Kees Floor, Zenit, september 2011.
In veel wereldsteden is het warmer dan in de directe omgeving. Vooral tijdens zomerse hittegolven kan het in de binnensteden onaangenaam heet worden en kunnen er slachtoffers vallen. Als door klimaatverandering de temperaturen oplopen en de hittegolven talrijker en intenser worden, nemen de risico's verder toe. Vandaar dat het onderzoek naar stadsklimaat de wind mee heeft.
 |
 |
|
|
Het verschil in temperatuur tussen de stad en het buitengebied werd voor het
eerst opgemerkt en beschreven door Luke Howard (1772-1864). Hoewel deze Engelse
apotheker vooral bekendheid geniet doordat hij de basis legde voor het huidige
systeem van wolkenclassificatie (Floor 2005), verrichtte hij ook jarenlang metingen
van de luchtdruk, temperatuur, vochtigheid, neerslag en verdamping in de stad
Londen en direct daarbuiten.
Na Howard bleef het geruime tijd stil. Pas in de jaren veertig van de vorige
eeuw werd het onderwerp weer opgepakt. In Nederland werd eind jaren zestig en
begin jaren zeventig voor het eerst gekeken naar het temperatuurverschil tussen
stad en buitengebied. Loek Conrads van de toenmalige Rijksuniversiteit Utrecht
voerde onder andere in de winter van 1970 een meetcampagne uit van drie maanden
in en rond de stad Utrecht. Hij vond dat de temperatuur in de stad meestal 1
of 2 graden warmer was dan daarbuiten; in een enkel geval kon het verschil oplopen
tot maar liefst 7 graden (Floor 1970).
Negatieve effecten
Ook in Nederland bleef het na het verschijnen van het eerste onderzoek van het
warmte-eiland van een stad lang stil. Pas in de laatste jaren staat het onderwerp
weer in de belangstelling. Wel is de aandacht verlegd van het winterseizoen
naar de zomer. Tijdens hittegolven in 2003 en 2006 was het in veel Nederlandse
en Belgische steden namelijk onaangenaam heet. In Nederland vielen er in 2006
1000 hitteslachtoffers; in België waren dat er 940. Daarmee kwamen deze
landen volgens gegevens van de Katholieke Universiteit Leuven terecht op een
vierde respectievelijk vijfde plaats van de wereldwijde Top 10 van natuurrampen
in 2006, gemeten naar aantallen slachtoffers. Als je het aantal inwoners van
een land mee weegt, zouden de Belgen zelfs bovenaan hebben gestaan.
De invloed van de hitte op de gezondheid beperkt zich niet tot hogere sterftecijfers.
Extreme hitte wordt door veel mensen als onaangenaam ervaren en kan leiden tot
ademhalingsmoeilijkheden, kramp en uitputting.
Er zijn ook andere negatieve effecten van het stedelijk warmte-eiland. Zo neemt
door gebruik van koeling het energieverbruik tijdens hittegolven sterk toe:
zo'n 2 tot 4 procent per graad dat het warmer wordt. De hitte drukt ook een
negatief stempel op de luchtkwaliteit. Als er meer energie wordt opgewekt, komen
er meer verontreinigingen en meer broeikasgassen in de atmosfeer terecht. Door
inwerking van zonlicht op de uitstoot van verkeer en industrie kan zich smog
vormen. Zo neemt in Los Angeles bij temperaturen boven 22 graden de kans op
smog toe met 5 procent per graad temperatuurstijging.
Ook de waterkwaliteit heeft te leiden van het warmte-eiland effect. Het regenwater
dat via het rioolstelsel wegstroomt naar sloten, vaarten en meren, is warmer
dan op het platteland. Dat kan problemen opleveren voor het leven in het water
en voor de koeling van installaties, voor zover die gebruik maken van oppervlaktewater.
De negatieve effecten doen zich vooral voor in de zomer. In de winter heeft
het warmte-eiland van een stad een gunstige uitwerking op de gezondheid, de
mortaliteit en het energieverbruik.
Resultaten van klimaatonderzoek wijzen in de richting van een toename van de
frequentie van hittegolven als de aarde verder opwarmt. Door het warmte-eilandeffect
zijn de gevolgen daarvan voor het leven in de stad het grootst. Reden genoeg
om meer te weten te willen komen over de temperaturen in de stad en om de mogelijkheden
te onderzoeken hoe met de hitte in de stad om te gaan. Onderzoeksprogramma's
naar klimaatveranderingen en de gevolgen daarvan bevatten daardoor veelal deelprojecten
waarin vooral het zomerse stadsklimaat verder wordt onderzocht.
 |
 |
|
|
Warmte-eiland
In veel steden en buitenwijken ligt de temperatuur hoger dan in de landelijke
omgeving eromheen (figuur 1). Voor een stad met een miljoen inwoners bedraagt
het temperatuurverschil gemiddeld over het jaar 1 tot 3 graden Celsius. Tijdens
kalme, heldere stralingsnachten kan het temperatuurverschil oplopen tot 10,
soms zelfs 12 graden. Ook kleinere steden vormen hun eigen warmte-eiland, al
zijn de effecten minder groot.
