+PUVKVWVKQPGPHÒTPCVWTIGQITCȧ
Examensarbete grundnivå )GQITCȧJR
Hur påverkas det lokala klimatet av en expanderande
urban miljö under framtida klimatförhållanden
Exempel Norrköpings stad
Robert Salmijärvi
))
Förord
Denna uppsats utgör Robert Salmijärvis examensarbete i Geografi på grundnivå vid Institutionen för naturgeografi, Stockholms universitet. Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng (ca 10 veckors heltidsstudier).
Handledare har varit Steffen Holzkämper, Institutionen för naturgeografi, Stockholms universitet. Examinator för examensarbetet har varit Margareta Hansson, Institutionen för naturgeografi, Stockholms universitet.
Författaren är ensam ansvarig för uppsatsens innehåll.
Stockholm, den 17 oktober 2017
Steffen Holzkämper Chefstudierektor
Abstract
Urban environments grow globally, and an increasing proportion of the world's population resides in urbanized areas. At the same time, the ongoing climate change has changed and will continue to change global temperature conditions, especially in the world's cities.
An urban heat island is an area in a city in which the temperature is higher than the surrounding countryside. The temperature difference between urban and rural areas is
generally greatest after sunset when the rural areas are cooled at a higher speed than the urban environment. The biggest deviation is thus generally observed at night during clear and calm weather conditions. The phenomenon is characterized by how structures in the city, inter alia, the geometry of the city and buildings, but also changes in the wind patterns affect the
climate locally.
Higher temperatures in the cities globally are of interest to study as it may adversely affect the growing number of people living in cities. As studies of the climate of the future indicate that heat waves will become more intense and elongated but also occur with an increased frequency, the risk of people suffering from heat related disorders will also increase, as the number of deaths associated with heat stress or similar health concerns correlates with an increase in temperature. Measures to cool the air in urban environments and reduce the intensity of urban warming can include implementing more green and blue structures in the urban environment, but also considering the types of building materials and color choices used in the city in order to try increasing the albedo value, and thus increase the reflection of incoming solar radiation.
As the temperature in the city of Norrköping, according to prevailing climate research, is expected to be higher in the future, it is of relevance, especially from a health perspective, to pay attention to and consider the issue of urban heat islands. Today, however, there is a lack of studies on urban heat islands in medium-sized Swedish cities, which are located in a region that may be affected by significantly more heat waves in the future, and a city size in which a large proportion of the Swedish population lives. On that basis, field measurements and analyzes in GIS have been conducted to try and visualize the urban heat island in Norrköping based on today's climate, but also from different future climate and urban development scenarios. There is today a visible urban heat island in Norrköping, based on field
measurements during five weeks in the spring of 2017. In addition, the urban heat island may increase in both size and intensity if the city develops and densifies in a manner that does not take into account the influence that different types of building structures have on the
temperature.
Keywords: urban climate, urban heat island, urban cold island, GIS, climate change, Norrköping
Sammanfattning
Urbana miljöer växer globalt och en allt större andel av jordens befolkning är bosatta i urbana miljöer. Samtidigt lever vi idag i en tid där pågående klimatförändringar har förändrat och kommer fortsätta att förändra temperaturförhållanden globalt, framförallt i världens städer.
En urban värmeö är ett område i en stad i vilken temperaturen är högre än omkringliggande landsbygd. Temperaturskillnaden mellan urbana områden i staden och rurala områden utanför staden är generellt som störst efter solnedgången då landsbygdsmiljön kyls av med en
hastighet som överstiger den i stadsmiljön. Störst avvikelse iakttas således generellt nattetid under moln- och vindfria förhållanden. Fenomenet karaktäriseras av att staden som struktur inverkar på klimatet lokalt. Med staden som struktur menas bland annat stadens och
byggnaders geometri, men även förändringar av vindens rörelsemönster och verkan i staden.
Vidare påverkar även en ökad absorption av solstrålning, till följd av multireflektion eller en hög andel hårdgjorda ytor, temperaturen i staden. Dessutom leder stadens struktur ofta till en minskning av sensibel värmeöverföring ut ur staden på grund av att byggnader, framförallt i en tät bebyggelse eller byggnadsstruktur, hindrar den långvågiga strålningen att fritt kunna stiga upp i atmosfären. Strålningen bibehålls på så sätt i staden. Valet av byggnadsmaterial i staden, som generellt innehar låga albedo, bidrar också till att energi från solstrålning lagras i staden under dagen och avges under natten, något som i sin tur bidrar till en uppvärmning i staden. I tillägg bidrar antropogena verksamheter i staden, såsom exempelvis uppvärmning av byggnader, spillvärme från desamma samt förbränning av fossila bränslen, till en
uppvärmning av luften i staden.
Allt högre temperaturer i världens städer är av intresse att studera då det kan påverka människorna som lever i städerna negativt. Då studier om framtidens klimat pekar på att värmeböljor kommer att bli mer intensiva och utdragna men också förekomma med en ökad frekvens, kommer också risken för att människor drabbas av värmerelaterade åkommor att öka, detta då antalet dödsfall kopplat till värmeslag, värmestress eller likartade hälsobesvär ökar i takt med temperaturen. Åtgärder för att kyla luften i urbana miljöer och minska intensiteten av den urbana värmeön kan bland annat vara att implementera fler grön- och blåstrukturer i stadsmiljön, men också överväga vilka typer av byggnadsmaterial och färgval som används i staden, för att försöka höja albedovärdet i staden och på så sätt öka
reflektionen av inkommande solstrålning.
Då temperaturen i staden Norrköping, enligt rådande klimatforskning, förväntas bli högre i framtiden är det av relevans, inte minst ur ett hälsoperspektiv, att uppmärksamma och beakta frågan. Idag finns det dock en brist på studier om urbana värmeöar i mellanstora svenska städer, som är lokaliserade i en region som kan komma att drabbas av betydligt fler
värmeböljor i framtiden, och en stadsstorlek där en stor andel av den svenska befolkningen bor. Med ovanstående som bakgrund har fältmätningar och analyser i GIS utförts för att undersöka den urbana värmeön i Norrköping utifrån dagens klimat men också utifrån olika framtida klimat- och stadssutvecklingsscenarier. Det finns idag en tydlig urban värmeö i Norrköping, utifrån fältmätningar under fem veckor under våren 2017, med en
temperaturskillnad på mellan 3,44 och 5,64 °C i de urbana miljöerna gentemot
referenslokalen i en rural miljö. Den urbana värmeön kan dessutom komma att öka dels i utbredning, dels i intensitet om staden utvecklas och förtätas på ett sätt där olika
byggnadsstrukturers inverkan på temperaturen inte tas i beaktning.
Nyckelord: stadsklimatologi, urban värmeö, urban köldö, GIS, klimatförändringar, Norrköping
Innehållsförteckning
1. Inledning
... 11.1 Syfte ... 2
1.2 Frågeställningar ... 3
2. Bakgrund och tidigare forskning
... 32.1 Klimatforskning ... 3
2.2 Urbana värmeöar ... 5
2.3 Den urbana värmeöns påverkan på människors hälsa ... 11
3. Studieområde
... 113.1 Studieområde och mätlokaler ... 11
3.2 Avgränsningar ... 16
4. Metod
... 164.1 Fältarbete och datainsamling ... 16
4.2 Efterarbete och analys i Excel och ArcMap ... 17
5. Resultat och analys
... 215.1 Genomsnittlig skillnad i temperatur och relativ luftfuktighet ... 21
5.2 Den befintliga värmeöintensiteten ... 24
5.2.1 Den befintliga värmeöintensiteten idag utifrån två scenarier av en expanderande urban miljö ... 26
5.3 En framtida värmeöintensitet utifrån två scenarier av en expanderande urban miljö .... 29
5.3.1 En framtida värmeöintensitet (utsläppsscenario RCP2,6) utifrån två scenarier av en expanderande urban miljö ... 29
5.3.2 En framtida värmeöintensitet (utsläppsscenario RCP4,5) utifrån två scenarier av en expanderande urban miljö ... 32
5.3.3 En framtida värmeöintensitet (utsläppsscenario RCP8,5) utifrån två scenarier av en expanderande urban miljö ... 35
6. Diskussion och slutsats
... 386.1 Diskussion ... 38
6.2 Metodkritik och felkällor ... 40
6.3 Förslag till åtgärder och framtida forskning ... 42
6.4 Slutsats ... 43
7. Referenser
... 44Bilagor
... 491
1. Inledning
Urbana miljöer växer globalt, dels i utbredning, dels i antal invånare. Idag beräknas 54 procent av världens befolkning vara bosatt i en urban miljö (UNPD, 2014). Till följd av att de urbana områdena växer, ökar också den antropogena närvaron i landskapet. Städerna breder ut sig på en större area, de förtätas och andelen hårdgjorda ytor ökar. I takt med att städer etableras och förändras på grund av antropogena aktiviteter, utvecklas även ett lokalt klimat i bebyggda områden. Det urbana klimatet är ett resultat av en mängd variabler.
Värmeböljan i Europa 2003 ledde till både hälsokriser och dödsfall i flera länder, och i kombination med torka till att skapa ett stort underskott på grödor (Statens folkhälsoinstitut, 2010). Över 15 000 människor dog i förtid av orsaker som kan kopplas till värmeböljan (Kovats
& Hajat, 2008). Den naturolyckan är bara en i raden av ett flertal långa och utdragna perioder av värme lokalt, regionalt och globalt som lett till värmerelaterade dödsfall (Mora et al., 2017).
Fenomenet urban värmeö har studerats under en lång tid. Redan vid 1700-talets slut undersökte Howard den urbana värmeön i London (Howard 1833). Därefter har fenomenet studerats i en rad olika städer. Däribland Montréal (Oke & East, 1971), Göteborg (Eliasson & Holmer, 1990), Tokyo (Saitoh, Shimada & Hoshi, 1996) och Utrecht (Brandsma & Wolters, 2012). I Montréal fann Oke & East (1971) temperaturskillnader mellan urbant och ruralt inom ett spann på 3-12 °C.
För studien gällande Göteborg av Eliasson och Holmer (1990) uppmättes en generell temperaturskillnad mellan stad och landsbygd på minst 2,5 °C. I studien rörande Tokyo av Saitoh, Shimada & Hoshi (1996) uppmättes en värmeöintensitet på 8,1 °C, medan Brandsma &
Wolters (2012) i sin studie av Utrechts urbana värmeö fann att när temperaturskillnaden mellan stad och landsbygd var som störst uppgick den till 5,2, 5,3 respektive 5,5 °C.
En tätort eller storstadsområdes struktur samt mänsklig verksamhet kan leda till att den urbana miljön är betydligt varmare än dess omgivande landsbygd, som tidigare beskrivits (Oke, 1987).
Detta är något som i tur påverkar människors hälsa och säkerhet då risken att drabbas av värmestress ökar. Framförallt utsatta är den sjuka och äldre andelen av befolkningen (Statens folkhälsoinstitut, 2010), men även barn och spädbarn är utsatta (Kovats & Hajat, 2008). I tillägg till klimatförändringarna påverkar således städers struktur en värmeböljas inverkan på
människors hälsa.
