Wetenschap achter het stadsklimaat

Iedereen in de Benelux kan zich de hete en droge zomer van 2018 nog goed herinneren. Vooral voor de inwoners van de steden zullen de bijbehorende tropennachten als zeer vervelend zijn ervaren. Echter, met het oog op de groeiende stedelijke bevolking in zowel België als Nederland, zullen steden ook in de toekomst moeten kunnen dienen als een comfortabele leefomgeving.

Om dit te bewerkstelligen zal de invloed van steden op het klimaat aldaar eerst goed moeten worden begrepen. In vergelijking met rurale gebieden veroorzaakt de specifieke samenstelling van het landoppervlak namelijk een sterk afwijkende waarneming van het klimaat zoals dat in de stad wordt ervaren. Gastblog met dank aan Thomas Vermeulen.

Neerslag en wind rondom steden

In zowel België als Nederland is het weer deels afhankelijk van de afstand tot de kust. Wanneer er echter naar gemiddelden wordt gekeken, is de invloed van de stad óók merkbaar. Bij de gemiddelde jaarlijkse hoeveelheid neerslag in Nederland zijn bijvoorbeeld meerdere maxima te onderscheiden. Zowel de topografie (Utrechtse heuvelrug en Veluwe) als de locatie van de grote steden veroorzaken de grootste neerslagsommen. Bovendien is de invloed van stedelijke bebouwing ook terug te vinden in de gemiddelde maandelijkse windsnelheid van bijvoorbeeld januari. De laagste waarden worden dan uiteraard in de stedelijke gebieden teruggevonden. Ook boven bosrijke gebieden (Veluwe) wordt de windsnelheid gereduceerd. De invloed van de stedelijke omgeving op het klimaat is dus niet verwaarloosbaar en de bebouwing heeft dan ook invloed op enkele meteorologische processen.

De ruimtelijke verdeling van de neerslag in Nederland (in mm, links) en de maandgemiddelde windsnelheid voor januari in Nederland (in m/s, rechts) gemiddeld voor 1981-2010. (KNMI)

Stedelijk warmte-eiland

Met het stedelijk warmte-eiland, in het Engels ook wel ‘Urban Heat Island (UHI)’ genoemd, wordt het verwarmend effect van de bebouwing in de steden bedoeld. Zowel de absorptie van zonnestraling als de uitgaande langgolvige straling zorgen ervoor dat gebouwen een grote hoeveelheid warmte genereren. De efficiëntie van de steden om zonnestraling te absorberen is namelijk erg hoog vanwege de herhaalde reflecties tegen de gebouwen. Deze efficiëntie is deels afhankelijk van de verhouding tussen de hoogte van de gebouwen en de straatbreedte (aspect ratio). Wanneer deze verhouding hoog is, is het vanzelfsprekend dat het albedo laag is en er veel straling wordt geabsorbeerd.

Ook aerosolen spelen een rol bij het stadsklimaat. Het effect van aerosolen is het verstrooien en reflecteren van zonnestraling en vaak hebben deze verontreinigingen dan ook een afkoelend effect. Koolstofaerosolen absorberen daarentegen zonnestraling en hebben een opwarmend effect voor het aardoppervlak en de atmosfeer.

Afgifte warmte in steden

Hét probleem bij het UHI is dat de gegenereerde warmte vaak maar langzaam wordt afgegeven in de nacht. Dit komt onder andere door een kleine zogenaamde ‘sky view factor’, het gedeelte van de hemel wat direct zichtbaar is. De meestal lage ‘sky view factor’ in de steden heeft als gevolg dat er weinig langgolvige uitstraling plaatsvindt na zonsondergang. Tevens is overdag het albedo laag door de vaak complexe structuur van de gebouwen. Bovendien wordt er minder warmte afgevoerd via advectie, vanwege de grote oppervlakteruwheid van steden. Tenslotte zorgt het gebrek aan vegetatie ervoor dat zonlicht veelal voor opwarming wordt gebruikt en niet voor verdamping.

