace (NDVI) a hustotou zástavby (DENS). Zjistěte, zda existují rozdíly mezi letním a zimním obdobím (ukol_2_korelace.xls). 9