Geoinformatikai alkalmazások a hősziget statisztikai modellezésében Balázs Bernadett Geiger János Unger János Sümeghy Zoltán Gál Tamás Mátyás 1. Bevezetés A városi környezet jelentősen eltér a környező természetes területektől, hiszen más a felszín geometriája, anyagi- és levegő összetétele, és számolni kell az antropogén hőkibocsátással is. Eredményeként kialakul egy lokális léptékű klímamódosulás, a városi hősziget (urban heat island UHI). Ez egy pozitív termális módosulás, tehát a város általában melegebb a környezeténél. A hatás kettős jellegű, ugyanis nyáron igen megterhelően hat az éjjel kevésbé lehűlő levegőkörnyezet, míg a téli időszakokban előnyösnek mondható ez a hatás, hiszen a városok területén csökken az épületek fűtésigénye, a fűtési időszak hossza és az ún. fűtési fokszám (Unger Sümeghy 2002). Módosul a városi növényzet összetétele és fenológiai fáziseltolódás is megfigyelhető (Lakatos Gulyás 2003). Az itt élő nagy számú érintett miatt igen fontos feladat tehát ennek tanulmányozása, így városklíma kutatásunk célja az, hogy statisztikai becslést készítsünk az éves átlagos maximális UHI intenzitásra. Vizsgálata fontos adatokkal szolgál például a várostervezés számára (Kuttler 1998). A hősziget kialakulására és intenzitására hatással lévő faktorok és ezek nagyságrendi szerepének meghatározása, modellezése bonyolult, részben a város összetett vertikális és horizontális tagoltsága, részben pedig a mesterséges hő- illetve szennyezőanyag-kibocsátás miatt. A részletes adatgyűjtés szintén körülményes és fejlett műszerezettséget is igényel. Feltételezésünk az, hogy az orográfiai szempontból egyszerű helyzetű alföldi városokban az átlagos hőszigeti becsléshez elegendő mindössze a településekről készült műholdfelvétel, amelynek alapján meghatározható a módosult városi felszín néhány paramétere (pl. beépítettség). Tehát a jelen tanulmány célja egyrészt egy többváltozós modell készítése az átlagos hősziget intenzitás területi eloszlásának megbecslésére Szeged és Debrecen adatai alapján, másrészt e modell kiterjesztése más, hasonló földrajzi adottságú városokra, ahol nem áll rendelkezésre hőmérsékleti mérés. 2. Vizsgált területek Szeged és Debrecen az Alföldön fekszik, mindkét területen a felszínen gyenge relieffel rendelkező holocén üledékekből álló térszínek a jellemzőek. Ahogy az ország túlnyomó része, a két város a Trewartha-féle D.1 (kontinentális éghajlat, hosszabb meleg évszakkal) klímakörzetbe esik. Földrajzi helyzetük szerint a magyarországi nagyvárosokat három csoportba sorolhatjuk: völgyekben elterülők, hegyvidék és síkság találkozásánál elhelyezkedők, valamint síksági fekvésűek. A városi éghajlat kifejlődése szempontjából az első két típus vizsgálata igen bonyolult, mert ezeknél nagyon nehéz elkülöníteni egymástól a mesterséges és a domborzati hatásokat. A harmadik kategóriába tartozó Szeged és Debrecen azonban kedvező feltételeket kínál a városklimatológiai kutatásokhoz és az itt végzett részletes mérések és vizsgálatok általános következtetések alapjául is szolgálhatnak (Unger Sümeghy 2002). A vizsgálatok a városok beépített területére irányulnak, ami mindkét város esetében kb. 30 km 2 -es területet jelent. A két városnak eltérő a városszerkezete: Szeged egyközpontú, körutassugárutas szerkezetű és a várost keresztülszeli a Tisza, míg Debrecen többközpontú. SZTE TTK Éghajlattani és Tájföldrajzi Tanszék, 6701 Szeged, Pf. 653, Tel.: (62)-544000/3172, Fax: (62)-544624, E-mail: balazsb@geo.uszeged.hu 1
3. Hőmérsékleti adatok gyűjtése A többváltozós modellegyenletek megalkotásához a hőmérsékleti adatokat mobil mérések során gyűjtöttük Szegeden és Debrecenben (1a-b. ábra). Az összegyűjtendő adatok rendszere- érdekében a vizsgált területeket 500 m oldalhosszúságú négyzetekre, azaz gridcellákra zése osztottuk fel. Ugyanilyen, 0,25 km 2 területű cellaméretet alkalmaztak más városklíma projektekben is (pl. Park 1986), illetve hasonló cellaméretet lehet találni Long et al (2003) és Lindberg et al. (2003) munkáiban is. A vizsgálati terület Szegeden 103, Debrecenben 104 cellából áll, amelyek lefedik a város belvárosi, elővárosi övezeteit. Egy-egy külterületi cella mindkét városban referenciaterületként szolgál a hőmérsékleti adatok összehasonlításához, tehát hogy ezekhez viszonyítva mekkora a pozitív hőmérsékleti többlet a belterületen (1a-b. ábra, R jelölésű cella). Az UHI intenzitás vizsgálatához szükséges adatokat meghatározott útvonalon haladó mérőautók segítségével gyűjtöttük, kétszer egy éves mérési periódusban Szegeden (1999. március - 2000. február, 2002. április - 2003. március), és egyszer egy éves mérési periódusban Debrecenben (2002. április - 2003. március). Az ilyen típusú mobil mérések elterjedtnek számítanak a városi klímaparaméterek vizsgálatában (pl. Oke Fuggle 1972; Moreno Garcia 1994; Ripley et al. 1996; Klysik Fortuniak 1999; Santos et al. 2003). A vizsgált területeken az UHI kifejlődésének területi eloszlásáról a kellő számú, elegendően reprezentatív mintát a két sorozatban 7-10 naponta végrehajtott mérések biztosítják. Ez Szegeden az első sorozatban 48 mérést jelent. A második sorozatban 35 mérés történt a két városban pontosan egy időben. A kb. 3 óra időtartamú mérések kiterjedtek az esőt kivéve minden időjárási helyzetre. A korábbi kutatások tapasztalatai alapján az adatgyűjtést úgy kellett időzíteni, hogy az UHI maximális kifejlődésének várható időpontja naplemente után 4 órával körüli időszakra essen (Boruzs Nagy 1999; Oke 1981). A mért értékek átszámításnál felhasználtuk, hogy a hőmérséklet nagyjából lineáris változik a naplementét követő néhány órában, azzal a kiegészítéssel, hogy az eltérő hűlési gradiensek miatt ez csak hozzávetőlegesen igaz az elővárosi területekre (Oke Maxwell 1975). 1a. ábra A mobil UHI mérések útvonala Debrecenben 2
1b. ábra A mobil UHI mérések útvonala Szegeden A vizsgált részek mérete, illetve a mérési útvonalak hossza miatt a területeket két szektorra kellett osztani. Az útvonalakat úgy kellett meghatározni, hogy mindegyik cellát érintsék legalább egyszer az oda- és a visszaúton is. A hőmérsékleti adatok észlelése digitális adatgyűjtő- érté- vel összekötött és sugárzásvédelemmel ellátott automata szenzorral történt, amely a mért keket 10 másodpercenként rögzítette. Az autó termikus zavaró hatásának elkerülése végett a szenzor a jármű előtt 0,6 m-rel és a talaj fölött 1,45 m magasan egy rúdon helyezkedett el. A megfelelő szellőzés és adatsűrűség érdekében a jármű sebessége 20-30 kmh -1 volt, ezeknek megfelelően a mérőút egymástól 55-83 m távolságban lévő pontjairól áll rendelkezésünkre adat. A mérések késői időpontja miatti ritka megállások (pl. piros lámpa, sorompó) idején rögzített értékeket később töröltük az állományból. Esetünkben az UHI intenzitást ( Τ) a következőképpen értelmezhetjük: T = T cella - T cella (R) ahol T cella = az aktuális városi cella hőmérséklete; T cella(r) = a külterületi referencia cellának a hőmérséklete. 4. Beépítettség A városi felszín sajátosságait leginkább visszatükröző beépítettség (pl. utak, tetők, parkolók, burkolt felületek, stb.) meghatározása a LANDSAT műholdfelvételek kiértékelésével történt. A felvétel terepi felbontása 30 m volt, így alkalmas volt a város kisebb területi jellegzetességeinek vizsgálatára. A felvételek 2003-ban készültek, így pontos képet kapunk a jelenlegi beépítettségi értékekről. A kiértékelés ERDAS IMAGINE térinformatikai szoftverben történt Normalizált Vegetációs Index (Normalised Difference Vegetation Index NDVI) számí- 3
tásával. Az index értékeit a pixelek különböző hullámhossz tartományú reflektancia értékeiből a következő egyenlet adja meg (Gallo and Owen 1999): NDVI = (IR R) / (IR + R) ahol IR = a pixel reflektancia értéke a közeli infravörös (0,72-1,1 µm) és R = a pixel reflektancia értéke a vörös (0,58-0,68 µm) sávban. Az NVDI értéke -1 és +1 között változik a biomassza tömegének megfelelően: ha erdős vegetáció van a területen, akkor +1 (+0,4-0,5 felett teljes borítottságról beszélhetünk), ha füves vegetáció, akkor 0,2-0,5, ha vízfelszín, akkor az érték -1 felé közelít. A mutató segítségével meghatároztuk a beépített felszínnek (B), a vegetációnak és a vízfelszínnek a vizsgált területeken belül a cellákhoz tartozó százalékos arányát. 4 tlagos UHI intenzitás [ C] ves á É 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Beépítettség (B) [%] UHI = 0,0179B + 0,758 R 2 = 0,4619 2. ábra Az éves átlagos UHI intenzitás (2002-2003) és a beépítettség kapcsolata a szegedi és debreceni cellák értékei alapján A 2. ábra az évi átlagos UHI intenzitás és a beépítettség között a kapcsolatot mutatja együttesen Szegeden és Debrecenben, tehát összesen 207 elempár felhasználásával. A diagramról leolvasható, hogy pozitív jellegű kapcsolat áll fenn e két paraméter között, azaz a beépítettség értékének növekedésével nő a város és környéke közötti hőmérsékleti különbség értéke is. A lineáris kapcsolat szorosságát a variancia magasnak mondható értéke (R 2 = 0,46) támasztja alá. A beépítettség értéke 0 és 100% között változhat. A vizsgált városok nagy részén 40-80%- os beépítettséget tapasztaltunk. Szeged példáján bemutatva jól látható kapcsolat áll fenn a beépítettség területi eloszlása és a hősziget szerkezete között, a beépítettségi értékek változását a hőmérséklet intenzitás szorosan követi (3. ábra). Szegeden a beépítettség viszonylag koncentrikusnak tekinthető. Ahol ez a koncentrikusság megtörik, ott a hősziget szerkezetén is láthatjuk ennek nyomait. Erre példa a központi cellától ÉK-re és ÉNy-ra található két anomália. A beépítettség változása a terület Ny-DNy-i részén is hasonló eredményeket okoz. Itt zöldterületek és tavak szakítják meg a városi felszínt és ennek hatására az UHI gyengül. A B paraméter alapján jól kirajzolódik a Tisza alacsony beépítettségű területe, amivel jól magyarázható a területen kissé megváltozott hőmérsékleti mező. 4
3. ábra Az éves átlagos UHI intenzitás (2002-2003) és beépítettség területi eloszlása Szegeden 5. További felszínparaméterek Fontos, hogy ne csak az adott cella beépítettségét vizsgáljuk önmagában, hanem vegyük figyelembe a környezetét is. Ezt háromféleképpen közelítettük meg: - Kiterjesztett beépítettség (B k ), ahol a cellának és nyolc szomszédjának vettük a beépítettségi átlagát, tehát kilenccel osztottunk (4a. ábra). - Környezeti beépítettség, gyűrű (B gy ), ahol csak a nyolc szomszéd átlagával számolunk (4b. ábra). - Súlyozott környezeti beépítettség (B s ), ahol a nyolc szomszéd nem egyenlő súllyal szerepel, hiszen középpontjuk sem egyenlő távolságra van, ezért a sarokkal érintkezők értékeit 2-vel osztottuk, míg az oldallal érintkezőknek 1-es a súlytényezőjük (4c. ábra). 5
a b c 4. ábra (a) kiterjesztett beépítettség; (b) környezeti beépítettség; (c) súlyozott környezeti beépítettség 6. A többváltozós modell felépítése Az feladatunk, hogy a városi felszínt leíró (statikus) paraméterek és az átlagos hősziget (UHI) intenzitás közötti összefüggést mennyiségileg is meghatározzuk. A tagolt, mesterséges városi felszín alapvetően meghatározza az UHI területi eloszlását. Mint ahogy már említettük, a célunk az, hogy Szeged és Debrecen adatai alapján egy olyan általános modellt készítsünk, amely megbecsli az átlagos hősziget területi szerkezetét az alföldi városokban. A többváltozós modellünk elemei: - a hősziget intenzitás, mint függő változó ( C), - a beépítettség, mint független változó (%), - a kiterjesztett beépítettség, mint független változó (%). A Statgraphics Plus szoftver többváltozós regressziós eljárását alkalmazva a következő modell-egyenletet kaptuk az éves átlagos hősziget intenzitásának területi szerkezetére: UHI éves = 0,0027*B + 0,0191*B k A két paraméternek a hőmérsékleti többlet kialakításában betöltött szerepe több, mint 90% (r 2 = 0,902677). A modellhez együttesen felhasznált szegedi és debreceni adatokban a B értéke 25,25% és 98,75% között, a B k értéke 46,39% és 94,75% között, valamint az UHI éves értéke 0,037 o C és 2,967 o C között változott. Modellünk akkor ad megbízható eredményt, ha a vizsgálandó terület értékei is ezekbe az intervallumokba esnek. A továbbiakban e Szeged és Debrecen 207 cellájára vonatkozó közös modellünket alkalmazzuk különböző méretű, de hasonló földrajzi adottságú városokban, vagyis ahol hasonló az éghajlati zóna és a domborzat. Ehhez mindössze a városoknak az előbbiekben már említett műholdfelvételeire van szükség, amelyekből meghatározható a beépítettség és kiterjesztett beépítettség, mint prediktorok. 7. Alkalmazás Jelenleg több hazai és határmenti alföldi városra is folyik vizsgálat, ezek a következők: Arad, Baja, Békéscsaba, Cegléd, Hódmezővásárhely, Karcag, Kecskemét, Kiskunfélegyháza, Makó, Nagykőrős, Nyíregyháza, Orosháza, Szabadka, Szolnok, Temesvár, valamint Budapest pesti oldala. A bemutatott példák mindegyike a beépítettséget és a becsült éves átlagos hősziget területi eloszlását ábrázolja az adott városban. 6
Arad a 185 000 lakosával hasonló méretű város, mint Szeged és Debrecen. Hőszigete több központú, és a városon keresztülhaladó Maros jelentős befolyást gyakorol a környezetére, amit jól mutat a város déli részében található három, minimummal jellemzett terület (5. ábra). 5. ábra A beépítettség és a becsült UHI intenzitás területi szerkezete Aradon 7
Kecskemét lakossága megközelítőleg fele Debrecen lakosságának, 109 000 fő. Hőszigete klasszikus kifejlődésű, egy centrummal rendelkezik a történelmi városközpont felett (6. ábra). 6. ábra A beépítettség és a becsült UHI intenzitás területi szerkezete Kecskeméten Békéscsabán 64 000 ember él. Hőszigete egyközpontú, de jól megfigyelhető itt, hogy milyen jelentős termikus hatása van a természetes és mesterséges felszínek éles találkozásának a város déli részén (7. ábra). 8
7. ábra A beépítettség és a becsült UHI intenzitás területi szerkezete Békéscsabán Kiskunfélegyháza egy kis város, 31 500 lakossal. A hősziget itt nagyon szép, szabályos kifejlődést mutat (8. ábra). 9
8. ábra A beépítettség és a becsült UHI intenzitás területi szerkezete Kiskunfélegyházán 8. Összegzés Tanulmányunkban egy olyan általános modellt mutattunk be, amely a hősziget területi szerkezetét becsüli alföldi városokban. Ennek igen nagy lehet a gyakorlati jelentősége, hiszen a hőmérséklet különbség a belváros és a külterületek között még egy olyan nagyságú város- Szeged elérheti akár a 6-7 C-ot, átlagosan pedig a 2-3 C-ot is, ráadásul a városon ban is, mint belül szintén nagy területi különbségek alakulhatnak ki. A modellegyenleteinkből kapott be- lehet a városok fejlesztési terveinek kialakításakor. csült átlagos területi UHI szerkezeteknek az ismerete a későbbiekben hasznos alapinformáció A továbbiakban ellenőrző földi méréseket tervezünk a városokban, és szeretnénk még több városra kiterjeszteni a modellünket, valamint nyomon követni a városok, a beépítettség válto- zását. Irodalomjegyzék Boruzs T. és Nagy T., 1999: A város hatása a klímaelemekre. Szakdolgozat (kézirat), József Attila Tudomány- K.P. and Owen, T.W., 1999: Satellite-based adjustments for the urban heat island temperature bias. Jour- egyetem, Szeged, 81 p. Gallo, nal of Applied Meteorology 38, 806-813. Klysik, K. and Fortuniak, K., 1999: Temporal and spatial characteristics of the urban heat island of Lódz, Poland. Atmos. Environ. 33, 3885-3895. Kuttler, W., 1998: Stadtklima. In Heyer, E. (ed.): Witterung und Klima. Teubner, Stuttgart-Leipzig, 328-364. Lakatos, L. and Gulyás, Á., 2003: Connection between phenological phases and urban heat island in Debrecen and Szeged, Hungary. Acta Climatologica Univ. Szegediensis 36-37, 79-83. Lindberg, F., Eliasson, I. and Holmer, B., 2003: Urban geometry and temperature variations. In Klysik, K. Oke, T.R. Fortuniak, K. Grimmond, C.S.B. Wibig, J.: Proceed. Fifth Int. Conf. on Urban Climate Vol. 1. University of Lodz, Lodz, Poland, 205-208. Long, N., Mestayer, P.G. and Kergomard, C., 2003: Urban database analysis for mapping morphology and aerodynamic parameters: The case of St Jerome sub-urban area, in Marseille during escomte. In Klysik, K. Oke, T.R. Fortuniak, K. Grimmond, C.S.B. Wibig, J. : Proceed. Fifth Int. Conf. on Urban Climate Vol. 2. University of Lodz, Lodz, Poland, 389-392. Moreno Garcia, M.C., 1994: Intensity and form of the urban heat island in Barcelona. Int. J. Climatol. 14, 705-710. Oke, T.R., 1981: Canyon geometry and the nocturnal urban heat island: comparison of scale model and field observations. J. Climatol. 1, 237-254. Oke, T.R. and Fuggle, R.F., 1972. Comparison of urban/rural counter and net radiation at night. Bound.-Lay. Meteorol. 2, 290-308. Oke, T.R. and Maxwell, G.B., 1975: Urban heat island dynamics in Montreal and Vancouver. Atmos. Environ. 9, 191-200. Park, H.S., 1986: Features of the heat island in Seoul and its surrounding cities. Atmos. Environ. 20. 1859-1866. Ripley, E.A., Archibold, O.W. and Bretell, D.L., 1996: Temporal and spatial temperature patterns in Saskatoon. Weather 51. 398-405. Santos, L.G., Lima, H.G., and Assi s, E.S., 2003: A comprehensive approach of the sky view factor and building mass in an urban area of ci ty of Belo Horizonte, Brazil. In Klysik, K. Oke, T.R. Fortuniak, K. Grimmond, C.S.B. Wibig, J.: Proceed. Fifth Int. Conf. on Urban Climate Vol. 2. University of Lodz, Lodz, Poland, 367-370. Unger J. és Sümeghy Z., 2002: Környezeti klimatológia. SZTE TTK jegyzet, Szeged, 132-197. 10