Een weergave van de processen van zowel generatie als afgifte van warmte in stedelijke gebieden. (Courtesy of J. Forkes, 2009)

Verloop van het stadseffect

Voor het platteland spreekt het voor zich: de grenslaag koelt snel af door de negatieve, netto straling aan het oppervlak. Doordat de temperatuur afneemt, neemt ook de langgolvige uitstraling af en dus wordt de afkoeling steeds minder sterk tot aan zonsopkomst. Na zonsopkomst zal de voelbare warmtestroom op gang komen met als gevolg een opwarming van de dan nog dunne grenslaag. Deze laag zal groeien en uiteindelijk wordt de maximumtemperatuur gehaald.

Voor de stad daarentegen zijn zowel afkoeling als opwarming minder extreem met als resultaat een subtieler verloop van de temperatuur. Een maatstaf voor het UHIE (Urban Heat Island Effect) is ∆T s – p (T stad -T platteland ). De beperkte uitstraling van stedelijke gebieden in vergelijking met rurale gebieden heeft als gevolg dat het maximum van het UHIE dus plaatsvindt ná zonsondergang.

Theoretisch verloop van respectievelijk de temperatuur, verhouding tussen opwarming en afkoeling en het UHIE voor zowel platteland als stad gedurende een ideale zomerdag (geen wolken, weinig wind) voor een grote stad (vanaf 100000 inwoners) gelegen op gematigde breedte. De letters ‘u’ en ‘r’ staan voor respectievelijk ‘urban’ en ‘rural’. (Oke, 1982)

Urban Boundary Layer (UBL)

Het stadseffect valt ook op wanneer er naar verticale temperatuurprofielen van een bepaalde stedelijke omgeving wordt gekeken. De UBL is het deel van de grenslaag dat wordt beïnvloed door stedelijke gebieden in de buurt. Na zonsopkomst warmt de atmosfeer op en zal de UBL in hoogte toenemen, afhankelijk van de stabiliteit van de lucht en de sensibele warmtestroom. Tot dan toe is de invloed van de stad alleen merkbaar door een kleine verhoging van de atmosferische menglaag.

Deze invloed zal zich met de wind mee nog over een bepaalde afstand uitstrekken als een soort pluim. Vanwege het UHIE is de afkoeling in de stad ’s nachts beperkt en blijft de menglaag aan de oppervlakte behouden. Op het platteland ontstaat er door de sterke afkoeling daarentegen een stralingsinversie. Op enige hoogte wordt er bovendien weer een warme pluim gevormd. Het profiel van het UHIE laat zien dat dit effect afneemt met de hoogte. Op een bepaalde hoogte kan dit effect zelfs negatief worden, dit wordt het ‘cross-over effect’ genoemd.

Schematische weergave van de verticale structuur van de UBL (overdag en ’s nachts) met behulp van profielen van de potentiële temperatuur (Θ). Verder is ook de hoogte van de menglaag weergegeven boven stad en platteland. In de laatste afbeelding zijn de temperatuurprofielen weergegeven boven stad en platteland en het UHIE in de stad, beide ’s nachts. De letters ‘u’ en ‘r’ staan wederom voor respectievelijk ‘urban’ en ‘rural’. (Oke, 1982)

Om de alsmaar groeiende steden in de toekomst ook als plezierige woonomgeving te behouden, zou het zeker geen verkeerd plan zijn om maatregelen te nemen tegen het stadsklimaat. Een belangrijke stap is het creëren van meer vegetatie (groene daken) voor zowel verkoeling als betere waterafvoer bij hoosbuien. Bovendien kunnen bouwkundige oplossingen, zoals het verhogen van de reflectie van zonnestraling in steden, ook helpen. Tenslotte kunnen oppervlaktewateren naast een recreatieve functie ook een verkoelend effect hebben. De tijd zal het leren.


Lees ook eens: