Zjawisko miejskiej wyspy ciepła (MWC), będące antropogeniczną modyfikacją klimatu lokalnego na obszarze miasta, spowodowane jest przede wszystkim zwiększonym udziałem zabudowy oraz zmniejszoną obecnością roślinności. Występowanie MWC udowodniono po raz pierwszy w latach 30. XIX wieku dzięki pomiarom temperatury powietrza prowadzonym jednocześnie w terenie miejskim i pozamiejskim. Dopiero około 150 lat później, tj. w latach 70. XX wieku, stało się możliwe obrazowanie zjawiska MWC za pomocą satelitarnych pomiarów promieniowania w podczerwieni termicznej. Jednak wykorzystanie tych informacji nastręcza pewnych trudności, bowiem satelitarny obraz MWC nie jest tożsamy ze zjawiskiem MWC obserwowanym w przyziemnej warstwie atmosfery.
AUTOR: Monika Hajto, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, Zakład Teledetekcji Satelitarne
Miejska wyspa ciepła może być współcześnie definiowana jako zjawisko, polegające na termicznym uprzywilejowaniu terenu zabudowanego względem sąsiednich terenów – niezabudowanych lub zabudowanych w niewielkim stopniu. To uprzywilejowanie oznacza, że w obszarze miasta obserwuje się cieplejsze powietrze i/lub cieplejszą powierzchnię terenu niż w obszarze pozamiejskim. Jeśli chcemy ocenić intensywność MWC, obszar pozamiejski należy potraktować jako referencyjny (za obszar pozamiejski można przyjąć teren pokryty niską roślinnością), tzn. od wartości temperatury powietrza lub temperatury powierzchni terenu na obszarze miejskim odjąć wartości odpowiedniej temperatury na obszarze pozamiejskim. W zależności od tego czy intensywność MWC szacujemy na podstawie temperatury powietrza, czy temperatury powierzchni terenu, możemy dookreślić zjawisko jako odpowiednio atmosferyczną lub powierzchniową MWC.
Atmosferyczna a powierzchniowa MWC
Atmosferyczna miejska wyspa ciepła odnosi się najczęściej do przypowierzchniowej warstwy atmosfery sięgającej do poziomu dachów budynków (czyli tzw. „miejskiej warstwy dachowej”). Aby oszacować jej intensywność, niezbędne są dane o temperaturze powietrza na wysokości kilku metrów nad powierzchnią gruntu w obszarze miejskim i pozamiejskim. Dane te mogą pochodzić z pomiarów prowadzonych w sposób ciągły w czasie, w co najmniej dwóch lokalizacjach – w mieście i poza nim. Możliwe jest również wymodelowanie rozkładu przestrzennego temperatury powietrza oraz jej zmienności czasowej na obszarze obejmującym zarówno teren miejski, jak i pozamiejski. Należy przy tym pamiętać, że w modelowaniu klimatu miasta istotna jest jak najwyższa rozdzielczość przestrzenna (np. 100 m), a także właściwa parametryzacja (tj. opis matematyczny) procesów atmosferycznych zachodzących w warstwie granicznej atmosfery, szczególnie w obszarze miejskim.
Z kolei powierzchniowa miejska wyspa ciepła dotyczy temperatury powierzchni terenu miejskiego i pozamiejskiego, którą ustala się na podstawie teledetekcyjnych (tj. zdalnych) pomiarów promieniowania długofalowego w paśmie o długości fali 8-14 μm (czyli w zakresie podczerwieni termicznej). Obecnie najpopularniejszym źródłem takich informacji są dane satelitarne[1]. Ich niewątpliwą zaletą jest systematyczność (pozyskiwane są w trybie operacyjnym), co nie oznacza że są pozbawione wad. Oszacowana na podstawie satelitarnych obrazów termicznych wartość temperatury powierzchni terenu w danym pikselu (np. o rozmiarze 100 m x 100 m) jest wypadkową emitowanego ciepła przez różne powierzchnie znajdujące się w jego obrębie, takie jak ulice, chodniki, dachy i ściany budynków, a także trawniki, zadrzewienia, zbiorniki wodne, itp. Istotny jest przy tym tzw. kąt skanowania radiometru zamontowanego na satelicie. Radiometr, czyli instrument służący do pomiaru promieniowania w różnych zakresach fal elektromagnetycznych, skanuje powierzchnię terenu i rejestruje jej obraz, m.in. w kanale podczerwieni termicznej, pod różnymi kątami. Jeśli kąt ten jest bliski 0°, sygnał termiczny w zabudowanym terenie miejskim będzie pochodził w dużej mierze od dachów oraz placów, natomiast przy kątach większych od 0° do radiometru będzie docierał również sygnał termiczny od ścian budynków. Ponadto istotną przeszkodą w pozyskiwaniu tego typu danych satelitarnych jest zachmurzenie.
