Magdalena Kuchcik
Autorka ze stacjami meteorologicznymi gotowymi do montażu w parkach
W roku 2023 w miastach żyło 57,5% populacji globu (w Polsce było to 59,6%). Szacuje się, że do 2030 r. udział ten ma wzrosnąć do 60%, zatem nie dziwi fakt, że liczba badań i artykułów naukowych związanych z klimatem miasta, ale też ogólne zainteresowanie społeczne tym tematem stale rośnie.
Jedna z pierwszych wzmianek na temat cechy klimatu miasta, zanieczyszczenia powietrza, pochodzi z zapisków rzymskiego filozofa Seneki, który w 61 roku n.e. opisywał „ciężkie, cuchnące dymem z kominów” powietrze Rzymu. W początkach XII w. w niektórych miastach angielskich powietrze określano jako „nieznośne”, już w XIII w. zakazano używania węgla do opału w Londynie, oczywiście następnie powszechnie łamanego. Rewolucja przemysłowa przyniosła wzrost zanieczyszczenia powietrza do zagrażających życiu poziomów. Jednak dopiero przypadki pojawienia się smogu w dolinie Mozy w Belgii w 1930 r., w Donorze w Pensylwanii w 1948 r. czy najtragiczniejszy epizod w Londynie, kiedy to w dniach 4-8 grudnia 1952 r. na ostrą niewydolność oddechową i inne choroby układu oddechowego zmarło 4000 ludzi, spowodowały uchwalenie ustaw dotyczących czystości powietrza i zasadniczych zmian w systemie ogrzewania domów.
Skonstruowanie pierwszych przyrządów meteorologicznych w XVII wieku zapoczątkowało pomiary elementów pogody. Te nieregularne i w pojedynczych miejscach prowadzone przez pasjonatów nauki z czasem łączono w sieci pomiarowe. Od końca XVIII w. w większości dużych ośrodków uniwersyteckich działały zestandaryzowane stacje meteorologiczne, co umożliwiło porównywanie klimatu różnych miejsc. O ile wzmianki o skrajnych warunkach atmosferycznych znajdują się na marginesach średniowiecznych kronik, o tyle za początek badań klimatu miasta przyjmuje się książkę Klimat Londynu Luke’a Howarda z 1833 r., który opisał wyższą o 0,9°C temperaturę powietrza w centrum miasta w stosunku do obszarów peryferyjnych i słusznie wskazał kilka przyczyn tego zjawiska: gęstą zabudowę, duże nagromadzenie ludzi i palenisk w centrum. Od tego czasu klimat miasta zaczął być kojarzony nie tylko z zanieczyszczeniem powietrza, ale też z wyższą jego temperaturą.
Klimat miejsca to typowe dla danego miejsca wartości i przebiegi roczne podstawowych elementów meteorologicznych, w tym zwłaszcza: promieniowania słonecznego, temperatury powietrza i opadów atmosferycznych. Wynika głównie z położenia miejsca na danej szerokości geograficznej (kąt padania promieni słonecznych determinuje ilość energii docierającej do Ziemi i temperaturę powietrza), odległości od mórz i oceanów, wysokości nad poziomem morza. Czynniki cyrkulacyjne (czyli napływ mas powietrza o różnych cechach) determinują rozkład elementów pogody (nasłonecznienie, temperatura, opady atmosferyczne). Z kolei czynniki lokalne (tj. struktura i cechy fizyczne podłoża atmosfery) decydują o tym, jakie są cechy klimatu danego miejsca (inne na obszarach trawiastych, leśnych, miejskich, przemysłowych, rolniczych).
Średnia (UHIavg) intensywność miejskiej wyspy ciepła w Warszawie, 2009-2018. Źródło: https://doi.org/10.1016/j.uclim.2024.101901
I tak klimat miasta powstaje wskutek nakładania się na siebie wielu czynników:
– materiałów, z których zbudowane jest miasto (budynki oraz nawierzchnie), zwykle charakteryzujących się dużą zdolnością pochłaniania promieni słonecznych. Nagrzane w dzień powierzchnie wypromieniowują ciepło w nocy, a to spowalnia ochładzanie powietrza;
– dużego udziału powierzchni nieprzepuszczalnych, z których woda szybko odpływa do kanalizacji, co powoduje spadek wilgotności powietrza i wzrost temperatury;
– „geometrii miasta”, w tym znacznego zagęszczenia powierzchni pionowych różnej wysokości budynków, co sprzyja wielokrotnemu odbiciu promieniowania słonecznego i zwiększeniu pochłaniania energii cieplnej, a także przyczynia się do zmiany kierunku i prędkości wiatru;
– ciepła wytwarzanego w elektrociepłowniach, systemach grzewczych i chłodzących emitowanego przez pojazdy, produkcję przemysłową oraz samych ludzi;
– zanieczyszczenia powietrza, które ogranicza dopływ promieni słonecznych, ale też spowalnia wypromieniowanie zakumulowanego ciepła.
W efekcie w mieście mamy do czynienia ze znacznie wyższą niż poza miastem temperaturą powietrza, zjawiskiem znanym jako miejska wyspa ciepła (ang. UHI – urban heat island), której nasilenie jest proporcjonalne do intensywności zabudowy. Wyspa ciepła nie stanowi jednolitego obszaru, a raczej liczne ciepłe obszary przedzielone terenami chłodniejszymi. Występuje głównie nocą i wcześnie rano, a zanika w ciągu dnia, kiedy nasłonecznione tereny wokół miasta są cieplejsze niż ocienione kaniony uliczne. Najsilniejsza jest w czasie bezwietrznych, bezchmurnych nocy. Z danych sieci monitoringu warunków termicznych aglomeracji Warszawy prowadzonej od 2001 r. przez Zakład Badań Klimatu IGiPZ PAN wynika, że średnie natężenie UHI w ścisłym centrum miasta wynosi 3,6°C, a aż 34,5% powierzchni miasta cechuje UHI o natężeniu 2,0-3,0°C.
Klimat miasta to także wyższe zachmurzenie, będące konsekwencją zwiększonego zapylenia, mniejszy dopływ bezpośredniego promieniowania słonecznego (zwłaszcza zimą w okresie wzrostu zapylenia powietrza), mniejsza prędkość wiatru i mniejsza wilgotność powietrza, która jest skutkiem szybkiego odpływu wody opadowej do kanalizacji (a przez to mniej intensywnego parowania). Proces urbanizacji, zagęszczanie zabudowy i eliminacja terenów zieleni w mieście prowadzą do wzrostu intensywności UHI i coraz częściej notowanych gorących nocy, które latem zwiększają obciążenia cieplne organizmu oraz uniemożliwiają efektywny nocny odpoczynek. Powodują także wzrost ryzyka udaru cieplnego, zaostrzenie przewlekłych chorób układu oddechowego i krążenia, prowadzą do wzrostu umieralności, głównie wśród osób starszych.
Pomiary zróżnicowania klimatu wewnątrz parku i warunków odczuwalnych (w Łazienkach)
Od początku interesowała mnie klimatologia stosowana, a szczególnie wpływ pogody na człowieka. Pracę magisterską pisałam na temat wpływu warunków atmosferycznych na wypadki drogowe. Rozprawa doktorska dotyczyła wpływu warunków aerosanitarnych i biometeorologicznych na zgony mieszkańców Warszawy, a zawierała w sobie wiele aspektów meteorologicznych, tj. wpływ termicznych warstw inwersyjnych ma stężenie zanieczyszczeń powietrza przy powierzchni ziemi czy dokładną analizę biosynoptyczną pogody w latach 1994-1995 w Warszawie. W pracy doktorskiej jako pierwsza osoba w Polsce analizowałam wpływ fal upałów na zgony. Rozprawa habilitacyjna z kolei oceniała zmiany termiczne na przełomie wieków XX i XXI w ośmiu miastach Polski oraz wpływ skrajnych warunków termicznych na umieralność. Na podstawie dobowych danych z lat 1975-2014 obliczony został m.in. wzrost o 27% umieralności ogólnej w falach upałów w stosunku do okresu bez fali, w tym 36% wzrostu wśród kobiet i 18% wśród mężczyzn, wzrastającego w grupie osób powyżej 65 roku życia (Kuchcik M., 2017, Warunki termiczne w Polsce na przełomie XX i XXI wieku i ich wpływ na umieralność, „Prace Geograficzne”, 263, Warszawa). Ale w tych badaniach miasta wciąż ogrywały rolę drugoplanową.
Jeszcze przed ukończeniem studiów doktoranckich rozpoczęłam pracę w Zakładzie Klimatologii IGiPZ PAN i zostałam zaangażowana m.in. w prowadzone wtedy przez prof. Krzysztofa Błażejczyka badania klimatu miasta, głównie Warszawy, ale też mniejszych miast uzdrowiskowych. Zatem od samego początku zaznaczyły się w ten sposób dwa główne nurty badawcze, którym się poświęciłam: biometeorologia i klimat miasta. Tematy te splatają się w postaci analiz wpływu różnych elementów klimatu miasta na jakość życia i zdrowie jego mieszkańców.
Wraz z dr. Jarosławem Baranowskim rozpoczęliśmy poszerzanie założonej w 2001 r. przez prof. K. Błażejczyka sieci pomiarów termiczno-wilgotnościowych w Aglomeracji Warszawskiej z początkowych 10 stanowisk do 29 w 2018 r. A klimat miasta pomału w moich badaniach stawał na pierwszym planie.
Wyniki ze wspomnianej gęstej sieci pomiarów temperatury powietrza zostały wykorzystane m.in. w międzynarodowym projekcie „Wypracowanie i zastosowanie strategii adaptacyjnych i ograniczających oraz sposobów przeciwdziałania zjawisku miejskiej wyspy ciepła” w ramach programu Europa Środkowa oraz w projekcie NCN „Ocena wskaźnika terenów biologicznie czynnych jako standardu kształtowania struktury przestrzennej terenów mieszkaniowych”.
W ramach obu projektów prowadziliśmy pomiary w różnych typach klimatu lokalnego w mieście, także w osiedlach z różnym udziałem zieleni, w różnym wieku i o różnym pokryciu koronami drzew. Poznaliśmy lepiej oddziaływanie obszarów zieleni na temperaturę powietrza. Z danych pochodzących z sieci monitoringu IGiPZ PAN wynika, że średnie natężenie UHI w typie zagospodarowania oznaczonym jako urządzona zieleń miejska (parki, ogrody działkowe, cmentarze) w Warszawie wynosi 1,2°C, podczas gdy średnie UHI w gęstej zabudowie wielorodzinnej 2,6°C (Kuchcik i in. 2024, Urban heat island in Warsaw (Poland): Current development and projections for 2050, „Urban Climate”, 55, 101901). W tym miejscu chcę także przywołać monografię i zachęcić zainteresowanego czytelnika do wyszukania innych publikacji naszego zespołu (Błażejczyk i in., 2014, Miejska wyspa ciepła w Warszawie. Uwarunkowania klimatyczne i urbanistyczne, Wyd. Sedno, Warszawa).
Rzadka, tym samym warta wspomnienia, jest analiza potencjału alergizującego roślin, jaką prowadziliśmy na dwóch osiedlach warszawskich, gdzie okazało się, że wiele roślin o najsilniejszym potencjale alergizującym (szczególnie brzoza) sadzonych jest wokół placów zabaw czy przedszkoli. Zatem w strategiach łagodzenia zjawiska miejskiej wyspy ciepła konieczne jest nie tylko dbanie o jak największy udział terenów zieleni, ale także odpowiedni dobór szaty roślinnej. Konieczne są rozważne nasadzenia roślin niepowodujących nasilenia alergii powietrznopochodnych, zwłaszcza że podwyższona temperatura powietrza w mieście sprzyja wzrostowi potencjału alergizującego roślin, a zanieczyszczenie powietrza dodatkowo ułatwia penetrację alergenów do dróg oddechowych i nasila reakcję alergiczną (Kuchcik i in. 2016, Two faces to the greenery on housing estates–mitigating climate but aggravating allergy. A Warsaw case study, Urban Forestry & Urban Greening, 16, 170-181).
Znaczenie parków w miastach rośnie zwłaszcza w kontekście bezdyskusyjnego wzrostu temperatury powietrza w Polsce, częstości fal upałów i nocy tropikalnych, i wzrostu obciążenia termicznego mieszkańców. Dojrzewał pomysł projektu łączącego klimat terenów zieleni i człowieka.
Parki, a w szczególności zadrzewione ich części, są oazą chłodu i wilgoci, a ich rola w kształtowaniu i łagodzeniu klimatu miasta wzrasta w okresie wegetacyjnym, szczególnie w czasie coraz gorętszych okresów letnich. Najczęściej do badania efektu chłodzącego parków i jego zasięgu wykorzystywane są dane o temperaturze powierzchni pochodzące z termalnych obrazów satelitarnych. Nieliczne analizy były prowadzone na podstawie pomiarów terenowych temperatury powietrza lub temperatury odczuwalnej. W badaniach tych analizowano zazwyczaj jeden duży park lub kilka mniejszych, a pomiary trwały zaledwie od kilku dni do 2-3 miesięcy i nie dawały podstaw do wyciągania szerszych wniosków.
Razem z zespołem zadaliśmy sobie wiele pytań, m.in.: Czy i w jakim stopniu klimat parków różni się w zależności od ich wielkości, charakteru, składu gatunkowego, wielkości warstwy koron drzew itp.? Jak duże jest zróżnicowanie mikroklimatu wewnątrz parków? Jak daleko sięga efekt chłodzenia terenów zielonych w tereny zabudowane? Jaki jest związek temperatury powietrza i gleby z temperaturą powierzchni ziemi w różnych warunkach/porach roku wilgotnościowych? W jaki sposób kształtuje się stres termiczny związany z ciepłem i zimnem w parkach? I wiele innych.
Zbudowaliśmy międzydyscyplinarny zespół (złożony z klimatologów, specjalisty od GIS i teledetekcji, biologa, demografa, matematyka, statystyka) i złożyliśmy propozycję projektu, który zdobył finansowanie NCN w konkursie OPUS 21.
Wybraliśmy sześć różnych parków, albo raczej kompleksów parkowych, w Warszawie (od 3,5 ha do 80 ha) otoczonych zabudową o różnej intensywności, w których mogliśmy zamontować bezpiecznie na okres 24 miesięcy stacje meteorologiczne. Dwa parki położone są na prawym, niskim tarasie nadzalewowym Wisły (Park Skaryszewski oraz traktowany jako jeden kompleks Miejski Ogród Zoologiczny wraz z Parkiem Praskim), dwa kompleksy leżące na granicy wysoczyzny morenowej i niskiego lewego tarasu nadzalewowego i obejmujące Skarpę Warszawską (Łazienki Królewskie wraz z Ogrodem Botanicznym UW oraz Park Rzeźby w Królikarni wraz z Arkadią) oraz dwa mniejsze parki: nowo utworzony Przy Bażantarni na Ursynowie oraz najmniejszy Park Zasława Malickiego na Ochocie. Stacje meteorologiczne uzupełniliśmy rejestratorami referencyjnymi i czujnikami glebowymi.
