Modelowanie miejskiej wyspy ciepła
Wykorzystanie danych satelitarnych Landsat do analizy termicznej obszarów miejskich
Zakres analizy
Cel analizy
Głównym celem tej analizy było określenie zasięgu oraz intensywności miejskiej wyspy ciepła w Kielcach.
Ramy czasowe
Analiza przeprowadzona została dla zobrazowań satelitarnych z lat 2015 – 2023
Obszar badań
Metodologia
Modelowanie miejskiej wyspy ciepła zostało oparte na zdjęciach termicznych Landsat 8-9 z wykorzystaniem technik teledetekcyjnych
Cel analizy
Głównym celem tej analizy było określenie zasięgu oraz intensywności miejskiej wyspy ciepła w Kielcach.
Ramy czasowe
Analiza przeprowadzona została dla zobrazowań satelitarnych z lat 2015 – 2023
Obszar badań
Metodologia
Modelowanie miejskiej wyspy ciepła zostało oparte na zdjęciach termicznych Landsat 8-9 z wykorzystaniem technik teledetekcyjnych
Miejska wyspa ciepła - definicja
Miejska wyspa ciepła (MWC) jest lokalnie występującym zjawiskiem klimatycznym, charakterystycznym dla obszarów miejskich. Przejawia się ona jako znaczne podwyższenie temperatury w obrębie obszarów antropogenicznych w stosunku do otaczających je obszarów pozamiejskich (peryferyjnych)1. Określenie to wywodzi się od rozkładu izoterm w obrębie miasta, który przypomina wyspę – obszary o wyższej temperaturze otoczone są terenami chłodniejszymi 2.
Czynnikami wpływającymi na występowanie miejskiej wyspy ciepła są 3:
- Specyficzne właściwości materiałów pokrywających powierzchnię miejską. Materiały takie jak asfalt, beton, dachy oraz ciemne ściany budynków charakteryzują się niższym albedo, co oznacza, że pochłaniają więcej promieniowania słonecznego. Dodatkowo geometria miasta, w tym kształt i układ budynków, może prowadzić do wielokrotnych odbić promieniowania w tzw. kanionach ulicznych 4.
- Mały udział powierzchni pokrytych roślinnością, co destabilizuje bilans cieplny. Sztuczne, nieprzepuszczalne powierzchnie ograniczają parowanie z gleby i roślinności, co skutkuje zwiększoną ilością energii zgromadzonej w atmosferze i materiałach budowlanych oraz zmniejszoną ilością ciepła zużywanego na parowanie 5.
- Duża liczba różnego rodzaju powierzchni pionowych, takich jak ściany budynków, które silnie pochłaniają promieniowanie słoneczne i zmniejszają prędkość wiatru, tworząc efekt kanionu ulicznego 6.
- Działalność człowieka, w tym ciepło generowane przez urządzenia grzewcze i klimatyzacyjne, przemysł oraz ruch samochodowy, który znacząco wpływa na wzrost temperatury w mieście. Szczególnie istotne są straty ciepła z budynków i ciepło wydzielane przez urządzenia klimatyzacyjne, które zwiększają temperaturę powietrza w kanionach ulicznych 7.
- Efekt cieplarniany towarzyszący miastu. Zanieczyszczenie powietrza i zwiększona koncentracja gazów cieplarnianych nad miastami prowadzą do wzrostu ilości ciepła emitowanego przez warstwę powietrza nad miastem do jego wnętrza 8.
Do najważniejszych czynników meteorologicznych wpływających na MWC należą wiatr i zachmurzenie. Największe różnice temperatur między miastem a obszarami peryferyjnymi występują podczas pogody wyżowej, przy słabym wietrze i braku zachmurzenia. Wzrost prędkości wiatru zmniejsza możliwość gromadzenia się ciepła w mieście. W związku z powyższym wyróżnia się dwa główne typy miejskiej wyspy ciepła:
- wielokomórkowy, występujący w warunkach bezwietrznych,
- jednokomórkowy, występujący przy wietrze o prędkości 2–4 m/s.
Wiatr o prędkości większej niż 7-8 m/s prowadzi do intensywnego mieszania się warstw powietrza nad miastem, co skutkuje zanikiem miejskiej wyspy ciepła (MWC)10.
Negatywne skutki omawianego zjawiska są szczególnie odczuwalne przez mieszkańców miast podczas upałów, które same w sobie stanowią znaczne obciążenie termiczne dla organizmu człowieka. W miastach stres termiczny jest dodatkowo potęgowany przez MWC, co wiąże się ze zmniejszonym wychładzaniem nocnym. Zjawisko to prowadzi do wielu niebezpiecznych sytuacji dla zdrowia ludzkiego, wynikających z utrzymującej się wysokiej temperatury przez całą dobę. Wśród negatywnych skutków MWC wymienić należy11:
- istotne zwiększenie częstości występowania przypadków udaru cieplnego,
- zaostrzenie przewlekłych chorób układu oddechowego i krążenia, zwłaszcza u osób starszych, niepełnosprawnych i wykluczonych społecznie,
- zwiększenie produkcji alergenów przez rośliny,
- pogłębienie negatywnych efektów zanieczyszczenia powietrza na zdrowie ludzi.