Bij het bestuderen van het warmte-eiland kun je letten op de luchttemperatuur
op leefniveau of op de temperatuur van het aardoppervlak, bestratingen, toppen
van bomen en daken van gebouwen. Het warmte-eilandeffect is in de oppervlaktetemperaturen
vrijwel altijd zichtbaar. De verschillen tussen stad en omgeving zijn overdag
het grootst; de verschillen bedragen dan 10 tot 15 graden. 's Nachts liggen
de temperaturen 5 tot 10 graden uiteen. Ook de tijd van het jaar is van invloed
doordat de instraling van de zon, de begroeiing en het weer veranderen met het
seizoen.
Het warmte-eilandeffect is minder uitgesproken in de luchttemperaturen op leefniveau.
Overdag is er vaak weinig of niets van terug te vinden. 's Nachts treedt het
verschijnsel duidelijker op, vooral kort voor zonsopkomst. Typische waarden
voor het temperatuurverschil binnen en buiten de stad bedragen dan 7 tot 12
graden. Het effect hangt weer af van de weersomstandigheden en het seizoen en
is het meest uitgesproken in de winter.
De temperaturen van het oppervlak en van de lucht op leefniveau staan overigens
niet los van elkaar. Zo is de oppervlaktetemperatuur in parken en andere begroeide
gebieden lager, wat ook leidt tot een lagere luchttemperatuur. Bestratingen
en daken van gebouwen warmen sterk op in de zon. Soms zijn ze wel 25 tot 50
graden warmer dan de lucht erboven, wat doorwerkt in de gemeten, relatief hoge
luchttemperaturen.
In figuur 2 worden de lucht- (gestippeld) en oppervlaktetemperaturen (getrokken
krommen) in en rond de stad met elkaar vergeleken voor de dagperiode (rood,
boven) en de nachtperiode (blauw, onder). De bovenste, rode, gestippelde kromme
laat zien dat het stadseffect in de luchttemperatuur overdag niet zo duidelijk
terug te vinden is; 's nachts is het echter overtuigend aanwezig. In de oppervlaktetemperaturen
(getrokken krommen) is het warmte-eiland onafgebroken aanwezig.
 |
 |
|
4. Meetbus waarmee in de winter van 1970 metingen werden verricht aan het warmte-eilandeffect van Utrecht. Foto: Utrechts Nieuwsblad. |
Vegetatie, asfalt en beton
Bij het ontstaan van het warmte-eiland spelen verschillen in begroeiing een
belangrijke rol. Het effect is daardoor het sterkst bij grote, compact gebouwde
steden in een bosrijke omgeving. Als de verschillen in begroeiing klein zijn,
zoals bij steden in een woestijn, waar de zandwoestijn even plaats moet maken
voor een steenwoestijn, is er van een stadseffect weinig te merken. Soms is
het in zo'n woestijnstad zelfs koeler, doordat er meer vegetatie in de stad
is dan daarbuiten.
In de meeste gevallen is het in een stad echter minder groen (figuur 3). De
bomen en struiken in het buitengebied geven schaduw, wat de temperatuur tempert.
Bovendien verdampen ze, net als de overige vegetatie, water; de daarvoor benodigde
energie onttrekken ze aan de lucht, die daardoor minder opwarmt. Het regenwater
wordt in de stad snel afgevoerd; daarbuiten blijft het langer beschikbaar zodat
de vegetatie daar langer door kan gaan met verdampen.
Beton, steen, het donkere asfalt en de eveneens vaak donker getinte materialen
voor dakbedekking absorberen meer zonne-energie, kaatsen minder zonlicht terug
en slaan meer zonnewarmte op dan de grond of de begroeiing van het landelijk
gebied; ook dat draagt bij aan het ontstaan van een warmte-eiland. Verder is
de geometrie van de stad van belang: hoe staan de gebouwen precies ten opzichte
van elkaar? Als de bebouwing de luchtstroming door de stad belemmert, kan de
wind de daar opgeslagen warmte niet afvoeren. Hoge gebouwen leveren enerzijds
schaduw, maar absorberen anderzijds meer zonlicht dat erop valt of tussen de
gebouwen in terecht komt. 's Nachts houden ze, zeker als ze als een kluitje
op elkaar staan, de warmte lang vast en stralen ze maar weinig energie uit naar
de wereldruimte.
Menselijke activiteit levert eveneens een bijdrage aan het warmte-eiland van
een stad. De warmte komt van de verwarming of koeling van huizen en andere gebouwen,
van het verkeer en van de industrie.
Meten
Het meten en vastleggen van het warmte-eiland van een stad gaat het gemakkelijkst
als men zijn aandacht richt op het temperatuurverschil tussen een meetstation
in de binnenstand en een ander waarneemstation in het buitengebied. Deze aanpak
werd destijds al door Howard toegepast met 'klassieke' thermometers en andere
meetinstrumenten. Weerwaarnemingen van locaties in een stad zijn echter slechts
beperkt beschikbaar. Meteorologische diensten hebben namelijk met elkaar afgesproken
de weerkundige waarnemingen die de basis vormen voor de weersverwachtingen,
zo veel mogelijk te verrichten in open terrein op het platteland. Zo kan men
de weerwaarnemingen beter met elkaar vergelijken.