I takt med att tekniken utvecklas har framsteg även gjorts gällande metoder för att mäta och visualisera urbana värmeöar, och idag finns det utförliga modelleringar och uttömmande
beskrivningar av variabler som påverkar städers lokala klimat av bland annat Svensson, Eliasson
& Holmer (2002), Nakata-Osaki, Souza & Rodrigues (2015), Lindén, Fonti & Esper (2016) och Lima Alves & Lopes (2017).
Ett flertal metoder finns för att beräkna en urban värmeös intensitet. Den kan till exempel beräknas genom en jämförelse mellan ytnära lufttemperaturer i en rural och en urban lokal med data insamlad från stationära mätinstrument. Enligt Xu & Chen (2004) är användandet av metoden fjärranalys av satellitbilder fördelaktigt när en spatialt större stads värmeö ska beräknas och kartläggas (ibid.).
2
Det kräver emellertid molnfria dagar vid tillfället då satelliten passerar studieområdet, något som inte alltid är fallet. Metoden ger dock ett förhållandevis kostnadseffektivt alternativ där studier och jämförelser över tid går att genomföra. Metoden innebär en bearbetning av satellitbilder tagna av en satellit med termala band som mäter ytors temperatur, såsom exempelvis Landsat 7 eller Landsat 8.
Idag lever vi i en tid där pågående klimatförändringar har förändrat och kommer fortsätta att förändra temperaturförhållanden globalt (Kovats et al., 2014) (Mélières & Maréchal, 2015, 344- 347). I tillägg påverkar förändringarna intensiteten och varaktigheten av värmeböljor. Hur stora förändringarna blir beror på framtida utsläppsnivåer av växthusgaser (Mélières & Maréchal, 2015, 339-342).
SMHI (Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut) är det institut i Sverige som samlar in kontinuerliga data över väder och klimat i Sverige. Indikatorer över de senaste 150 åren visar på en ökning på omkring 1-2 °C av årsmedeltemperatur de senaste 25 åren gentemot
normalperioden 1961-1990 (Josefsson, 2017). De data som SMHI samlat in används även för att skapa nationella framtida scenarier utifrån IPCC:s (Intergovernmental Panel on Climate Change) globala klimatscenarier. Utifrån beräkningar och projiceringar som SMHI genomfört väntas en genomsnittlig ökning gällande årsmedeltemperaturen på 2-5 °C i södra Sverige fram till år 2100, jämfört med 1971-2000 baserat på nio klimatscenarier för utsläppsscenario RCP4,5 och RCP8,5 (SMHI, 2010-06-01a & SMHI, 2010-06-01b). Vidare visar modelleringar av Bergström et al.
(2001) att den årliga medeltemperaturen i Sverige förväntas öka med 2-3 °C (ibid.).
Sammantaget visar forskningen rörande klimat på att de pågående klimatförändringarna kan komma att ge ett varmare klimat i Sverige och att landet dessutom drabbas av värmeböljor i en ökande omfattning (Kovats et al., 2014).
1.1 Syfte
Det finns mycket forskning om ämnet urbana värmeöar, och exempel på det är studier
genomförda på så kallade ”megacities” (> 10 miljoner invånare) som Tokyo (Saitoh, Shimada &
Hoshi, 1996) och Beijing (Yang, Ren & Liu, 2013), större städer (~500 000 invånare) som Montréal (Oke & East, 1971) och Göteborg (Svensson, Eliasson & Holmer, 2002), men även mindre städer (~100 000 invånare) som Utrecht (Brandsma & Wolters, 2012) och Mainz (Lindén, Fonti & Esper, 2016). Idag finns det dock en brist på studier om urbana värmeöar i mellanstora svenska städer, som är lokaliserade i en region som kan komma att drabbas av betydligt fler värmeböljor i framtiden, och en stadsstorlek där en stor andel av den svenska befolkningen bor. Norrköping är därför ett bra exempel för att vidare studera fenomenet.
Målet med denna studie är således att ge en ökad förståelse och kunskap om det lokala klimatet i allmänhet och urbana värmeöar i synnerhet, och detta i en mellanstor svensk stad. Vidare syftar studien att modellera hur stadsklimatet förändras ur olika scenarier för stadsutveckling. Studien är tänkt att användas som ett initialt underlag vid planering av Norrköpings stadsutveckling och anpassningsarbete till framtida klimatförhållanden. I och med att det här är en pilotstudie krävs vidare forskning och datainsamling med större temporal upplösning för att säkerställa och validera resultatet.
3 1.2 Frågeställningar
För att undersöka det har jag valt att utgå ifrån följande frågeställningar:
x Hur påverkar stadens struktur och verksamheter det lokala klimatet i Norrköping?
x Hur ser den befintliga värmeöintensiteten ut i Norrköpings tätort under perioden 2017- 03-27 – 2017-04-30?
x Hur kan det lokala klimatet i Norrköpings stad komma att påverkas av en expanderande urban miljö i ett framtida klimat?
x Hur förändras värmeöintensiteten i staden med en förändrad stadsbyggnadsstruktur?
