Lämpösaarekeilmiön ymmärtäminen tukee kaupunkisuunnittelua

Kaupunkien keskustan lämpötila on yleensä korkeampi ympäröiviin maaseutualueisiin verrattuna. Tällä lämpösaarekkeella on sekä myönteisiä että kielteisiä vaikutuksia. Vielä ei tiedetä, tuleeko ilmiö voimistumaan vai heikkenemään ilmastonmuutoksen myötä.

Lämpösaareke syntyy vapautuvasta lämmöstä

Lämpösaarekkeeksi (urban heat island) kutsutaan ilmiötä, jossa kaupungin keskustassa on korkeampi lämpötila kuin ympäröivillä alueilla (kuva 1). Lämpösaareke syntyy rakennusten, liikenteen ja teollisuuden tuottamasta hukkalämmöstä sekä kaupungin rakenteisiin varastoituneen auringonsäteilyn vapautumisesta lämpönä. Viemäröinnin takia pienempi osa sadevedestä haihtuu vesihöyrynä ilmaan. Vesihöyry sitoo itseensä lämpöenergiaa, joten vähäisempi haihdunta kohottaa lämpötiloja kaupungissa. [1]

Kaupungin lämpösaarekkeen voimakkuuteen vaikuttavat kaupungin koko ja rakenne, asukastiheys sekä rakennusmateriaalit. Saareke on yleensä sitä voimakkaampi, mitä suuremmasta kaupungista on kyse ja mitä korkeampia rakennukset ovat suhteessa katujen leveyteen. Rakennusmateriaalit vaikuttavat auringonsäteilyn varastoitumiseen mutta myös kaupungin energiatehokkuuteen eli hukkalämmön määrään [1]. Lämpösaarekkeen voimakkuuteen vaikuttavat myös monet kaupungista itsestään riippumattomat seikat, kuten alueen pinnanmuodot ja sijainti suhteessa vesistöihin [2], [3]. Siksi samankokoisissa mutta erilaisissa ympäristöissä sijaitsevissa kaupungeissa havaitaan erilaisia lämpösaarekkeita.

Example image

Kuva 1. Kaavamainen kuva kaupungin lämpösaarekkeesta. Ilman lämpötila nousee asteittain ympäröiviltä maaseutualueilta kohti kaupungin ydinkeskustaa. Lämpötilan nousu ei välttämättä ole suoraviivainen kaupungin erilaisten rakennettujen alueiden ja virkistysalueiden takia. NOOAn 2006 kuvaa mukaillen, Achim Drebs. Kuvan saa suuremmaksi sitä klikkaamalla.

Lämpösaarekeilmiö vallitsee etenkin yöllä

Lämpötilaero kaupungin ja ympäröivän maaseudun välillä voi olla suurimmillaan yli 10 °C [4]. Lämpösaareke on yleensä voimakkaimmillaan öisin (kuva 2). Toisinaan kaupungin keskusta voi olla ympäristöään viileämpi, useimmiten päiväsaikaan [1]. Tällöin puhutaan kylmäsaarekkeesta (urban cold island). Suomen leveysasteilla kylmäsaarekeilmiö esiintyy pääasiassa kesällä, kun taas talvella kaupungin keskusta on useimmiten myös päivällä ympäristöään lämpimämpi [5], [6].

Lämpösaarekkeen voimakkuuteen vaikuttaa merkittävästi myös vallitseva säätila. Tyyni ja pilvetön sää kasvattaa lämpötilaeroja, tuulinen ja pilvinen sää taas tasoittaa niitä. Yleensä tuulen nopeuden vaikutus on pilvisyyttä merkittävämpi [1]. Kaupunkirakenteesta riippuen tuulen nopeus vaikuttaa myös lämpösaarekkeen alueellisiin ilmenemismuotoihin. Havaintojen mukaan tyynellä ja heikkotuulisella säällä kaupungin lähiöt voivat muodostaa omia erillisiä lämpösaarekkeitaan, kun taas tuulisella säällä lämpösaarekkeella on yksi selvä keskus, joka myötäilee kaupungin yleistä alueellista rakennetta [6].

