Grenzen in der Geowissenschaft

Einleitung

Eines der grundlegenden Ziele vieler Studien über städtische Wärmeinseln (UHI) besteht darin, ihre Intensität an bestimmten Nächten festzulegen, oder, wenn eine ausreichend hohe Anzahl von Beobachtungen vorliegt, kann auch ihre maximale Intensität und durchschnittliche Intensität ermittelt werden., Unabhängig von der angewandten Methodik, ob es sich um (1) Unterschiede zwischen zwei festen Observatorien, einem städtischen und einem anderen peripheren oder nichtstädtischen, (2) mobilen städtischen Transekten oder (3) Fernerkundung handelt, geht es letztendlich darum, einen Wert für thermische Unterschiede zwischen kontrastierten Punkten oder Sektoren bereitzustellen, die als nichtstädtisch bezeichnet werden können. Somit wird die Intensität des UHI in der Temperaturdifferenz gesehen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen dem heißesten Sektor der Stadt und dem nichtstädtischen Raum, der dies umgibt, ausgedrückt wird., Die Intensität der Wärmeinsel ist der einfachste und quantitativste Indikator für die thermische Veränderung, die die Stadt dem Gebiet, in dem sie sich befindet, auferlegt, und für ihre relative Erwärmung in Bezug auf die umgebende ländliche Umgebung bei Nacht (Kim und Baik, 2002; Memon et al., 2009).

Hintergrund

Das Konzept des UHI erfordert jedoch eine Definition, die Vergleiche zwischen Städten herstellt und das Ausmaß dieses Phänomens in einer bestimmten Stadt zu verschiedenen Zeitpunkten genau einschätzt., Der erste grundlegende Schritt beinhaltet die Wahl von zwei Punkten, einem städtischen und einem nicht-städtischen. In Bezug auf den städtischen Punkt gibt es im Allgemeinen weniger Unsicherheit, da er im Durchschnitt im heißesten Teil der Stadt liegt, normalerweise im Zentrum. Auch ohne Ad-hoc-Beobachtungen ist es in vielen Städten recht einfach, das heißeste Gebiet nachts zu bestimmen. Wenn dies nicht der Fall wäre, könnte eine Pilotmaßnahme den heißesten Punkt ermitteln., Es sollte beachtet werden, dass der heißeste Teil der Stadt nicht immer derselbe ist, wie man anhand der Fernerkundung in Santiago de Chile sehen kann (Sarricolea und Martin-Vide, 2014), obwohl sich das vorliegende Papier auf diese städtischen und nichtstädtischen Punkte bezieht. Letzteres muss mit großer Sorgfalt ausgewählt werden. Idealerweise sollte der nicht-städtische Punkt in der Nähe der Stadt sein, aber in einer ländlichen Gegend oder, noch besser, mit natürlicher Vegetationsbedeckung., Das Adjektiv „ländlich“ wurde traditionell mit dem Ort des nichtstädtischen oder Referenzpunkts in Verbindung gebracht, und daher wurde die UHI-Intensität allgemein als Temperaturdifferenz zwischen städtischen und ländlichen Orten (oder Gebieten) definiert, Δ Tu−r = Tu − Tr, wobei Δ Tu−r ist UHI-Intensität, Tu ist städtische Temperatur und Tr ländliche Temperatur., Natürlich muss der nicht-städtische Punkt außerhalb des bebauten Stadtraums oder einer durch Asphalt, Zement usw. modifizierten Oberfläche liegen, damit die anthropogene Wärme in ihrer Energiebilanz vernachlässigbar ist, damit die sensible und latente Wärme der natürlichen Abdeckung so ähnlich wie möglich ist und die Strahlungsbilanz Albedos und Emissivitätskoeffizienten aufweist, die auch denen einer natürlichen Umgebung ähnlich sind., Die Grenzen der Stadt sind jedoch oft ungenau, da dem städtischen Kontinuum manchmal klare Grenzen fehlen, die einen Übergang zu typisch ländlichen Landnutzungen darstellen. Die meisten Städte grenzen nicht an den ländlichen Raum, sondern an periurbane Zonen, rurururbane usw., die in gewissem Maße von der Stadt beeinflusst werden. Selbst strenge Studien verwenden etwas vage Ausdrücke wie „ländliches Gebiet in der Nähe“ für den nichtstädtischen Punkt oder Sektor (Van Hove et al., 2011)., Um diesen nicht-städtischen Punkt zu finden, müssten wir in bestimmten Fällen eine solche Entfernung zurücklegen, dass wir zu einem bestimmten Zeitpunkt in einen klimatischen Bereich oder einen bestimmten Wettertyp eintreten würden, der sich von der untersuchten Stadt unterscheidet. Beim Vergleich ihrer Temperaturen würden sich die Unterschiede nicht nur aus dem städtischen Effekt ergeben, sondern auch aus der Existenz unterschiedlicher Klimazonen oder Wetterbedingungen. Viele Studien haben es versäumt, den geeigneten nichtstädtischen Punkt auszuwählen und ein verfügbares Observatorium außerhalb der Stadt auszuwählen, auch wenn dies nicht die idealen Bedingungen bietet., Darüber hinaus wurden große Anstrengungen unternommen, um die Landnutzungen der umliegenden Städte in Zonen zu unterteilen, um sie klimatischen und meteorologischen Untersuchungen zu unterziehen und UHI-Intensitäten festzustellen. In der Tat haben einige städtische Klimatologen detaillierte Klassifikationen des Raums und der städtischen und ländlichen Landschaften, insbesondere ihrer Übergangszonen, vorgeschlagen. In diesem Sinne können wir die Arbeit von Oke (2006), der sieben städtische Klimazonen (UCZ) vorschlägt, von N°1, intensiv entwickelten städtischen Zonen mit freistehenden nah gelegenen Hochhäusern mit Verkleidung, z,, Innenstadt, Türme, präsentieren über 90% gebaut (undurchlässig) Oberfläche, N°7, verstreut semi-ländliche Entwicklung-Häuser in einem natürlichen oder landwirtschaftlichen Bereich, z.B., Farmen, Grundstücke mit weniger als 10% bebaute Fläche. Diese Klassifizierung wird beispielsweise verwendet, um die maximale Intensität der städtischen Wärmeinseln von 19 niederländischen Städten genau zu vergleichen (Van Hove et al., 2011). Andere Autoren gehen auch davon aus, dass der ländliche oder Referenzpunkt weniger als 10% der konstruierten Oberfläche besitzen muss (Wing-Yee, 2010). Mithilfe der Fernerkundung erklärt die städtische Landbedeckung die UHI-Intensitäten vieler europäischer Städte (Zhou et al.,, 2013). Stewart und Oke (2009) erweiterten die UCZ-Klassifizierung in ein umfassenderes System namens Local Climate Zones (LCZ). Es wird versucht, das Landschaftsuniversum in 19 LCZ zu kategorisieren, die je nach Oberflächenbedeckung, Oberflächenstruktur und kultureller Aktivität zu vier Landschaftsreihen (Stadt, Landwirtschaft, Natur und gemischt) gehören. Dieses Verfahren wurde beispielsweise von Siu und Hart (2013) für Hongkong angewendet. In diesem Sinne ist der Fall Hongkongs sehr anschaulich für die Probleme bei der Auswahl der Punkte, insbesondere der ländlichen oder nicht-städtischen Punkte., Diese Autoren kommen zu dem Schluss, dass die in früheren Studien verwendeten ländlichen Stationen nicht repräsentativ sind und daher die zuvor für Hongkong berechneten UHI-Intensitäten möglicherweise unterschätzt wurden.

Darüber hinaus gibt es einen Effekt auf die Leeseite der Stadt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt hauptsächlich von der Windrichtung abhängt. Wenn in einer bestimmten Nacht der nicht-städtische Punkt diesem Effekt ausgesetzt ist, wird der Unterschied zwischen diesem Punkt und dem Stadtzentrum abgeschwächt., Daher kann je nach Windrichtung der städtische Einfluss auf die Leeseite der Stadt den nichtstädtischen Punkt beeinflussen oder nicht.

Vereinfachung Lowry additive Schema (Lowry, 1977), Temperatur am städtischen Punkt gemessen ist eine Funktion des Klimas der Region, in der es sich befindet, sowie die Wirkung der lokalen geographischen Faktoren und Urbanisierung, während die Temperatur am nicht-städtischen Punkt des regionalen Klimas selbst und die Wirkung der lokalen geographischen Faktoren., Wenn die lokalen geografischen Faktoren an beiden Punkten ähnlich sind, drückt der Unterschied zwischen beiden Temperaturen die Wirkung der Stadt aus, die unser Ziel darstellt. Wenn wir einen korrekten und vergleichbaren Wert der UHI-Intensität angeben möchten, ist es wichtig, einen nichtstädtischen Punkt mit einer Höhe und Entfernung vom Meer oder von den vorhandenen Gewässern zu wählen, die mit denen des städtischen Punktes vergleichbar sind. Diese beiden geographischen Faktoren, Höhe und Entfernung vom Meer, sind entscheidend, während andere, wie Breitengrad, verursachen keine nennenswerten Unterschiede zwischen den beiden Punkten., Wenn der nicht-städtische Punkt beispielsweise höher liegt als der städtische, ist seine Durchschnittstemperatur merklich niedriger oder gelegentlich höher, wenn eine thermische Inversion auftritt. In jedem Fall würde der städtische Effekt bei der Berechnung der Temperaturdifferenz getarnt. Es ist daher notwendig, den Abstand der Höhenunterschiede zwischen den städtischen und nichtstädtischen Punkten festzulegen, um zu berücksichtigen, dass ihre Temperaturunterschiede nur den städtischen Effekt aufzeigen. Wenn der durchschnittliche vertikale Temperaturgradient berücksichtigt wird (0,65°C/100 m), verursachen 30,8 m eine Variation von 0.,2°C, was in der Größenordnung der Genauigkeit vieler Temperaturmessungen liegt. In der sehr gut dokumentierten Doktorarbeit von Siu (2011) weisen die schließlich ausgewählten Punkte einen Höhenunterschied von 27 m auf. Im Fall von Barcelona beträgt der Höhenunterschied zwischen den Kontrastpunkten etwa 20 m (Moreno-Garcia, 1994)., In Nächten mit intensiver thermischer Bodeninversion, die sehr oft mit synoptischen Situationen (antizyklonisch) in Verbindung gebracht werden, die zu intensiven Wärmeinseln führen, bilden 30 m einen Höhenkontrast, der erhebliche Temperaturunterschiede von mehreren Grad Celsius verursachen kann. In diesen Fällen würde ein nicht-städtischer Punkt in einer niedrigeren (höheren) Höhe den städtischen Effekt überschätzen (unterschätzen). Für diese Nächte würden Höhenunterschiede von nur 10 m eine nicht-städtische Verzerrung der berechneten Intensitäten der Wärmeinsel darstellen., Kurz gesagt, der Höhenunterschied zwischen den städtischen und nichtstädtischen Punkten sollte niemals 30 m überschreiten und, wenn möglich, weniger als 10 m betragen. Falls das letztere Kriterium nicht möglich war, muss die Intensität der Wärmeinsel, die in Nächten mit intensiver thermischer Inversion festgestellt wurde, korrigiert werden. Dies ist auch der Fall, wenn es unmöglich wäre, einen nichtstädtischen Punkt mit einem Höhenunterschied von 30 m oder weniger in Bezug auf den städtischen Punkt zu finden (z. B. in einer Stadt, die den Boden eines geschlossenen Tals vollständig einnimmt).,