Cel, zakres i metodologia badań
Głównym celem analizy była ocena dynamiki miejskiej wyspy ciepła w latach 2015–2023 w Kielcach. W ramach niniejszego badania określono udział powierzchniowej wyspy ciepła (PMWC) w obrębie miasta oraz intensywność omawianego zjawiska. Dodatkowym celem analizy było oszacowanie temperatury powierzchni czynnej (TPC) różnych klas pokrycia terenu w kontekście zjawiska miejskiej wyspy ciepła (MWC). Analiza opierała się na zdjęciach z misji Landsat 8-9, pozyskanych z portalu EarthExplorer zarządzanego przez United States Geological Survey. W badaniu wykorzystano zdjęcia z kanału 10, który rejestruje promieniowanie cieplne emitowane przez powierzchnię ziemi. Dane uwzględniały korekcję atmosferyczną oraz emisyjność różnych powierzchni. Zobrazowania satelitarne pochodziły z okresu letniego, kiedy amplituda temperatur pomiędzy obszarami wysp ciepła a ich otoczeniem była największa12. W ramach badań wybrano 14 obrazów satelitarnych charakteryzujących się brakiem zachmurzenia.
Do określenia progowych wartości temperatur dla PMWC wykorzystano informacje o udziale powierzchni objętej działalnością człowieka z bazy danych Urban Atlas z 2018 roku, pochodzących z programu Copernicus (Land Monitoring Service). Przy określaniu temperatury powierzchni czynnej uwzględniono również dane z bazy BDOT10k, odpowiadające roku, w którym wykonano poszczególne zdjęcie satelitarne.
Ryc. 1. Mapa pokrycia terenu Kielc według Urban Atlas (2018). Opracowanie własne na podstawie danych Copernicus – Land Monitoring Service
W analizie wykorzystano metodologię przedstawioną przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska w poradniku: Przyrodniczo-klimatyczne wskaźniki zrównoważonego rozwoju miast. Przewodnik dla miast13.
Pierwszy z obliczonych wskaźników określał udział powierzchni miejskiej wyspy ciepła (PWMC) w obszarze miasta oraz w obrębie terenów antropogenicznych. Wskaźnik ten dostarczał informacji o obszarach zagrożonych występowaniem PWMC w mieście. Uzyskane w analizie mapy Kielc przedstawiały obszary charakteryzujące się wyższymi temperaturami powierzchni czynnej (TPC) w porównaniu z terenami je otaczającymi. Przy wyznaczaniu rastra wyeliminowano tereny wodne.
Ograniczając obliczenia wskaźnika do zasięgu terenów antropogenicznych w mieście, wyeliminowano również możliwość interpretowania silnie nagrzanych powierzchni pól uprawnych lub odkrytej gleby jako zjawiska miejskiej wyspy ciepła. Za tereny antropogeniczne uznano wszystkie tereny sklasyfikowane w bazie Urban Atlas, z wyjątkiem wód, lasów, terenów rolniczych, półnaturalnych oraz podmokłych.
Ryc. 2. Sposób obliczenia wskaźnika udziału powierzchni PMWC w obszarze miasta oraz w obszarze terenów antropogenicznych w mieście. Opracowanie własne na podstawie poradnika: Przyrodniczo-klimatyczne wskaźniki zrównoważonego rozwoju miast. Przewodnik dla miast
Drugi wskaźnik dostarczał informacji o udziale powierzchniowej miejskiej wyspy ciepła (PMWC) o różnym stopniu intensywności w powierzchni miasta. Przy obliczaniu rastra temperatury powierzchni czynnej (TPC) również wyeliminowano obszary wodne. W przypadku określania średniego TPC dla obszarów pozamiejskich uwzględniono jedynie tereny sklasyfikowane jako lasy, tereny rolnicze, półnaturalne oraz podmokłe.
Wskaźnik UHIER (Urban Heat Island Intensity Index (Wskaźnik intensywności miejskiej wyspy ciepła)) dzielił analizowaną powierzchnię miasta na pięć klas intensywności zjawiska PMWC, od ekstremalnie niskiej do ekstremalnie wysokiej. Przedstawienie tych klas na mapie umożliwiło identyfikację terenów emitujących najwięcej ciepła oraz tych, które pozostawały chłodne. Należy jednak pamiętać, że wskaźnik ten analizował całą powierzchnię miasta jedynie pod względem termicznym, nie uwzględniając rodzaju zagospodarowania terenu. Oznacza to, że wszystkie silnie nagrzane powierzchnie były klasyfikowane jako obszary o wysokiej lub ekstremalnie wysokiej intensywności PMWC.
Ryc. 3. Sposób obliczenia udziału powierzchni charakteryzujących się różnym stopniem intensywności miejskiej wyspy ciepła. Opracowanie własne na podstawie poradnika: Przyrodniczo-klimatyczne wskaźniki zrównoważonego rozwoju miast. Przewodnik dla miast
Na podstawie powyższych wskaźników oszacowano prawdopodobieństwo wystąpienia PMWC w Kielcach oraz jej intensywność dla ostatnich trzech lat. Pierwsza z map stanowiła sumę pojedynczych zobrazowań określających zasięg PMWC. Na jej podstawie określono obszary, gdzie zjawisko to występowało najczęściej oraz te, które charakteryzowały się jego mniejszą częstotliwością. W przypadku wskaźnika intensywności UHIER, dane wejściowe stanowił raster średniej TPC dla zobrazowań z lat 2021-2023.
Ostatnim etapem analizy było określenie temperatury powierzchni czynnej (TPC) w obrębie poszczególnych klas pokrycia terenu. W tym celu wykorzystano dane z bazy Urban Atlas oraz BDOT10k. Przy użyciu narzędzia statystyk strefowych obliczono średnią, minimalną oraz maksymalną temperaturę dla każdej z klas użytkowania gruntu. Analiza ta pozwoliła na szczegółowe zrozumienie, jak różne typy pokrycia terenu wpływały na powstawanie zjawiska miejskiej wyspy ciepła.
Wyniki analizy
Zgodnie z przyjętą metodologią w celu opracowania map temperatury powierzchni czynnej oraz map zasięgu i intensywności miejskiej wyspy ciepła (UHIER) wykorzystano dane termalne z satelitów Landsat-8 i Landsat-9. W ramach analizy pozyskano zobrazowania z następujących dni: 2015-07-05, 2015-07-12, 2015-08-06, 2016-06-05, 2016-08-08, 2017-08-11, 2018-08-30, 2019-06-30, 2019-08-24, 2021-06-19, 2022-06-30, 2022-08-25, 2023-06-01 oraz 2023-08-12.
Pierwszym wyznaczonym elementem analizy była wizualizacja przestrzennego rozkładu temperatury powierzchni terenu wyrażonej w stopniach Celsjusza (°C). Oszacowano, że średnia temperatura powierzchni terenu w badanym okresie wynosiła 32,6 °C. Zakres średnich TPC w przypadku analizowanych zdjęć mieścił się w zakresie od 25,8 °C w 2018-08-30 do 37,8 °C w 2017-08-11 (ryc. 4, 5). Wysokie wartości średniej powierzchni temperatury powierzchni terenu odnotowano także w dniach: 2019-06-30 (37,6 °C), 2015-07-05 (37,1 °C), 2021-06-19 (36,6 °C), 2022-06-30 (35,4 °C) oraz 2015-08-06 (34,6 °C). W przypadku pozostałych dni wskazania TPC zanotowały wartości poniżej średniej.
Wartość graniczna dla zasięgu PMWC w obrębie Kielc, dla poszczególnych zobrazowań satelitarnych została wyznaczona na podstawie powyższych wartości temperatury powierzchni czynnej oraz odchylenia standardowego. Analiza pojedynczych zobrazowań satelitarnych wykazała, że największy obszar zagrożony wystąpieniem miejskiej wyspy ciepła miał miejsce 2015-07-05. Zjawisko to objęło wówczas 17,8% obszaru miasta. W przypadku terenów antropogenicznych było to 36,47%. Statystycznie, zagrożeniem wystąpienia PMWC objęte było 15,71% miasta oraz 33,18% obszarów zurbanizowanych. Poniżej podanych wartości znalazły się tylko wyniki z czterech zobrazowań: 2016-08-08 (14,76% obszaru miasta i 31,53% terenów antropogenicznych), 2018-08-30 (14,76% obszaru miasta i 31,52% terenów antropogenicznych), 2019-08-24 (14,63% obszaru miasta i 31,24% terenów antropogenicznych) oraz 2017-08-11 (13,27% obszaru miasta i 28,33% terenów antropogenicznych).
Ryc. 4. Średnia TPC miasta oraz udział PMWC w powierzchni miasta i w obszarze terenów antropogenicznych w Kielcach, dla analizowanych zobrazowań satelitarnych. Opracowanie własne.
Ryc. 5. Zasięg PMWC w Kielcach, dla analizowanych zobrazowań satelitarnych. Opracowanie własne.
Na podstawie analizowanych rastrów wynikowych uzyskanych z pojedynczych zobrazowań satelitarnych, oszacowano obszary o zróżnicowanym stopniu zagrożenia wystąpieniem miejskiej wyspy ciepła w Kielcach. Wyniki analizy wykazały, że ponad 10% powierzchni miasta cechowało się bardzo wysokim prawdopodobieństwem wystąpienia PMWC. Wysokie ryzyko stwierdzono na 3,5% obszaru miasta, średnie prawdopodobieństwo obejmowało 3,3% terenu, a niski poziom zagrożenia stwierdzono na 3,9% powierzchni Kielc. Pozostałe 79% obszaru miasta charakteryzowało się brakiem lub bardzo niskim prawdopodobieństwem wystąpienia omawianego zjawiska.
Największym ryzykiem wystąpienia PMWC charakteryzowały się tereny silnie zurbanizowane. Były one zlokalizowane głównie w centralnych rejonach Kielc. Największy z obszarów obejmował Śródmieście miasta od ul. Źródłowej i ul. Solidarności (od wschodu), po ul. Jagiellońską i ul. Lecha (od zachodu), a także rejony w obrębie ul. Zagnańskiej aż do ul. Jesionowej oraz obszar od rynku po tereny Politechniki Świętokrzyskiej, wyłączając obszar akademików PŚK. W zachodniej części omawianego obszaru na uwagę zasługiwały głównie wielkopowierzchniowe obszary poprzemysłowe i przedsiębiorstwa tj. zakłady Wytwórczej Spółdzielni Pracy „Społem”, MA Polska, NSK Bearings Polska oraz Miejskie Przedsiębiorstwo Komunikacji. Podwyższone ryzyko wystąpienia MWC obejmowało także obszar Zespołu Szpitali Zespolonych w Kielcach. Wysokim zagrożeniem wystąpienia analizowanego zjawiska charakteryzowały się także obszary w obrębie ul. Oskara Kolberga, gdzie zlokalizowany jest ZUS w Kielcach oraz Powiatowy Urząd Pracy w Kielcach, a także tereny w obszarze ul. Olszewskiego, gdzie swoją siedzibę ma Kielecki Park Technologiczny. Podobne zagrożenie odnotowano również w obrębie Galerii Echo. Omawiany obszar rozciągał się na zachód aż do siedziby WORD w Kielcach. Od południa ograniczony był przez ul. Domaszowską natomiast od Północy przez ul. Świętokrzyską, obejmując w niewielkim stopniu zabudowę mieszkaniową w obrębie osiedla Bocianek oraz Kieleckie Centrum Biznesu i siedzibę Uniwersytetu Jana Kochanowskiego przy ul. Świętokrzyskiej. Na południe od ul. Domaszowskiej, zjawisko miejskiej wyspy ciepła zaobserwować można było głównie w obrębie Osiedla Sandomierskiego i Osiedla Wielkopole, do których można zaliczyć przede wszystkim osiedla mieszkaniowe, obszar akademików UJK oraz zabudowę handlowo-usługową pomiędzy ul. Śląską a Daleką.
Mniejsze obszary o podwyższonym ryzyku PMWC zidentyfikowano w obrębie Osiedla Ślichowice, przedsiębiorstwa DS Smith Kielce, Targów Kielce, zabudowy handlowo-usługowej przy ul. Radomskiej (m.in. Auchan, Decathlon, OBI) oraz wzdłuż ul. Generała Józefa Hauke-Bosaka (m.in. Effect Glass S.A., Biedronka). Inne znaczące lokalizacje to Castorama, teren Szkoły Podstawowej nr 32 przy ul. Wrzosowej, osiedle mieszkaniowe w rejonie ulic Dzikiej i Kwarcytowej oraz obszary przy ul. Krakowskiej od stacji PKP Białogon do ul. Pańskiej i ul. Górników Staszicowskich. W opisywanym rejonie wyraźnie odznaczał się także obszar przy zbiegu ul. Pańskiej i ul. Kolonia. W ostatniej z lokalizacji, największy wpływ na tworzenie się miejskiej wyspy ciepła miały duże ośrodki handlowe (Biedronka i Lidl), przedsiębiorstwa (np. Budman & Kowdek) oraz tereny zwartej zabudowy jednorodzinnej. W południowych rejonach Kielc, na uwagę zasługiwała okolica drogi wyjazdowej z Kielc w kierunku Morawicy (ul. Ściegiennego), gdzie do wzrostu temperatury powierzchni terenu przyczyniała się obecność takich przedsiębiorstw jak: Roltech, Betard, Mostostal, Bruk-Bet, Autoserwis GetCar i Kontin.
Tereny obarczone mniejszym ryzkiem wystąpienia PMWC stanowiły w głównej mierze otoczkę dla terenów o bardzo wysokim zagrożeniu.
Ryc. 6. Udział poszczególnych obszarów miasta w zależności od stopnia prawdopodobieństwa wystąpienia PMWC. Opracowanie własne
Ryc. 7. Obszary miasta zagrożone wystąpieniem PMWC. Opracowanie własne.
Wskaźnik intensywności miejskiej wyspy ciepła (UHIER) stanowił drugi z obliczonych parametrów. Dostarczał on informacji o natężeniu opisywanego zjawiska w poszczególnych rejonach miasta. Analiza statystyczna oraz wizualna ukazała duże zróżnicowanie intensywności miejskiej wyspy ciepła w Kielcach (ryc.8, 9). Obszary o wyższym wskaźniku UHIER były zazwyczaj skoncentrowane w centralnej części miasta, rozprzestrzeniając się ku terenom zabudowanym położonym na jego obrzeżach. To sugeruje, że urbanizacja i rozwój infrastruktury mogły przyczyniać się do wzrostu temperatury w tych obszarach.
Spośród wszystkich zdjęć pozyskanych z platformy USGS, obrazy z 1 czerwca 2023 roku oraz z 12 lipca 2015 roku wykazywały najwyższy udział obszarów o ekstremalnie wysokiej intensywności miejskiej wyspy ciepła. Tereny te obejmowały odpowiednio 37,63% oraz 34,75% powierzchni miasta. Ze względu na ograniczoną liczbę zobrazowań w analizowanym okresie trudno jednak określić częstotliwość pojawiania się tak rozległych miejskich wysp ciepła. W przypadku pozostałych okresów badań, znaczący udział obszarów o ekstremalnie wysokiej intensywności UHIER wykazano także dla zobrazowań z 5 czerwca 2016 (25,49%), 12 sierpnia 2023 (19,14%), 5 lipca 2015 (18,72%), 19 czerwca 2021 (18,07%) oraz 8 sierpnia 2016 (12,93%). W pozostałych latach wartość ta nie przekraczała 10%. Dla pozostałych klas intensywności sytuacja była zróżnicowana, nie wykazując przy tym jednoznacznych zależności pomiędzy poszczególnymi przedziałami.
Szczególną uwagę warto zwrócić jednak na ekstremalnie niską wartość intensywności, która dotyczyła głównie obszarów leśnych i wodnych. Wartości te utrzymywały się na stałym poziomie, oscylując wokół 16%. Wyjątkiem był pomiar z 30 czerwca 2022 roku, gdzie obszar ten obejmował 19,77%.
Należy jednak pamiętać, że zjawisko miejskiej wyspy ciepła cechuje się dużą dynamiką, co oznacza, że wyniki uzyskane na podstawie pojedynczych zobrazowań satelitarnych mogą znacząco się od siebie różnić. W związku z tym analiza wielu obrazów satelitarnych była niezbędna do uzyskania dokładniejszego obrazu intensywności miejskiej wyspy ciepła.
Ryc. 9. Intensywność UHIER w Kielcach, w obrębie poszczególnych zobrazowań satelitarnych. Opracowanie własne.
Ryc. 8. Udział poszczególnych klas intensywności UHIER w Kielcach, w obrębie analizowanych zobrazowań satelitarnych. Opracowanie własne.
Zgodnie z zasadami przyjętej metodologii dotyczącej intensywności miejskiej wyspy ciepła w celu analizy badanego zjawiska obliczono średnią wartość TPC na podstawie najaktualniejszych zobrazowań tj. z lat 2021-2023. Na ich podstawie dokonano oceny natężenia PMWC w Kielcach. Wykres przedstawiający procentowy udział poszczególnych klas intensywności wskazuje, że około 15% powierzchni miasta odznaczało się ekstremalnie wysoką intensywnością miejskiej wyspy ciepła. Wysokim natężeniem tego zjawiska charakteryzowało się 23% terenu Kielc. W przypadku pozostałych klas wartości te wynosiły: 23,47% dla średniej intensywności, 21,82% dla niskiej intensywności oraz 16,99% dla ekstremalnie niskiej intensywności.
Należy zauważyć, że obszary o danej intensywności zostały wyznaczone na podstawie różnicy temperatur z terenami pozamiejskimi. W związku z tym możemy zauważyć, że obszary o najwyższej intensywności charakteryzowały się także najwyższymi wskazaniami temperatury powierzchni czynnej. W przypadku omawianej klasy, średnia wartość TPC była o ok. 10 °C wyższa niż temperatura obszarów peryferyjnych (27,37 °C). W przypadku terenów o wysokiej intensywności UHIER, wartość ta była nieco niższa i wynosiła 7 °C. Na obszarach o średnim natężeniu, temperatura powierzchni terenu była wyższa o 4 °C. W przypadku niskiej intensywności omawianego zjawiska, różnice te wynosiły średnio już tylko 1 °C. Obszary o ekstremalnie niskiej intensywności charakteryzowały się wskazaniami poniżej wartości progowej (27,37 °C)
Analiza mapy intensywności zjawiska PMWC ujawniła, że obszary o ekstremalnie wysokiej intensywności pokrywały się w dużej mierze z wcześniejszymi wynikami badań (Ryc. 7). Najbardziej narażone były rejony Śródmieścia, Czarnowa, Wielkopola oraz obszary od Rynku aż do ul. Świętokrzyskiej. Ekstremalnie wysoka intensywność powierzchniowej wyspy ciepła występowała również w północnych częściach miasta, w okolicach Parku Technologicznego i rejonu Piaski, w zachodnich dzielnicach, takich jak os. Ślichowice i Niewachlów I oraz na południu, w rejonie ul. Ściegiennego. Obszary te charakteryzowały się wysokim stopniem urbanizacji, obejmując tereny przemysłowe, handlowo-usługowe oraz zwarte zabudowania mieszkaniowe. W przypadku wysokiej intensywności UHIER, obejmowała ona pozostałe tereny przemysłowe i handlowo-usługowe, jak również rejony o ciągłej tkance miejskiej. Kolejna z klas intensywności obejmowała w znacznym stopniu tereny mniej zurbanizowane z większym udziałem obszarów biologicznie czynnych, jednak o niskim stopniu zadrzewienia. Były to często nieużytki oraz pola i pastwiska, które ze względu na duże odsłonięcie terenu wykazywały wyższy stopień nagrzewania się. Tereny te graniczyły często także z obszarami miejskimi, co dodatkowo mogło wpływać na wyższe wartości temperatury powierzchni omawianych obszarów. Niska oraz ekstremalnie niska intensywność miejskiej wyspy ciepła była charakterystyczna dla lasów i terenów zakrzewionych, które pełniły funkcję naturalnych wysp chłodu, wpływających na regulację klimatu miasta.
Ryc. 11. Intensywność UHIER w Kielcach, w latach 2021-2023. Opracowanie własne.
Ryc. 10. Udział poszczególnych klas intensywności UHIER w Kielcach, w latach 2021 – 2023. Opracowanie własne.
W przeprowadzonej analizie zbadano dodatkowo związek pomiędzy TPC a klasą pokrycia terenu oraz efektem miejskiej wyspy ciepła. Analiza statystyczna dla poszczególnych klas pokrycia terenu wykazała, że obszary o wyższym stopniu urbanizacji charakteryzowały się także większymi wartościami temperatury powierzchni czynnej (ryc. 12, 13).
W badaniu wykorzystano dwie bazy danych dotyczące pokrycia terenu: Urban Atlas (UA) oraz BDOT10k. W obu przypadkach najwyższe wartości średniej temperatury czynnej odnotowano dla zabudowy przemysłowej oraz handlowo-usługowej. W przypadku bazy UA wartość temperatury powierzchni terenu wynosiła 39,1 °C. Jeżeli chodzi o bazę BDOT10k, w obrębie omawianej klasy wydzielono: zabudowę przemysłowo-składową oraz handlowo-usługową, z temperaturą czynną wynoszącą odpowiednio 40,47 °C i 39,97 °C. W porównaniu z temperaturą progową, która dla obszarów peryferyjnych wynosiła średnio 29,9 °C (UA) oraz 31,27 °C (BDOT10k), wartości te były wyższe o 7,3–9,2 °C.