Dodatkowo od wiosny do jesieni prowadziliśmy krótkookresowe pomiary biometeorologiczne z wykorzystaniem termometru kulistego, co pozwoliło wyznaczyć średnią temperaturę promieniowania oraz badania ankietowe odczuć cieplnych wśród osób odwiedzających parki – przeprowadziliśmy blisko 2900 takich rozmów. Te jednodniowe kampanie pomiarowe umożliwią ocenę zróżnicowania bioklimatu wewnątrz parków i określenie związku między subiektywnymi odczuciami cieplnymi a wartościami wskaźników biometeorologicznych. Pomogą wskazać części parków uznawanych przez odwiedzających za najbardziej sprzyjające odpoczynkowi. Pomiary temperatury gleby w parkach i ich otoczeniu, w powiązaniu z temperaturą powierzchni (z obrazów termalnych Landsat 8 OLI/TIRS), umożliwią lepsze opracowanie zasięgu ochładzającego oddziaływania parków. Wpływ parków na redukcję negatywnych skutków zdrowotnych opracowany zostanie na podstawie poznanego zasięgu chłodzenia parków oraz danych z Narodowych Spisów Powszechnych (2011, 2021) z 1600 obwodów spisowych w Warszawie w podziale na płeć i kategorie wiekowe. Prognoza oddziaływania warszawskich parków na klimat w ich otoczeniu wykonana zostanie dla dwóch scenariuszy zmian klimatu – RCP4.5 i RCP8.5. Uzyskane wyniki podlegać będą analizie statystycznej, z wykorzystaniem m.in. uogólnionych modeli addytywnych (GAM), natomiast mapy wykonane zostaną z wykorzystaniem technik GIS w programie ArcGIS.
Wyniki projektu CLIMPARK dostarczą nowej wiedzy o skali oddziaływania parków na klimat miasta w strefie klimatu umiarkowanego oraz o zróżnicowaniu klimatu/bioklimatu wewnątrz parków. Badania mikroklimatu i warunków odczuwalnych na taką skalę, w tym badania ankietowe odczuć cieplnych, są bardzo rzadko prowadzone. Pomiary temperatury gleby w różnych typach roślinności w miastach w powiązaniu z analizą obrazów termalnych będą pierwszymi tego typu w Polsce.
W 2024 r. zakończyliśmy pomiary, teraz nadszedł czas na ich opracowanie i stopniowe publikowanie wyników. Na razie przytoczyć mogę jedynie kilka wyników pierwszych ogólnych analiz: różnica temperatury powietrza między zacienionym miejscem w parku a pobliską intensywną zabudową sięgać może 8°C, a przez większą część roku temperatura minimalna jest zazwyczaj niższa w parku w porównaniu z sąsiadującym z nim terenem zabudowy, ale już temperatura maksymalna w parku bywa wyższa, zwłaszcza w półroczu chłodnym. Różnica wartości uniwersalnego wskaźnika obciążeń cieplnych w samym parku potrafi sięgać kilkunastu stopni, co oznacza że w jednym miejscu parku panują warunki termoneutralne, a w innej części człowiek będzie narażony na bardzo silny stres ciepła.
Wiążemy spore nadzieje z wynikami projektu CLIMPARK, które mogą stać się argumentem z jednej strony za pozostawieniem pewnych części parków takimi jakie są, z drugiej za zadbaniem czy celowym doświetleniem innych części. Z kolei opinie osób korzystających z parków przekazane zostaną do dzielnic i odpowiednich urzędników, co powinno być chociażby zauważone, o ile nie wzięte do serca, gdyż wiele uwag jest zasadnych i mądrych.
Głębsze zrozumienie efektu chłodzącego parków i odczuwanych tam warunków klimatycznych pomoże efektywniej włączyć tereny zieleni w plany adaptacji Warszawy do zmiany klimatu, czemu może pomóc owocna wieloletnia współpraca Zakładu z Urzędem m.st. Warszawy przy różnych projektach i opiniach.
Dr hab. Magdalena Kuchcik, Zakład Badań Klimatu Instytutu Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN w Warszawie