2. Bakgrund och tidigare forskning
2.1 Klimatforskning
Idag pågår frapperande och märkbara klimatförändringar runt om på jorden, hastiga förändringar som mänskligheten under modern tid inte har upplevt. De har förändrat och kommer fortsätta att förändra temperaturen men också intensiteten på värmeböljor globalt (Mélières & Maréchal, 2015, 344-347). Hur stora klimatförändringarna blir beror bland annat på hur utsläppsnivåer av växthusgaser kommer att förefalla i framtiden (Mélières & Maréchal, 2015, 339-342). Klart är att temperaturförhållandena kommer att förändras, något som i sin tur kommer att påverka den ekologiska och sociala sårbarheten, då klimatrelaterade riskfaktorer för naturolyckor i form av exempelvis värmeböljor och efterföljande värmestress regionalt men även globalt beräknas öka (Kovats et al., 2014). Med olika klimatscenarier som utgångspunkt prognostiseras olika framtida riskfaktorer gällande temperaturökningar, riskfaktorer som värmeböljor, intensiteten på dessa och hur de kommer att förändras i framtiden (Asp et al., 2015).
SMHI:s insamlade data ligger sedan som grund för att utforma nationella framtida scenarier utifrån IPCC:s globala klimatscenarier. SMHI beräknar sina klimatscenarier med hjälp av ett flertal olika klimatmodeller utifrån olika variabler och geografisk utbredning. I sin analys
använder de sig av en kombination av utsläpps- eller strålningsscenarier, globala klimatmodeller och regionala klimatmodeller. ”Representative Concentration Pathways” (RCP) eller
representativa koncentrationsutvecklingsbanor är benämningen på olika förlopp och förändringar som strålningsdrivningen kan tänkas ta utifrån halten av växthusgaser som finns i atmosfären (Figur 1).
Enligt Moss et al. (2010) bidrar en högre halt växthusgaser i atmosfären till en högre grad av strålningsdrivning och vidare till ett förändrat klimat. I denna studie används tre olika klimatscenarier; RCP8,5; RCP4,5; RCP2,6. Scenarierna är namngivna utifrån den ökning i strålningsdrivning som de väntas leda till fram till och med år 2100. Det vill säga att exempelvis scenario RCP8,5 leder till en ökning i strålningsdrivning med 8,5 W/m2, jämfört med vad förindustriella nivåer av växthusgaser beräknats ha påverkat strålningsdrivningen.
4
SMHI (2013-09-27) beskriver utsläppsscenario RCP8,5, alltså att pågående antropogena utsläpp av växthusgaser fortlöper i oförändrad takt, enligt följande:
x Att utsläppen av koldioxid är tre gånger dagens nivåer vid år 2100
x Att utsläppen av metan kraftigt ökar
x Att befolkningsökning på jorden fortsätter till omkring 12 miljarder, vilket i sin tur leder till ökade användning och påfrestning på marker till följd av ökad jordbruksproduktion
x Att en viss teknikutveckling för energieffektivitet långsamt fortskrider
x Att beroendet av fossila bränslen fortsätter att vara stort
x Att den globala klimatpolitiken inte förändras utifrån dagens läge
Vidare beskriver SMHI (2013-09-27) utsläppscenario RCP4,5 som ett scenario där en tydlig reduceringsstrategi och minskningsplan gällande utsläpp av växthusgaser implementeras. Det innebär i sin tur att ökningen av strålningsdrivningen planas ut och stannar innan år 2100 vid en ökning omkring 4,5 W/m², och för att det ska uppnås krävs det enligt SMHI:
x En robust och världsomfattande klimatpolitik
x Att våra utsläpp, av framförallt koldioxid, fortsätter att öka något men att nivåerna utjämnas och stannar vid omkring år 2040
x Att energiintensiteten minskas
x Att ett utbrett plantering- och återplanteringsprogram införs
x Att jordbruksproduktionen effektiviseras, mer skörd per arealenhet
x Att människors konsumtionsmönster förändras
x Att befolkningsökning på jorden stannar av vid omkring 9 miljarder
Det tredje utsläppsscenariot som behandlas i den här studien är RCP2,6, vilket är det scenariot av de tre som stämmer mest överens med förhoppningar i klimatavtalet som undertecknades i Paris 2015 (UNFCCC, 2015). Enligt SMHI (2013-09-27) krävs det, för att utsläppsscenario RCP2,6 ska inträffa, att en klimatpolitik av herkuliska mått tas i kraft. Den ska leda till att utsläppen av växthusgaser når sin topp år 2020. Vidare får det till följd att strålningsdrivningen når till en nivå omkring 2,6 W/m² år 2100. För att det utsläppsscenariot ska uppnås krävs det enligt SMHI:
x Att en än mer strikt, robust och världsomfattande klimatpolitik implementeras
x Att våra utsläpp, av framförallt koldioxid, fortsätter att öka något men att nivåerna utjämnas vid 2020, och därefter stannar av
x Att utsläppen av metan minskar med 40 procent.
x Att de totala utsläppen är negativa år 2100
x Att halten av koldioxid i atmosfären når klimax vid omkring år 2050, och att efterföljande tid präglas av en minskning till drygt 400 ppm år 2100
x Att energiintensiteten hålls på låga nivåer
x Att användandet av olja och andra fossila bränslen minskar
x Att det inte sker någon större förändring av arealen mark avsedd för bete
x Att det istället sker en ökning av arealen jordbruksmark med fokus på produktion av bioenergi.
x Att befolkningsökning på jorden stannar av vid omkring 9 miljarder
5
Figur 1. Tre exempel på möjliga RCP-scenarier för utsläpp av koldioxid, där utsläppen uttrycks i utsläpp av miljarder ton kol. (SMHI, 2013-09-27).
SMHI har genomfört en sammanställning av observationer rörande temperaturer över hela Sverige, men också med länsvisa klimatanalyser över hur temperaturen kan komma att te sig i framtiden. Dessa kartor presenteras som en bilaga (Bilaga A). Kartorna visar medelvärdet beräknat utifrån dygnsmedeltemperatur. Det är även siffrorna angående temperaturökningen i Bilaga A som använts i analysen av ett framtida klimat i denna studie.
2.2 Urbana värmeöar
Urbana värmeöar är ett fenomen som karaktäriseras av att staden som struktur inverkar på klimatet lokalt, vilket leder till att städer ofta är varmare än omgivande landsbygd. Med staden som struktur åsyftas bland annat stadens och byggnaders geometri, men även förändringar av vindens rörelsemönster och verkan i staden menar Oke (1987). Enligt Oke (1982) påverkar även en ökad absorption av solstrålning, till följd av multireflektion eller en hög andel hårdgjorda ytor, temperaturen i staden. De termala egenskaperna i staden förändras.
Dessutom leder stadens struktur ofta till en minskning av sensibel värmeöverföring ut ur staden på grund av att byggnader, framförallt i en tät bebyggelse eller byggnadsstruktur, hindrar den långvågiga strålningen att fritt kunna stiga upp i atmosfären. Strålningen bibehålls på så sätt i staden, i den urbana kanjonen (urban canyon) eller ytskiktet (ibid.).
Enligt Oke (1987) bidrar byggnationer och anläggandet av hårdgjorda, vattenavstötande och ogenomträngliga ytor likväl som utsläpp av värme från lokaler, fukt och luftföroreningar som kan härledas till mänskliga aktiviteter i staden till en värmeökning.
6
Värmeökningen i staden bibehålls sedan av den urbana strukturen som hindrar såväl luftutbyte som evaporation. Detta då höga byggnader dämpar hastigheten på vinden och vattenavstötande byggnadsmaterial, som är vanliga i dagens städer, bidrar till en avsaknad av vatten stadsmiljön.
Vattnet har en nedkylande effekt då det vid avdunstning leder till en energiöverföring, en energikrävande överföring, som kyler ner både ytan samt luften omkring den. Valet av byggnadsmaterial i staden, som generellt innehar låga albedo, bidrar vidare till att energi från solstrålning lagras i staden under dagen och avges under natten, något som i sin tur bidrar till en uppvärmning i staden. Oke (1987) menar också att förändringen i det lokala urbana klimatet, som alla dessa modifikationer leder till, tydligast identifieras i skillnader i ytnära
lufttemperaturer mellan olika lokaler (ibid.). Avvikelsen i lufttemperatur som bildas mellan den urbana staden och den omkringliggande rurala landsbygden, till följd av ovan nämnda variabler, benämns som en urban värmeö. Johnson et al. (1991) menar vidare att mellanlatitudinella värmeöar vanligtvis utvecklas efter solnedgången då landsbygdsmiljön kyls av med en hastighet som överstiger den i stadsmiljön. Störst avvikelse iakttas således generellt nattetid under moln- och vindfria förhållanden.
När Howard (1833) dokumenterade fenomenet, jämfördes de genomsnittliga skillnaderna i ytnära lufttemperaturer mellan olika lokaler i London och den omkringliggande landsbygden (Turban – Trural i °C). Vidare menar Howard (1833) att den urbana effekten är som störst vid låga temperaturer under vår och tidig sommar. Howard (1833) menar också att det finns fyra
kännetecken som bidrar till höga temperaturer i staden. Dessa är att solstrålningen obehindrat kan nå jordytan; att markytan är torr; att de två föregående överensstämmer med
sommarhalvåret; samt att den dominerande vindriktningen för tidpunkten är från syd, så att varm luft från Afrika och södra Asien kan transporteras till Europas nordligare delar (ibid.). Howards arbete lade i mångt och mycket grunden för nutida studier gällande urbana värmeöar.
Urbana värmeöar är ett fenomen som uppträder med snarlika egenskaper i städer runt om på jorden. Det finns en mängd tillvägagångssätt för att mäta dess påverkan på klimatet i stadsmiljön.
Till exempel kan stationära mätinstrument placeras ut vid olika lokaler. Ett annat alternativ kan vara en fordonsbunden datainsamling eller andra typer av mobila mätinstrument. Av vikt är dock att både rurala och urbana lokaler representeras så att insamlad temperaturdata kan jämföras emot varandra. Exempel på olika studier i ämnet finns över Beijing av Yang, Ren & Liu (2013), när strukturen och karaktären av den urbana värmeön i staden studerades. Det finns även
exempel på studier utförda i Sverige där Svensson, Eliasson & Holmer (2002) visualiserar en urban värmeö med hjälp av insamling av data från 31 utvalda lokaler i Göteborg. I tillägg menar Mirzaei & Haghighat (2010) att fältmätningar fungerar för att definiera den rumsliga
fördelningen av samt mäta intensiteten på en urban värmeö inuti en stad. Metoder som påminner om den Howard använde för cirka 200 år sedan används generellt än idag. Utifrån en
sammanställning av utförda studier rörande urbana värmeöar i Phoenix konkluderas det att mätning av ytnära lufttemperatur är det vanligaste tillvägagångssättet. I majoriteten av de 55 granskade studierna över staden har lufttemperaturen mätts ytnära och dessutom inom skiktet det urbana taket (urban canopy layer) (Chow, Brennan & Brazel, 2012).
7
Vidare har fenomenet urbana värmeöar studerats i olika former i en mängd städer världen över.
Till exempel i Montréal (Oke & East, 1971), Göteborg (Eliasson & Holmer, 1990), Tokyo (Saitoh, Shimada & Hoshi, 1996) och Utrecht (Brandsma & Wolters, 2012). I studien av Oke och East (1971) rörande Montréal noterades temperaturskillnader på mellan 3-12 °C vid jämförelser av urbana och rurala områden under två februaridagar 1970. Gällande studien i Göteborg av Eliasson & Holmer (1990) mättes en generell temperaturskillnad mellan stad och landsbygd på minst 2,5 °C. Vid vissa tillfällen uppvisades emellertid endast skillnader på mindre än 1 °C. Genom fältobservationer utförda under en vinternatt i Tokyo i studien av Saitoh,
Shimada & Hoshi (1996) uppmättes en värmeöintensitet på 8,1 °C. Vidare fann Brandsma &
Wolters (2012) i sin studie av Utrechts urbana värmeö att de maximala temperaturskillnaderna mellan stadens centrala delar och den omgivande landsbygden var mycket större än de
genomsnittliga skillnaderna i staden i övrigt. De tre dagarna där temperaturskillnaden var som störst, 13 och 15 mars 2007 och 15 februari 2008, uppmättes skillnader på 5,2, 5,3 respektive 5,5
°C.
Ett exempel på mer teknologiska mätinstrument och analysmetoder i ämnet urbana värmeöar är användandet av geografiska informationssystem (GIS) i analysarbetet. Svensson, Eliasson &
Holmer (2002) visar i sin studie att GIS kan användas vid analysarbetet, men också för att visualisera en urban värmeö med hjälp av insamling av data från utvalda lokaler i en stad.
Geografiska informationssystem kan i kombination med väl utformade mätdata ge en god grund till att kunna utarbeta en tillfredställande analys utifrån ett begränsat antal mätpunkter. Det ger möjligheten för kostnads- och tidseffektiva analyser av rummet som sådant. Bearbetning av mätdata med hjälp av geostatistiska metoder ger en möjlighet att kunna producera modeller med en rumslig kontinuitet i data i fall där data egentligen inte finns tillgänglig (Davis, 1986).
Det är matematiska och statistiska metoder som bygger på semivarians och tvärs-semivarians, och ämnet har utvecklats och behandlats av bland annat Isaaks & Srivastava (1989).
Utvecklingen av metoden har bland annat lett till en form av statistisk analys kallad kriging, vilken är en metod där den rumsliga skillnaden hos en faktor beaktas (Davis, 1986) (Isaaks &
Srivastava 1989). Enligt Westerberg et al. (2009) är ”ordinary kriging” att föredra framför andra typer av interpoleringsmetoder. Dels för att de ifyllda värdena kan bestämmas med en högre säkerhet, dels för att spridningen av de initiala mätvärdena tas i beaktning.
En stad med lång historia av studier i ämnet och dessutom över olika spatiotemporala skalor är Phoenix, Arizona i sydvästra USA (Chow, Brennan & Brazel, 2012). Studierna sträcker sig från början av 1900-talet och fram till idag, där de första undersökningarna genomfördes av Gordon (1921). Arbetet resulterade i en kartläggning av temperaturer i staden med omnejd (Figur 2).
Andra modernare exempel är studier av Brazel et al. (2007) och Keys, Wentz & Redman (2007).
Bägge studierna behandlar ämnet urbana värmeöar men där jämförelser utförs över tid. Centralt i studierna är dessutom markanvändning och hur ett skifte av markanvändning påverkar en urban värmeö. En förändring av befintlig ytnära energi på grund av en växande urban miljö, fler ytor med låg albedo samt en högre andel hårdgjorda ytor som är ogenomsläppligt för vatten har fått till följd att staden Phoenix generellt 7-11 °C varmare än omkringliggande rurala områden (Christopherson, 2014).
8
Tillgängligheten på utförliga mätdata från stationära mätstationer med en hög temporal
upplösning, såsom är fallet i Phoenix, möjliggör utförliga jämförelser av den urbana värmeöns intensitet och omfattning över tid.
Figur 2. Kartläggning av temperaturer i och omkring Phoenix, Arizona i sydvästra USA där temperaturskillnaderna är visualiserade med isotermer. (Gordon, 1921).
För att lättare förstå klimatet i och omkring stadsmiljön kan den delas in i olika skikt (Figur 3).
Det första och största av de olika skikten är enligt Deardorff (1972) det så kallade planetgränsskiktet (planetary boundary layer (PBL)) eller det atmosfäriska gränsskiktet (atmospheric boundary layer (ABL)). Det atmosfäriska gränsskiktet är en term inom
meteorologin som avser den nedre delen av atmosfären. Skiktets egenskaper, och processer där i, påverkas direkt av kontakten med markytan. Skiktet studeras i denna kontext på en mesoskala (ibid.).
Det urbana gränsskiktet (urban boundary layer (UBL)) däremot studeras på en lokal eller mesoskala. Enligt Oke (1976) består det skiktet utav den nedre delen av planetgränsskiktet som påverkas av att ett en stad är lokaliserad där. Det vill säga att stadsmiljöns existens inverkar på klimatet i nära anslutning till den, och det är denna del av planetgränsskiktet som räknas som det urbana gränsskiktet. Den nedre gränsen för skiktet avgränsas generellt från direkt ovanför de urbana elementen såsom byggnader, och den övre gränsen för skiktet markeras exempelvis av den övre gränsen av föroreningar från staden (ibid.).
Vidare menar Oke (1976) att det rumsligt minsta skiktet kan benämnas som det urbana taket (urban canopy layer (UCL)). I sammanhanget studeras skiktet på lokal- eller kvartersskala (mikroskala) och omfattas i huvudsak av luften mellan byggnader och andra urbana element.
Vidare påverkas klimatet i skiktet starkt av de lokala omgivningarna.
9
Exempelvis i områden med väldigt tät bebyggelse kan den övre gränsen, eller taket för skiktet, befinna sig vid eller strax under byggnadernas taknivå. En total avsaknad av skiktet kan däremot infinna sig om området består av större öppna ytor i en annars urban miljö. Tjockleken eller djupet av skiktet, i tillägg till egenskaperna i det, är således avhängigt av de urbana elementen, vilket material de är tillverkade av och vilken geometri de är uppförda i. Materialvalet samt geometrin i stadsmiljön brukar benämnas som de urbana elementens grovhet (roughness). Vidare kan skiktet och dess tjocklek vara en funktion av externa faktorer såsom vindhastighet. En hög vindhastighet möjliggör inflöde av ny luft ovanifrån, vilket i sin tur leder till att skiktet minskar i storlek. Om en dominerande vindriktning finns, kan det urbana gränsskiktet, alltså det lager med ett förändrat klimat, skjuvas med i vindriktningen. Det kan alltså skapas ett lager, med stadens klimatologiska egenskaper som är avskilt från markytan, ovanför rurala områden utanför stadens omfång. Det fenomenet benämns som en urban plym (urban plume) (ibid.).
Figur 3. En modell över hur klimatet och olika komponenter, i och omkring stadsmiljön, interagerar med varandra. Klimatet i staden är indelat i olika skikt. Modellen beskriver även hur stadsmiljön i samspel med miljösystemet bildar ett lokalt klimat på tre olika skalnivåer. Figuren är modifierad utifrån en figur
från Shepards (2005) publicerade artikel, där informationen är hämtad och modifierad från Oke (1976) och Oke (1987).
Enligt Oke (1987) är växande urbana miljöer, till följd av en ökad grad av urbanisering, en starkt bidragande orsak till en förändring dels av de atmosfäriska egenskaperna i en region, dels till en förändring av landskapets ytstruktur. Processer relaterade till urbanisering producerar således en omvandling av områdets termiska och aerodynamiska egenskaper likväl som förändringar rörande strålning, energibudget och fuktighet. Därigenom förändras strålningsbalansen och den hydrologiska cykeln i området. Det kan ta sig i uttryck på olika sätt. Exempelvis kan det ske genom en ökning av luftföroreningar i staden som i sin tur påverkar och förändrar
strålningsbalansen, men även skapar förutsättningar för ökad molnbildning. Ett annat exempel är att stadens kubformade struktur och geometri bidrar till en multipelreflektion av solinstrålning, och även i vissa fall en stagnation av luften i staden.
10
En ökad grad av urbanisering leder dessutom ofta till att andelen hårdgjorda ytor ökar.
Materialval i urbana miljöer består ofta av täta och ogenomsläppliga material, såsom betong och asfalt, vilket ökar stadens förmåga att lagra sensibel värme och dessutom gör den ”vattentät”
(ibid.).
Vidare menar Johnson et al. (1991) att en värmeös intensitet är som störst när förlusten av sensibel värme från stadsytor är minimal. Det inträffar framförallt under klara och lugna väderförhållanden, då strålningsvärmeförlusten i landsbygdsmiljöer är snabb och dessutom obehindrad av ett tjockt molntäcke. Ytterligare något som ökar intensiteten på den urbana värmeön är när frigörelsen av värme som lagrats i staden är långsam, alltså där den urbana strukturen och geometrin är som mest utpräglad (ibid.). Enligt Johnson et al. (1991) är exempel på det när andelen höga byggnader är hög i kombination med en tät formation samt mycket hårdgjorda ytor. En värmeö når vanligtvis sitt klimax i intensitet flera timmar efter
solnedgången.
Som motvikt till de oönskade effekterna av den urbana värmeön kan grönstrukturer, som träd och/eller andra typer av vegetation, utnyttjas i stadsmiljön då de har en dämpande effekt på temperaturen. Taha et al. (1988) påvisar att i områden eller ytor i en stadsmiljö där det finns frodig och lummig vegetation finns också en mindre utpräglad urban värmeö. Först och främst minskar exempelvis ett träd effekten av en värmeö genom att bidra med direkt skugga. Genom att bidra med skugga når en mindre del av solens strålar, och således mindre energi, markytan.
På så vis minskar absorptionen av solinstrålningen vid markytan, vilket resulterar i mindre uppvärmning. Att välja träd med generellt stora kronor och tjockt lövverk bidrar således till en lägre temperatur. Vidare lagrar träd och vegetation mindre värme jämfört med exempelvis betong och asfalt, och värmen returneras tillbaka upp i atmosfären snabbare än från hårdgjorda ytor. Dessutom bidrar vegetation till avkylning av sin omgivning genom evpotranspiration, vilken är en process som kyler växten och luften som omger den genom att växten förbrukar solenergi från luften. Det står i kontrast till den effekt som hårdgjorda och ogenomträngliga material i staden bidrar med, som inte behåller vatten för avdunstning. Tvärtom absorberar dessa material snabbt vatten och behåller värmen när de utsätts för solstrålning (ibid.).