Example image © Juuso Suomi, Turun yliopisto, Maantieteen ja geologian laitos

Kuva 2. Lämpösaarekkeen alueellinen ilmeneminen pistehavaintoina (°C) Turussa 16.5.2009 klo 01. Taustakarttana SLICES-maankäyttöluokitus. Kaupungin keskusta (tumma violetti) on lämpimämpi kuin ympäristö. Lähiöt muodostavat omat heikot lämpösaarekkeensa verrattuna viileämpiin, harvaan asuttuihin välialueisiin.

Ylimääräisestä lämmöstä voi olla sekä hyötyä että haittaa

Kaupungin lämpösaarekkeella on sekä myönteisiksi että haitallisiksi koettuja seurauksia. Lämpimässä ilmastossa kaupunkiin muodostuva lämpösaareke voimistaa kuumuuden aiheuttamia terveyshaittoja. Helleaaltojen aikaan kaupunkien korkeiden lämpötilojen on todettu jopa lisäävän kuolleisuutta erityisesti vanhusväestön keskuudessa. Euroopassa kesän 2003 helleaallon on laskettu aiheuttaneen noin 70 000 ennenaikaista kuolemantapausta, ja yksin Pariisissa 15 000 [7].Tyynellä ja heikkotuulisella säällä, jolloin voimakkaat lämpösaarekkeet ovat yleisiä, myös ilmanlaatu on usein huono, mikä lisää terveyshaittoja [8].

Suomessa kaupunkien korkeammat lämpötilat eivät juuri aiheuta terveysriskiä voimakkaimpia hellejaksoja lukuun ottamatta [9]. Pikkupakkasilla lämpösaareke voi lisätä sulamis-jäätymisvaihtelua. Vuoroittainen sulaminen ja jäätyminen altistavat rakenteita rapautumiselle ja vaikeuttaa tienpitoa. Toisaalta kaupungin lämpösaareketta voidaan talvisin pitää jopa hyödyllisenä ilmiönä muun muassa rakennusten vähäisemmän lämmitystarpeen takia. Ilmastonmuutoksen seurauksena korkeiden kesälämpötilojen aiheuttamat terveyshaitat tulevat todennäköisesti yleistymään myös viileässä ilmastossa [10].

Kaupunkisuunnittelulla voidaan vaikuttaa lämpösaarekeilmiön voimakkuuteen ja vaikutuksiin

Kaupunkisuunnittelussa lämpösaarekeilmiötä voidaan tarkastella sekä ilmastonmuutoksen hillinnän että muutokseen sopeutumisen näkökulmasta. Sekä kasvihuonekaasupäästöjä että lämpösaareketta voidaan vähentää sellaisilla kaavoituspäätöksillä ja rakennusteknologialla, joilla parannetaan energiatehokkuutta. [11], [12] Esimerkiksi rakennusmateriaaleiksi voidaan valita vähemmän lämpöä imeviä materiaaleja, rakennusten lämpövuotoja voidaan pienentää paremmilla eristeillä ja lisäksi rakennuksia voidaan viilentää käyttämällä energiatehokkaita menetelmiä.

Kaupungin toimintoja voidaan optimoida myös sopeutumisen näkökulmasta. Tieto kaupungin sisäisistä lämpötilaeroista mahdollistaa esimerkiksi tienpidon pienipiirteisen suunnittelun. Luistinratoja ja hiihtolatuja on mahdollisuuksien mukaan järkevä sijoittaa keskimääräistä kylmemmille alueille.

Kesäisten hellejaksojen aiheuttamia terveysriskejä puolestaan voidaan pyrkiä minimoimaan välttämällä sairaanhoidon ja vanhustenhuollon toimintojen sijoittamista lämpimille alueille. Samalla voidaan vähentää myös rakennusten jäähdytystarvetta. Viherrakentaminen ja läpäisevät pinnat lisäävät haihtuvan veden määrää, jolloin osa auringon energiasta sitoutuu latenttina eli piilevänä lämpönä vesihöyryyn lämpötilaa alentaen. Kostea ilma tosin voi tuntua kuivaa tukalammalta, vaikka sen lämpötila olisikin alhaisempi, joten viihtyvyyden ja terveyden perspektiivistä hyöty ei ole aivan yksiselitteinen [13], [12], [14].

Käytännössä kaupunkia ei juurikaan suunnitella ja kaavoiteta lämpötilaerojen näkökulmasta. Mahdollisuuksia rajoittavat tunnetusti monet reunaehdot, jotka menevät ilmastokysymysten edelle. Kaupunkien ikäkerroksellisuuden ja tilankäytön sekä erilaisten kulttuuriarvojen vuoksi on tarkkaan ja monitieteisesti harkittava, milloin on mielekästä muuttaa vanhoja rakenteita, milloin taas säilyttää niitä, vaikka sopeutumisen ja hillinnän osalta jouduttaisiin kompromisseihin.

Lämpösaareketta tutkitaan mittauksin ja mallintamalla

Lämpösaareketta mitataan tavallisesti kiinteällä lämpömittariverkostolla [15] tai esimerkiksi liikuteltavilla autoon tai polkupyörään kiinnitetyillä lämpötilatallentimilla [16]. Viime aikoina myös kaukokartoitusaineistoa, kuten satelliittikuvia, on alettu hyödyntää lämpösaareketutkimuksessa [17]. Lämpömittareilla mitataan tavallisesti ilman lämpötilaa muutamien metrien korkeudella, kaukokartoituksella puolestaan pintojen lämpötiloja. Tästä syystä havainnot eivät ole suoraan vertailukelpoisia keskenään.

Lämpötiloja voidaan myös mallintaa. Kun tunnetaan eri ympäristötekijöiden vaikutus lämpötiloihin, niiden perusteella voidaan ennustaa lämpötiloja myös havaintopisteiden välisille alueille.

Lämpösaarekeilmiö voi näkyä sellaisissa havaintopisteissä, joiden ympärillä kaupunkimainen maankäyttö on lisääntynyt havaintojakson aikana. Tämä joudutaan ottamaan huomioon arvioitaessa ilmaston yleistä lämpenemiskehitystä. [18], [19]

Ilmastonmuutoksen vaikutusta lämpösaarekeilmiöön ei vielä tunneta tarkasti

Ilmastonmuutoksen näkökulmasta kaupungin lämpösaareke on haastava tutkimuskohde. Tieteen piirissä ei vallitse yksimielisyyttä siitä, tuleeko saarekeilmiö voimistumaan vai heikkenemään ilmastonmuutoksen myötä [20], [21], [22]. Erään näkökulman mukaan talvinen lämpösaareke heikkenisi viileässä ilmastossa, koska korkeammat talvilämpötilat vähentävät lämmitystarvetta ja yhä energiatehokkaamman rakentamisen myötä rakennusten lämpövuodot pienenevät. Joka tapauksessa kaupunkien lämpötilat kohoavat ilmaston lämmetessä, vaikka ero ympäröivään alueeseen ei muuttuisikaan. Näin ollen kesäisistä hellejaksoista tulee yhä tukalampia. Kooltaan, rakenteeltaan, sijainniltaan ja ilmasto-oloiltaan erilaiset kaupungit tulevat reagoimaan eri tavoin.

 

18.11.2014 (Päivitetty. Artikkeli on tuotettu EAKR-osarahoitteisessa ILKKA-hankkeessa)

Lähteet

  1. Oke, T. R. 1987. Boundary Layer Climates, 2nd edition. Routledge, London. 435 p.
  2. Drebs, A. 2011 Helsingin lämpösaareke ajallisena ja paikallisena ilmiönä. Pro gradu-tutkielma, e-thesis. Helsingin yliopisto, Geotieteen ja maantieteen laitos, Helsinki, 79 s. http://hdl.handle.net/10138/29123
  3. Suomi J. & Käyhkö J. 2012. The impact of environmental factors on urban temperature variability in the coastal city of Turku, SW Finland. International Journal of Climatology. Volume 32, Issue 3: 451–463. http://dx.doi.org/10.1002/joc.2277
  4. Oke, T. R. 1973. City size and the urban heat island. Atmospheric Environment, Volume 7, Issue 8: 769–779. http://dx.doi.org/10.1016/0004-6981(73)90140-6
  5. Steinecke, K. 1999. Urban climatological studies in the Reykjavík subarctic environment, Iceland. Atmospheric Environment. Volume 33, Issues 24–25: 4157–4162. http://dx.doi.org/10.1016/S1352-2310(99)00158-2
  6. Kłysik, K. & Fortuniak, K. 1999. Temporal and spatial characteristics of the urban heat island of Łódź, Poland. Atmospheric Environment, Volume 33, Issues 24–25: 3885–3895. http://dx.doi.org/10.1016/S1352-2310(99)00131-4
  7. Keller, R. C. 2013. Place Matters: Mortality, Space, and Urban Form in the 2003 Paris Heat Wave Disaster. French Historical Studies, Volume 36, Number 2: 299–330. http://dx.doi.org/10.1215/00161071-1960682
  8. He, G.-X., Yu, C. W. F., Lu, C. & Deng, Q,-H. 2013. The Influence of Synoptic Pattern and Atmospheric Boundary Layer on PM10 and Urban Heat Island. Indoor and Built Environment. Volume 22, Issue 5: 796–807. http://dx.doi.org/10.1177/1420326X13503576
  9. Näyhä, S. 2007. Heat mortality in Finland in the 2000s. International Journal of Circumpolar Health. Volume 66, Issue 5: 418–424. http://www.circumpolarhealthjournal.net/index.php/ijch/article/view/18313
  10. Thorsson, S., Lindberg, F., Björklund, J., Holmer, B. & Rayner, D. 2011. Potential changes in outdoor thermal comfort conditions in Gothenburg, Sweden due to climate change: the influence of urban geometry. International Journal of Climatology. Volume 31, Issue 2: 324–335. http://dx.doi.org/10.1002/joc.2231
  11. Kleerekoper, L., van Esch, M. & Salcedo, T. B. 2012. How to make a city climate-proof, addressing the urban heat island effect. Resources, Conservation and Recycling, Volume 64: 30–38. http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2011.06.004
  12. Kolokotroni, M., Ren, X., Davies, M. & Mavrogianni, A. 2012. London’s urban heat island: Impact on current and Future energy consumption in office buildings. Energy and Buildings. Volume 47: 302-311. http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.12.019
  13. Saaroni, H. & Ziv, B. 2003. The impact of a small lake on heat stress in a Mediterranean urban park: the case of Tel Aviv, Israel. International Journal of Biometeorology, Volume 47, Issue 3: 156–165. http://dx.doi.org /10.1007/s00484-003-0161-7
  14. Gago, E.J., Roldan, J., Pacheco-Torres, R. & Ordóñez J. 2013. The city and urban heat islands: A review of strategies to mitigate adverse effects. Renewable and Sustainable Energy Reviews 25: 749-758. http://dx.doi.org/ 10.1016/j.rser.2013.05.057
  15. Suomi, J., Hjort, J. & Käyhkö, J. 2012. Effects of scale on modelling the urban heat island in Turku, SW Finland. Climate Research, Volume 55, Number 2: 121-136. http://dx.doi.org/10.3354/cr01123
  16. Drebs, A. 2012. Helsingin lämpösaareke ajallisena ja paikallisena ilmiönä. Ilmastokatsaus 7/2012: 4–5. http://ilmatieteenlaitos.fi/c/document_library/get_file?uuid=a0092199-86c9-4780-a70e-f2b00bbda54f&groupId=30106
  17. Weng, Q. 2009. Thermal infrared remote sensing for urban climate and environmental studies: Methods, applications, and trends. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Volume 64, Issue 4: 335–-344. http://dx.doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2009.03.007
  18. Magee, N., Curtis J. & Wendler, G. 1999. The urban heat island effect at Fairbanks, Alaska. Theoretical and applied climatology. Volume 64, Issue 1–2: 39–47. http://dx.doi.org/10.1007/s007040050109
  19. Tuomenvirta, H. 2004. Reliable estimation of climatic variations in Finland. Academic dissertation. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences, Helsinki. Finnish Meteorological Institute Contributions, No. 43 79 p. http://hdl.handle.net/10138/23161
  20. Wilby, R. L. 2003. Past and projected trends in London’s urban heat island. Weather. Volume 58, Issue 7: 251–260. http://dx.doi.org/10.1256/wea.183.02
  21. Wilby, R. L. 2007. A Review of Climate Change Impacts on the Built Environment. Built Environment, Volume 33, Number 1: 31–45. http://ugec.org/docs/ugec/other-conferences/wilby-paper.pdf
  22. Oleson K., Bonan G. B. & Feddema J., Jackson T. 2011. An examination of urban heat island characteristics in a global climate model. International Journal of Climatology, Volume 31, Issue 12: 1848–1865. http://dx.doi.org/10.1002/joc.2201

Tuottajatahot