Powyższe różnice uniemożliwiają wykorzystywanie informacji o atmosferycznej i powierzchniowej MWC zamiennie, ale to nie jedyna przeszkoda. Oba typy zjawiska charakteryzują się ponadto innymi cyklami dobowymi intensywności, tzn. mają różną dynamikę w ciągu doby. Tę specyfikę należy uwzględnić w ocenie wpływu zjawiska MWC na ryzyko stresu termicznego mieszkańców miast – szczególnie w czasie fal upałów. Jakkolwiek istnieje zależność między atmosferyczną i powierzchniową MWC, ze względu na oddziaływanie temperatury powierzchni terenu na temperaturę powietrza, to intensywność atmosferycznej MWC ma bardziej bezpośredni związek z panującymi warunkami biometeorologicznymi (np. obciążeniem cieplnym organizmu).
Zmiany MWC w ciągu dnia i w nocy
Gdy zachodzi słońce, intensywność atmosferycznej MWC gwałtownie wzrasta. Jest to spowodowane różnicami w tempie ochładzania powietrza między terenem miejskim i pozamiejskim. W ciągu nocy z reguły następuje wzrost intensywności zjawiska, a najwyższa intensywność atmosferycznej MWC (średnio ok. 4-5°C, maksymalnie ok. 10°C) obserwowana jest kilka godzin po zachodzie słońca. Następnie, po wschodzie słońca zjawisko zazwyczaj słabnie wskutek szybszego ochładzania powietrza w obszarze zabudowanym, po czym w godzinach porannych zanika, gdy powietrze na obszarach pozamiejskich zaczyna się ogrzewać w szybszym tempie niż na obszarze miejskim. W ciągu dnia w pewnych częściach obszaru miejskiego intensywność atmosferycznej MWC może się nieznacznie zwiększyć (do 1-2°C), ale w centrum miasta ze zwartą zabudową (w tzw. kanionach ulicznych) może wręcz wystąpić zjawisko odwrotne, czyli „atmosferyczna miejska wyspa chłodu”. Ponadto, dobowy przebieg intensywności atmosferycznej MWC może być zróżnicowany na obszarze miejskim w zależności od gęstości zabudowy oraz udziału roślinności, które wpływają na tempo ogrzewania i ochładzania powietrza. Intensywność atmosferycznej MWC zmienia się również w ciągu roku. Latem zjawisko jest przeważnie intensywniejsze niż zimą.
Jeśli chodzi o powierzchniową MWC, to najwyższą intensywność (nawet powyżej 15°C) osiąga ona we wczesnych godzinach popołudniowych. W porze dziennej maksymalne wartości intensywności powierzchniowej MWC są notowane w terenie pokrytym gęstą zabudową, a także na obszarach przemysłowych. Natomiast ujemne wartości w tej porze doby wskazują na tereny pokryte wodą, lasem lub zadrzewionym parkiem. W porze nocnej intensywność powierzchniowej MWC na terenie zabudowanym może wynosić średnio ok. 5-6°C i jej zróżnicowanie przestrzenne jest znacznie mniejsze niż w porze dziennej. Nieco wyższymi wartościami w tej porze doby odznaczają się tereny pokryte wodą (np. ok. 8°C). Dzieje się tak ze względu na specyficzne właściwości wody (m.in. pojemność i przewodność cieplną), które powodują, że woda w rzece lub jeziorze wolno się nagrzewa i wolno się wychładza. Z podobnych przyczyn również na terenach pokrytych lasami w porze nocnej obserwujemy wyższe wartości intensywności powierzchniowej MWC. Tempo ochładzania powierzchni terenu pokrytego lasem, tj. wypromieniowania ciepła zakumulowanego w koronach drzew, jest bowiem mniejsze niż tempo ochładzania terenu pokrytego niską roślinnością. Na rozkład przestrzenny intensywności powierzchniowej MWC w porze dziennej i nocnej w znacznym stopniu wpływa także wilgotność gleby w obszarze pozamiejskim. Bardziej wilgotna gleba spowoduje wykrycie wyższych wartości intensywności powierzchniowej MWC, szczególnie w porze dziennej. Cykl dobowy intensywności powierzchniowej MWC zmienia się ponadto w zależności od pory roku, osiągając maksymalne wartości latem.