Analizując indywidualne wartości TPC dla pozostałych klas pokrycia terenu z bazy UA, na drugim miejscu znalazła się ciągła tkanka miejska (S.L.: > 80%) ze średnią TPC wynoszącą 38,3 °C. Warto zauważyć, że dla tożsamych klas użytkowania gruntu, temperatura powierzchni czynnej malała wraz ze spadkiem gęstości zabudowy. Dla nieciągłej, gęstej tkanki miejskiej (S.L.: 50% – 80%) wartość ta wynosiła 36,3 °C, a dla trzech pozostałych obszarów: 35,5 °C dla nieciągłej tkanki miejskiej o średniej gęstości (S.L.: 30% – 50%), 35,3 °C dla nieciągłej tkanki miejskiej o bardzo małej gęstości (S.L.: < 10%) oraz 34,8 °C dla nieciągłej tkanki miejskiej o niskiej gęstości (S.L.: 10% – 30%).
Dla pozostałych, antropogenicznych klas pokrycia terenu, temperatura ta mieściła się w przedziale 36,5 °C – 37,4 °C. Wyjątek stanowiły tereny otwarte, które charakteryzowały się wyższym udziałem powierzchni przepuszczalnych oraz roślinności. Wśród obszarów tych wyróżnić można: zielone obszary miejskie (35 °C), miejsca wydobycia i składowania minerałów (34,3 °C), izolowane struktury (33,8 °C) oraz obiekty sportowe i rekreacyjne (33,4 °C).
W przypadku BDOT10k, wydzielenia dotyczące pokrycia terenu charakteryzowały się większą szczegółowością. Najwyższe wartości średniej temperatury czynnej, przekraczające 38 °C, zarejestrowano na placach, terenach przemysłowo-składowych, w zabudowie wielorodzinnej oraz w pozostałej zabudowie. Nieco niższe wartości stwierdzono w obrębie terenów pod drogami kołowymi i torowiskami, gdzie średnia temperatura czynna wynosiła odpowiednio 37,67 °C i 37,11 °C. Kolejne miejsce w zestawieniu zajęła zabudowa jednorodzinna z odczytem na poziomie 36,39 °C.
Pozostałe klasy pokrycia terenu obejmowały tereny otwarte, które charakteryzowały się mniejszym stopniem uszczelnienia, ale wykazywały wyższe wartości średniej TPC w porównaniu do terenów pozamiejskich. Do terenów tych należały: szkółka roślin ozdobnych (36,33 °C), tereny pod urządzeniami technicznymi lub budowlami (35,92 °C), sady (34,82 °C), roślinność trawiasta (34,63 °C), uprawy na gruntach rolnych (34,3 °C), pozostałe grunty nieużytkowane (34,29 °C) oraz wyrobiska (33,34 °C).
Ryc. 13. Średnia temperatura powierzchni terenu w obrębie poszczególnych klas pokrycia terenu z bazy Urban Atlas, w badanym przedziale czasu. Opracowanie własne.
Ryc. 12. Średnia temperatura powierzchni terenu w obrębie poszczególnych klas pokrycia terenu z bazy Urban Atlas, w badanym przedziale czasu. Opracowanie własne.
Rozkład średniej temperatury powierzchni czynnej w obrębie poszczególnych klas pokrycia terenu z bazy UA został przedstawiony na ryc. 14. Temperatura ta została wyznaczona jako średnia wartość pomiarowa w granicach danego wydzielenia. Na mapie można zauważyć tereny, które są znacznie chłodniejsze od pozostałych obszarów. Wyróżniają się przede wszystkim lasy, zbiorniki wodne oraz tereny naturalne i seminaturalne, takie jak pastwiska, grunty rolne i zespoły roślinności zielonej otaczające tereny miejskie. Temperatury w obrębie terenów leśnych i obszarów wodnych mieszczą się głównie w granicach 24,4-27,7 °C.
W przypadku zespołów roślinności zielonej oraz pastwisk zaobserwowano większe wahania termiczne. Średnia temperatura czynna oscylowała w tym przypadku na granicy dwóch przedziałów, pomiędzy 27,7 a 34,3 °C. Na odnotowane wartości mogło wpływać wiele czynników, wśród, których mogły się znaleźć: odległość od terenów antropogenicznych, zacienienie czy stopień pokrycia roślinnością. Prowadzi to do wniosku, że ten sam rodzaj użytkowania gruntów może charakteryzować się różnymi właściwościami termicznymi w zależności od lokalizacji.
Tereny o najwyższych wartościach TPC znajdowały się głównie w centralnych rejonach miasta oraz wzdłuż głównych ciągów komunikacyjnych. Na uwagę zasługiwały tutaj przede wszystkim Śródmieście, w tym Rynek i Plac Wolności wraz z terenami przyległymi oraz obszar miasta pomiędzy ul. Wspólną a Czarnowską. Wśród obszarów wyróżniających się wysokimi wartościami temperatury powierzchni czynnej wymienić należy także zabudowę jednostkami przemysłowymi i handlowymi, takimi jak Kielecki Park Technologiczny, MA Polska (przy ul. Zagnańskiej), Galeria Echo, Panattoni Park Kielce (przy ul. Malików), Pasaż Świętokrzyski, Effect Glass (przy ul. Gen. Józefa Hauke-Bosaka), Bettard Oddział Kielce 1, Moto-Truck, Polonica i Roltech (przy ul. Ściegiennego), a także obszar pomiędzy ul. Daleką a Śląską (Akademiki UJK, sklepy wielkopowierzchniowe itp.) oraz wielkopowierzchniowy parking przy zabudowie handlowo-usługowej (Auchan, OBI, Decathlon itp.) wzdłuż ul. Radomskiej.
Ryc. 14. Rozkład średnich TPC w obrębie poszczególnych klas pokrycia terenu z bazy UA, w badanym przedziale czasu. Opracowanie własne.
Analiza map wykazała, że typ pokrycia terenu oraz inne czynniki związane z urbanizacją mają znaczący wpływ na temperaturę powierzchni czynnej oraz zjawisko występowania miejskiej wyspy ciepła w Kielcach. Lasy, zbiorniki wodne oraz tereny naturalne i seminaturalne wykazują znacznie niższe temperatury powierzchni w porównaniu do terenów zurbanizowanych. Pomimo istotnych wyników, należy zauważyć, że w badaniu nie uwzględniono kilku innych czynników, które mogą wpływać na analizowane zjawisko. Wśród nich wymienić należy: ukształtowanie terenu, kierunek i prędkość wiatru, zachmurzenie oraz emisja zanieczyszczeń powietrza. Czynniki te mogą odgrywać istotną rolę w kształtowaniu lokalnych warunków termicznych, dlatego ich szczegółowa analiza może prowadzić do bardziej precyzyjnych wniosków oraz do opracowania skuteczniejszych strategii zarządzania temperaturą w miastach i przeciwdziałania efektowi miejskiej wyspy ciepła.
Podsumowanie
Celem niniejszej analizy była ocena dynamiki powierzchniowej miejskiej wyspy ciepła (PMWC) w Kielcach w latach 2015–2023. W ramach badania określono udział oraz intensywność omawianego zjawiska w obrębie miasta. Dodatkowo oszacowano temperaturę powierzchni czynnej (TPC) różnych klas pokrycia terenu w kontekście zjawiska PMWC.
Analiza oparta była na zdjęciach satelitarnych z misji Landsat 8-9, pozyskanych z portalu EarthExplorer, z okresu 2015-2023. Do obliczenia udziału PMWC oraz intensywności miejskiej wyspy ciepła (MWC) wykorzystano metodologię przedstawioną w poradniku „Przyrodniczo-klimatyczne wskaźniki zrównoważonego rozwoju miast. Przewodnik dla miast”. Podczas określania temperatury powierzchni czynnej w obrębie poszczególnych klas pokrycia terenu wykorzystano informacje z baz danych Urban Atlas oraz BDOT10k.
Przeprowadzona analiza wykazała znaczną dynamikę miejskiej wyspy ciepła w badanym okresie. Analiza pojedynczych obrazów satelitarnych ujawniła, że największy obszar zagrożony wystąpieniem miejskiej wyspy ciepła wystąpił w dniu 2015-07-05, obejmując wówczas 17,8% obszaru miasta. W przypadku terenów antropogenicznych wskaźnik ten wyniósł 36,47%. Statystycznie, zagrożeniem PMWC objęto 15,71% całego obszaru miejskiego oraz 33,18% obszarów zurbanizowanych.
Na podstawie powyższych danych oszacowano obszary o zróżnicowanym stopniu zagrożenia wystąpieniem miejskiej wyspy ciepła w Kielcach. Analiza wykazała, że ponad 10% powierzchni miasta charakteryzowało się bardzo wysokim prawdopodobieństwem wystąpienia PMWC. Wysokie ryzyko stwierdzono na 3,5% obszaru miasta, zaś średnie prawdopodobieństwo obejmowało 3,3% terenu. Niski poziom zagrożenia wystąpieniem PMWC odnotowano na 3,9% powierzchni Kielc. Pozostałe 79% obszaru miasta cechowało się brakiem lub bardzo niskim prawdopodobieństwem wystąpienia omawianego zjawiska.
Najbardziej narażone na występowanie miejskiej wyspy ciepła w Kielcach były obszary silnie zurbanizowane, szczególnie te zlokalizowane w centralnych rejonach miasta. Na szczególną uwagę zasługiwało Śródmieście Kielc, od ul. Źródłowej i ul. Solidarności (od wschodu) po ul. Jagiellońską i ul. Lecha (od zachodu), oraz rejony wokół ul. Zagnańskiej aż do ul. Jesionowej oraz od rynku po tereny Politechniki Świętokrzyskiej, z wyłączeniem obszaru akademików PŚK. Podobne nasilenie analizowanego zjawiska miało miejsce w zachodniej części miasta, w obszarach przemysłowych i przedsiębiorstwach, takich jak zakłady „Społem”, MA Polska, NSK Bearings Polska oraz Miejskie Przedsiębiorstwo Komunikacji. Inne obszary o wysokim ryzyku PMWC to obszar Zespołu Szpitali Zespolonych, ul. Oskara Kolberga (z ZUS i Powiatowym Urzędem Pracy), tereny w obrębie ul. Olszewskiego (z siedzibą Kieleckiego Parku Technologicznego) oraz Galeria Echo. Zagrożenie wystąpienia analizowanego zjawiska obserwowano także wzdłuż ul. Domaszowskiej, ul. Świętokrzyskiej, Osiedla Sandomierskiego, Osiedla Wielkopole, Osiedla Ślichowice oraz obszarów handlowo-usługowych i przemysłowych przy ul. Radomskiej i ul. Generała Józefa Hauke-Bosaka oraz na południu miasta w obrębie ul. Ściegiennego.