Een andere aanpak om het warmte-eiland van een stad te bepalen, werkt met mobiele
meetstations die de stad doorkruisen op van te voren geplande tijdstippen. Zo
werd tijdens het onderzoek naar het Utrechtse stadsklimaat in de winter van
1970 een volkswagenbusje ingezet om in en rond de stad waarnemingen te verrichten
(figuur 4). De temperatuur werd gemeten met thermokoppels en vastgelegd op registratieapparatuur
in de bus. Recente metingen in Utrecht, Rotterdam en Arnhem van onderzoekers
van het KNMI en Wageningen Universiteit maken gebruik van een fiets of een bakfiets,
waarop de benodigde apparatuur is aangebracht (zie bijvoorbeeld Brandsma 2010
en Nijhuis en Streng 2011).
 |
 |
|
|
Satellietbeelden
Voor het vastleggen van oppervlaktetemperaturen maakt men gebruik van 'remote
sensing', het meten op afstand vanuit een vliegtuig of een satelliet. We geven
hier een aantal voorbeelden, ontleend aan meetgegevens van de Enhanced Thematic
Mapper Plus (ETM+) op de Amerikaanse satelliet Landsat 7. Op figuur 5 zien we
Atlanta, GA en omgeving op een warme nazomerdag in september. Het stadscentrum
bevindt zich ongeveer midden in beeld. Figuur 5a toont het gebied in natuurlijke
kleuren; het satellietbeeld is direct te vergelijken met een gewonen kleurenfoto.
Bomen en andere vormen van begroeiing zijn groen, wegen en bebouwing grijs en
kale grond bruin. Figuur 5b is het bijbehorende infraroodbeeld, waarop de temperatuurverdeling
over het gebied zichtbaar wordt. In deze afbeelding zijn hete gebieden rood,
terwijl koelere zones een gele tint hebben. Duidelijk is te zien dat het in
de gebieden met de meeste vegetatie (het donkerste groen in figuur 5a) het koelst
is (bleekste gele tinten in figuur 5b). Waar de bebouwing het dichtst is, bedraagt
de oppervlaktetemperatuur 30 graden.
Ook van andere Amerikaanse steden, zoals New York, NJ en Baltimore, MD, is Landsat-beeldmateriaal
van het warmte-eilandeffect beschikbaar. De kleurstelling van de infraroodbeelden
is anders: in de figuren is blauw warm en geel heet. Figuur 6a geeft de temperaturen
in New York op een hete augustusdag. De satelliet verzamelde ook gegevens over
de vegetatie; deze vormen de basis voor figuur 6b. In de beige getinte gebieden
is vrijwel geen groen; groen duidt op een rijke plantengroei. Duidelijk is te
zien dat de temperatuur in gebieden met veel groen lager ligt.
Figuur 7, eveneens gebaseerd op Landsat-data, illustreert het verband tussen
de temperatuur van het aardoppervlak en het landgebruik. De locatie is in dit
geval de Amerikaanse stad Baltimore, MD. Het landgebruik in en rond Baltimore
wordt getoond in figuur 7b. Gebieden met veel beton, asfalt en cement zijn rood,
terwijl in de lichtgrijze gebieden vegetatie overheerst. Ook hier leidt meer
groen tot aangenamer temperaturen.
|
Baltimore, MD, USA
|
|
 |
 |
|
|
Mitigatie
Om de hitte in de steden enigszins te temperen zijn diverse maatregelen mogelijk.
Ook die worden nu in het kader van onderzoeksprogramma's naar klimaatverandering
verder onderzocht. Het helpt om meer water en meer groen in de stad te brengen.
Dat kan onder andere gebeuren door daktuinen of groene daken aan te leggen.
Bij schuin aflopende daken kan men gebruik maken van beter reflecterende materialen,
zodat er minder zonnewarmte geabsorbeerd wordt. Ook bij bestratingen kan een
aangepaste materiaalkeuze soelaas geven. Bij de planning van stadsvernieuwing
of -uitbreiding kan men denken aan waterpartijen, schaduw en groen en voldoende
doorstroming van de lucht.
Literatuur:
Brandsma, Th., 2010: Warmte-eilandeffect van de stad Utrecht,
Zenit november 2010.
Floor, C., 1970: Onderzoek Utrechts stadsklimaat met weerbus, Hemel en Dampkring,
september 1970.
Floor, K., 2005: Wolkenindeling op z'n retour, Zenit mei 2005
Nijhuis, L en Streng, J., 2011: Hittestress in Rotterdam,
Kennis voor Klimaat Rapport KvK/039/2011.
Salcedo Rahola, B. et al., 2009: Heat in the city, Klimaat voor Ruimte
Rapport KvR013/2009.