Dostępność obrazów satelitarnych dla monitoringu MWC
Do najbardziej rozpowszechnionych termicznych obrazów satelitarnych wykorzystywanych w badaniach powierzchniowej MWC należą te pochodzące z satelitów serii LANDSAT. Dane LANDSAT o temperaturze powierzchni terenu, w rozdzielczości przestrzennej rzędu 100 m (60, 100 lub 120 m w zależności od instrumentu pomiarowego zamontowanego na poszczególnych satelitach), są dostępne od lat 80. XX wieku. Aktualnie na orbicie okołoziemskiej funkcjonuje konstelacja dwóch satelitów (LANDSAT-8 i LANDSAT-9), które za pomocą tych samych instrumentów pomiarowych (OLI i TIRS) rejestrują obrazy w różnych kanałach spektralnych (tj. w świetle widzialnym oraz bliskiej, średniej i termicznej podczerwieni). Każdy z tych satelitów obrazuje ten sam obszar na Ziemi w porze dziennej co 16 dni, co oznacza, że możliwe jest uzyskanie termicznego obrazu powierzchni danego terenu co najwyżej dwa razy w miesiącu, pod warunkiem braku chmur. Biorąc pod uwagę wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia zachmurzenia nad obszarem Polski w ciągu całego roku, niezwykle trudno jest pozyskać pełne zobrazowanie termiczne obszaru któregokolwiek polskiego miasta. Aczkolwiek szanse na to zwiększa jednoczesna obecność dwóch satelitów z podobnymi instrumentami pomiarowymi.
Drugim wartym uwagi źródłem danych o temperaturze powierzchni terenu są obrazy pochodzące z czujnika ECOSTRESS umieszczonego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, czyli największym sztucznym satelicie Ziemi. Obrazy satelitarne ECOSTRESS, w rozdzielczości przestrzennej rzędu 70 m, są dostępne od 2018 roku. To samo miejsce na Ziemi jest obrazowane przez ECOSTRESS w różnych porach doby co kilka dni. Dzieje się tak, ponieważ Międzynarodowa Stacja Kosmiczna porusza się unikalną ścieżką orbitalną, powtarzalną w cyklu trwającym ok. 3 dni. Szczególnie wartościowe są termiczne dane ECOSTRESS z pory nocnej, które nie są dostępne z satelitów LANDSAT.
Obrazy satelitarne w podczerwieni termicznej w rozdzielczości przestrzennej 90 m, zarówno w porze dziennej, jak i nocnej, są ponadto rejestrowane przez instrument ASTER na pokładzie satelity TERRA, który okrąża Ziemię po orbicie okołobiegunowej od 1999 roku. Jednakże dane ASTER są pozyskiwane w trybie „na żądanie”, nie częściej niż co 16 dni w tej samej porze doby, co istotnie ogranicza ich dostępność dla monitoringu powierzchniowej MWC.
Do innych termicznych zobrazowań satelitarnych, możliwych do wykorzystania w monitoringu powierzchniowej MWC, należą dane z takich instrumentów pomiarowych jak MODIS (satelity TERRA i AQUA), AVHRR (satelity serii NOAA i METOP), VIIRS (satelity Suomi-NPP, NOAA-20 i NOAA-21) czy SLSTR (satelity serii Sentinel-3). Rozdzielczość przestrzenna pozyskiwanych obrazów satelitarnych jest co prawda 10-krotnie gorsza niż w przypadku danych LANDSAT, ECOSTRESS czy ASTER, tj. wynosi ok. 1 km, jednak są one rejestrowane przez każdego satelitę dwukrotnie w ciągu doby (w porze dziennej i nocnej).
Najlepszą rozdzielczość czasową (5-15 min.) termicznych obrazów powierzchni terenu zapewniają instrumenty pomiarowe, takie jak SEVIRI, umieszczone na meteorologicznych satelitach geostacjonarnych (np. satelity drugiej generacji METEOSAT). Niestety aktualna rozdzielczość przestrzenna danych SEVIRI rzędu 5 km nie jest wystarczająca do szczegółowej analizy powierzchniowej MWC. Sytuacja powinna się jednak poprawić z chwilą rozpoczęcia transmisji danych o rozdzielczości ponad dwukrotnie wyższej z czujnika FCI umieszczonego na pierwszym z serii trzeciej generacji satelitów METEOSAT. Warto ponadto wspomnieć, że w nieco dalszej przyszłości, tj. w latach 2028-2030 planowane jest rozpoczęcie misji satelitarnej ESA Copernicus LSTM, która ma polegać na umieszczeniu na orbicie okołoziemskiej dwóch satelitów rejestrujących termiczne obrazy w rozdzielczości 50 m.