Es ist eine bekannte Tatsache, dass Gewässer die Temperatur regulieren und tägliche und saisonale Temperaturunterschiede abschwächen, wie in den begrenzten täglichen und jährlichen Temperaturbereichen an Küsten und Inseln zu sehen ist. Aus diesem Grund ist es nicht empfehlenswert, einen nichtstädtischen Punkt zu wählen, der weiter von der Küste entfernt oder nahe an der Küste liegt als der städtische Punkt, aber dies erfordert weitere Diskussionen. Auch hier muss der maximal annehmbare Wert für diesen Unterschied in der Entfernung von der Küste angegeben werden., Nur sehr wenige Studien haben sich mit diesem Problem befasst, was kein einziges Ergebnis liefert, da der Einfluss der Entfernung vom Meer in einem Küstengebiet sehr stark und in einer Binnenumgebung, die weit von der Küste entfernt oder durch Reliefs von ihr getrennt ist, vernachlässigbar ist. Im letzteren Fall verursacht in einem großen Stadtgebiet im Landesinneren mit kontinentalem Klima selbst ein Abstand von mehreren zehn Kilometern zum Meer zwischen den städtischen und nichtstädtischen Punkten keine Temperaturunterschiede., Im Gegenteil, neben der Küste oder dem Rand eines großen Sees nimmt die Wirkung des Gewässers schnell ab, wenn man sich davon entfernt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Beziehung zwischen dem Einfluss der Entfernung vom Meer und der Temperatur nicht linear ist. In einer zum Meer offenen Umgebung wie den Ebenen von Valencia (Ostspanien) sinkt die jährliche durchschnittliche Mindesttemperatur mit Abstand zum Meer um etwa 0,16 °C/km; Im Januar beträgt diese Abweichung 0,23 °C/km und im Juli 0,11 °C/km, ungefähr (Ninyerola et al., 2005)., Wenn die Stadt an der Küste liegt, sollte sich die Entfernung der städtischen und nichtstädtischen Punkte vom Meer nicht um viel mehr als 800 m unterscheiden (im zitierten Fall und im Jahresdurchschnitt würde angesichts fehlender spezifischer Aufzeichnungen im Januar ein Unterschied von 0, 2 °C/km mit einem Unterschied zwischen den Entfernungen von 870 m auftreten). Wie im gegebenen Beispiel zu sehen ist, hängt der Faktor „Entfernung vom Meer“ von der Jahreszeit und auch vom Breitengrad ab, aufgrund des Einflusses der Wasser – und Lufttemperaturen und der Meeresströmungen, die ihre eigene thermische Anomalie besitzen.,

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend ist die Intensität der Wärmeinsel der einfachste und quantitativste Indikator für die thermische Veränderung, die die Stadt dem Gebiet auferlegt. Daher sind die wichtigsten Aspekte, die in dieser Definition berücksichtigt werden müssen, in erster Linie, dass zwei Punkte (städtisch und nicht-städtisch), die dem Schema von Stewart und Oke (2009) folgen, dh ein Punkt im Stadtzentrum und ein anderer mit weniger als 10% Bodenfläche, auch der Höhenunterschied zwischen den städtischen und nicht-städtischen Punkten sollte niemals 30 m überschreiten und, wenn möglich, weniger als 10 m betragen., Schließlich sollte die Nähe zu Gewässern in städtischen und nichtstädtischen Punkten ähnlich und idealerweise über 800 Meter sein.

Interessenkonflikterklärung

Die Autoren erklären, dass die Untersuchung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagung

Institut de l ‚ Aigua (Universität Barcelona, Spanien), Grup de Climatologia 2014SGR300 (katalanische Regierung).

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