Obszary wymienione powyżej charakteryzowały się również ekstremalnie wysoką intensywnością miejskiej wyspy ciepła, która według danych z lat 2021-2023 obejmowała statystycznie 15% powierzchni miasta w okresie letnim. Wysokim natężeniem tego zjawiska cechowało się 23% terenu Kielc. W przypadku pozostałych klas wartości te wynosiły: 23,47% dla średniej intensywności, 21,82% dla niskiej intensywności oraz 16,99% dla ekstremalnie niskiej intensywności. Należy jednak zaznaczyć, że wskaźnik ten analizował całą powierzchnię miasta jedynie pod względem termicznym, nie uwzględniając rodzaju zagospodarowania terenu. Oznacza to, że wszystkie obszary silnie nagrzane były klasyfikowane jako obszary o podwyższonej intensywności miejskiej wyspy ciepła. Wśród tych obszarów znajdowały się nieużytki oraz pola i pastwiska, które z powodu dużej ekspozycji terenu na działanie promieni słonecznych wykazywały wyższy stopień nagrzewania się. Ponadto, te tereny często graniczyły z obszarami miejskimi, co także mogło mieć wpływ na podwyższoną temperaturę powierzchni omawianych obszarów. Natomiast niska oraz ekstremalnie niska intensywność miejskiej wyspy ciepła była charakterystyczna dla obszarów zalesionych i terenów zakrzewionych, które pełniły funkcję naturalnych wysp chłodu, wpływając pozytywnie na regulację klimatu miasta.
Wyniki przeprowadzonej analizy temperatury powierzchni terenu dla różnych klas użytkowania odzwierciedlają istotne zróżnicowanie termiczne w badanych obszarach. Najwyższe średnie temperatury czynne zaobserwowano w przypadku terenów zajętych przez zabudowę przemysłową oraz handlowo-usługową. Średnia temperatura w tych obszarach była wyższa o 7,3–9,2 °C w porównaniu do terenów pozamiejskich, gdzie wynosiła ona 29,9 °C. Istotne jest również, że różnica w temperaturze zmniejszała się wraz ze spadkiem intensywności użytkowania terenu i wzrostem powierzchni zajmowanej przez obszary naturalne lub seminaturalne. Wśród poszczególnych klas użytkowania terenu wyróżnić można następujące tereny: zielone obszary miejskie (35 °C), miejsca wydobycia i składowania minerałów (34,3 °C), izolowane struktury (33,8 °C), oraz obiekty sportowe i rekreacyjne (33,4 °C). Różnice temperaturowe między różnymi klasami użytkowania terenu są istotne z punktu widzenia oceny wpływu urbanizacji na klimat lokalny oraz formułowania strategii zarządzania obszarami miejskimi w kontekście ograniczania skutków miejskiej wyspy ciepła.
Przeprowadzona analiza może stanowić uzupełnienie dla Planu adaptacji do zmian klimatu Miasta Kielce14, dostarczając szczegółowych danych i wskazując obszary o największym natężeniu zjawiska.
Bibliografia
1 Arnfield J., 2003, Two decades of urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island, International Journal of Climatology, 23, s. 1–26.
2 Oke T.R., Mills G., Christen A., Voogt J.A., 2017, Urban Climates, Cambridge University Press, Cambridge, DOI: 10.1017/9781139016476
3 Oke T.R., 1982, The energetic basis of the urban heat island, Quarterly Journal of Royal Meteorological Society, 108, 455, s. 1–24.
4 Pawlak W., 2009, Efektywne albedo powierzchni miejskiej, Acta Universitatis Lodziensis, Folia Geographica Physica, 9, Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, 165 s
5 Ng E. (red.), 2010, Designing High-Density Cities: For Social and Environmental Sustainability, Earthscan, London
6 Ali-Toudert F., Mayer H., 2006, Numerical study on the effects of aspect ratio and orientation of an urban street canyon on outdoor thermal comfort in hot and dry climate, Building and Environment, 2, s. 94–108
7 Papadopoulos A.M., 2001, The influence of street canyons on the cooling loads of buildings and the performance of air conditioning systems, Environment and Buildings, 33, s. 601–607.
8 Lopes C., Adnot J., Santamouris M., Klitsikas N., Alvarez S., Sanchez F., 2001, Managing the growth of the demand for cooling in urban areas and mitigating the urban heat island effect, European Council for an Energy
Efficient Economy (ECEEE) congress, Mandelieu-la-Napoule, 11– 16.06.2001, vol. II.
9 Kłysik K., Fortuniak K., 1999, Temporal and spatial characteristics of the urban heat island of Lodz, Poland, Atmospheric Environment, 33, s. 3885–3895
10 Wawer J., 1997, Miejska wyspa ciepła w Warszawie, [w:] Stopa-Boryczka M. (red.), Nowe metody badań klimatu Polski, Prace i Studia Geograficzne, 20, s. 145–197.
11 Błażejczyk i in. 2014. Miejska wyspa ciepła w Warszawie. Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania Polskiej Akademii Nauk. Wydawnictwo Akademickie SEDNO. Warszawa.
12Soltani, A., & Sharifi, E. (2017). Daily Variation of Urban Heat Island Effect and Its Correlations to Urban Greenery: A Case Study of Adelaide. Frontiers of Architectural Research, 6, 529-538.
https://doi.org/10.1016/j.foar.2017.08.001
13Przyrodniczo-klimatyczne wskaźniki zrównoważonego rozwoju miast. Przewodnik dla miast.https://www.gov.pl/web/klimat/wkazniki-przyrodniczo-klimatyczne
14IOŚ-PIB, Plan Adaptacji do zmian klimatu Miasta Kielce do roku 2030, Kielce, Warszawa, 2018, Załącznik Nr 1 do uchwały Nr XX/351/2019 Rady Miasta Kielce z dnia 17 października 2019 r.