Na podstawie danych satelitarnych nie możemy uzyskać informacji o atmosferycznej MWC w porze dziennej, za to w porze nocnej obserwowane są porównywalne intensywności powierzchniowej i atmosferycznej MWC dla terenów zabudowanych. Niestety dostępność nocnych obrazów satelitarnych w podczerwieni termicznej o wyższej od 1 km rozdzielczości przestrzennej jest dużo bardziej ograniczona niż tych z pory dziennej. Niemniej jednak, dzienne termiczne obrazy powierzchni terenu dostarczają cennych informacji o lokalizacji najsilniej nagrzewających się powierzchni w mieście. Monitoring powierzchniowej MWC, pomimo wielu ograniczeń związanych m.in. z pozyskiwaniem termicznych obrazów satelitarnych powierzchni terenu, może być prowadzony w różnych skalach przestrzennych i czasowych w celu lepszego rozpoznania czynników wpływających na warunki termiczne w obszarach miejskich, a także opracowania planów działań zapobiegających zwiększonej akumulacji ciepła w mieście. Działania takie są szczególnie istotne w kontekście koniecznej adaptacji miast do postępującej zmiany klimatu, przejawiającej się m.in. wzrostem częstości i intensywności fal upałów, które stanowią szczególne zagrożenie dla zdrowia i komfortu życia mieszkańców miast ze względu na współwystępowanie zjawiska MWC. Intensyfikacja zabudowy, zwiększanie się udziału ludności miejskiej oraz błędy w planowaniu i rozwoju tkanki miejskiej powodują, że zjawisko miejskiej wyspy ciepła staje się w miesiącach letnich jednym z najważniejszych problemów w wielu miastach świata, w tym również w Polsce.
[1] Do szacowania powierzchniowej MWC można wykorzystywać również dane pochodzące z pomiarów prowadzonych np. z samolotów lub dronów. Charakteryzują się one wyższą niż w przypadku danych satelitarnych rozdzielczością przestrzenną (rzędu kilku lub kilkudziesięciu metrów), a także możliwością wykonywania pomiarów poniżej podstawy chmur w razie ich wystąpienia. Jednak ze względu na ograniczenia techniczne i finansowe, pomiary lotnicze pozyskiwane są raczej epizodycznie, w trybie eksperymentalnym.
Literatura:
Błażejczyk K., Kuchcik M., Milewski P., Dudek W., Kręcisz B., Błażejczyk A., Szmyd J., Degórska B., Pałczyński C., 2014, Miejska wyspa ciepła w Warszawie. Uwarunkowania klimatyczne i urbanistyczne, IGiPZ PAN, Wydawcnitwo Akademickie Sedno, Warszawa, (https://www.researchgate.net/publication/297368119_Miejska_wyspa_ciepla_w_Warszawie_-_uwarunkowania_klimatyczne_i_urbanistyczne).
Fortuniak K., 2019, Badania klimatu miast w Polsce, Przegląd Geofizyczny, LXIV (1-2), 73-106, (https://ptgeof.pl/wp-content/uploads/2022/11/PG-2019-1-2-03-Fortuniakcebd.pdf).
Hulley G., Shivers S., Wetherley E., Cudd R., 2019, New ECOSTRESS and MODIS land surface temperature data reveal fine-scale heat vulnerability in cities: a case study for Los Angeles County, California, Remote Sensing, 11 (18), 2136, (https://doi.org/10.3390/rs11182136).
Howard L., 1833, The climate of London, Vol. 1-3, Harvey & Darton, Londyn, (https://urban-climate.org/documents/LukeHoward_Climate-of-London-V1.pdf).
Oke T. R., Mills G., Christen A., Voogt J. A., 2017, Urban Climates, Cambridge University Press (https://aerisfuturo.pl/wp-content/uploads/2018/09/Urban_Climates-1.pdf).
Stewart I.D., Krayenhoff E.S., Voogt J.A., Lachapelle J.A., Allen M.A., Broadbent A.M., 2021, Time evolution of the surface urban heat island, Earth’s Future, 9, e2021EF002178, (https://doi.org/10.1029/2021EF002178).
Zhou D., Xiao J., Bonafoni S., Berger C., Deilami K., Zhou Y., Frolking S., Yao R., Qiao Z., Sobrino J.A., 2019, Satellite remote sensing of surface urban heat islands: progress, challenges, and perspectives, Remote Sensing, 11 (1), 48, (https://doi.org/10.3390/rs11010048).
Zdjęcie główne: Colin Lloyd | Unsplash.
Monika Hajto
IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju/Zakład Teledetekcji Satelitarnej. Starszy specjalista badawczo-techniczny w IMGW-PIB, doktorantka w UJ, mgr ochrony środowiska. Zajmuje się głównie klimatologią obszarów zurbanizowanych, w szczególności miejską wyspą ciepła, a także zastosowaniem danych satelitarnych w meteorologii, klimatologii i ochronie atmosfery.