Men också blåstrukturer i stadsmiljön, det vill säga ytor med vatten, bidrar till att minska effekten av den urbana värmeön. Enligt Hu, Su & Zhang (1988) absorberar vatten den omgivande värmen till följd av advektionen. Dessutom är blåstrukturers värmeabsorberande kapacitet större än hos andra ytor, exempelvis som sand i ökenområden. Att vatten har den egenskapen bidrar till att temperaturhöjningen då också är långsammare i nära anknytning till vatten än i omgivande miljöer. Andra parametrar som är av relevans rörande ämnet urbana värmeöar är kondensation och advektion. Det innebär att när vatten avdunstar eller transporteras genom atmosfären förbrukas värmeenergi. Det får till följd att luften i närheten värms upp i mindre omfattning på grund av att mindre energi finns tillgänglig (ibid.). Vidare menar Christopherson (2014) att just ökenområden har egenskaper som kan jämföras med en urban miljö. Bägge områdena präglas av hårda ytor som är ogenomsläppliga för vatten, vilket leder till en högre andel ytnära vattenavrinning och på så sätt mindre möjlighet för vatten att lagra energi (ibid.). Öppna dagvattensystem är således ett alternativ för att sänka temperaturen i städer.
11
En annan parameter som influerar temperaturen och energibudgeten i staden är enligt Taha (1997) färg och materialval. Stora delar av en stad kan utgöras av ytor med låg albedo, såsom asfaltsvägar och parkeringsplatser men också hustak. Dessa ytor bidrar till att
reflektionsförmågan minskar och att värme lagras i materialet. Ljusa byggnader och ytor med ett hög albedo, såsom ljusare vägytor eller aluminiumtak, bidrar till att hålla temperaturen i
stadsmiljön nere genom reflektion av kortvågig solstrålning, vilket i sin tur också minskar andelen långvågig strålning i staden (ibid.).
2.3 Den urbana värmeöns påverkan på människors hälsa
En ökad temperatur globalt (se rubrik 2.1), men ökningar framförallt inne i städer leder till oönskade efterverkningar. Påföljden blir att värmeböljor blir mer intensiva, mer utdragna, förekommer med en ökad frekvens samt att temperaturen når till nivåer som kan vara
hälsoskadliga. I och med den ökade risken bedrivs en hel del forskning i ämnet urbana värmeöar, men också på de risker och den påverkan som denna värmestress utsätter både människor och djur för. En ökning av extrema värmehändelser men också en generellt högre temperatur i städer är ett hot mot folkhälsan, detta då antalet dödsfall kopplat till värmeslag, värmestress eller likartade hälsobesvär ökar i takt med temperaturen (Kovats & Hajat, 2008) (Huang et al., 2011) (Oudin Åström, Forsberg & Rocklöv, 2011) (Mora et al., 2017). Vidare har forskning funnit att dödsfall på grund av hjärt- och kärlsjukdomar, strokeliknande åkommor samt olika former av andningsbesvär ökar vid en förhöjd temperatur och värmestress (Rey et al., 2007). Lin et al.
(2009) menar dessutom på att värmeböljor är associerat med en ökning av besök och intagningar på sjukhus för hjärt-, njur- och luftvägssjukdomar. Likt ovan nämnda studier har också Rocklöv
& Forsberg (2008) funnit att temperaturen inverkar på dödlighet då frågan studerades i Stockholm mellan åren 1998-2003, vilket är ett påvisande att värmerelaterade dödsfall även förekommer i ett svenskt klimat. De fann att med en tilltagande temperatur ökade
värmerelaterade dödsfall med 0,8-2,0 procent per °C när temperaturen steg över 12 °C. I tillägg fann även de att risken för att drabbas av hjärt- och kärlsjukdomar eller strokeliknande åkommor ökade vid stigande temperaturer och värmeböljor(ibid.).
3. Studieområde
3.1 Studieområde och mätlokaler
På Sveriges östkust, invid Östersjöns inlopp i form av bukten Bråviken, är staden Norrköping belägen (58°35′31″N 16°11′8″Ö) (Figur 4). Norr om staden har förkastningsrörelser skapat en bergås kring Kolmården som sluttar ner i Bråviken, och trakten präglas av barrskogar. Söder om förkastningen och staden breder Östgötaslätten ut sig, och området domineras av slätter och jordbruksmark (Bratt, Keljalic & Söderström, 2013). Stadens modernare historia kan
sammanfattas med en tid av blomstrande industri inom framförallt textil, som åtföljdes av en ekonomisk och industriell nedgång (Selivanova, 2017-05-22). Idag pågår en
återhämtningsprocess och en modern omvandling. Staden växer idag både till ytan och också invånarantal. År 2016 hade Norrköpings stad 95 618 invånare, vilket var en ökning med 1853 personer från föregående år och en ökning med 12 979 invånare från år 1990.
12
Landarealen för staden är idag beräknad till 36,68 km2, vilket är en ökning med 3,16 km2 från år 1990 (SCB, 2017-04-05). Det ställer krav på en utveckling av rådande stadsstruktur. Ytor i stadens centrala delar bebyggs och staden förtätas. Det får till följd att de klimatologiska egenskaperna och dess processer i och omkring staden förändras.
I och med pågående förtätningar av Norrköpings stadskärna (”staden ska växa inifrån och ut”) och de tilltänkta planerna av bebyggelse och utveckling i exempelvis stadsdelarna Butängen, Saltängen (norra hamnen), Sylten (södra hamnen) och utmed Industrilandskapet kan
stadsklimatet i Norrköpings stad komma att förändras. Bebyggelsen i stadsdelarna ska enligt planerna förtätas eller uppföras med ”slutna kvarter i rutnätsstruktur” och med målsättningen om en ”attraktiv, tät kvartersstad” (Norrköpings kommun, 2016-11-01).
Kommunfullmäktige förväntas under 2017 anta den nya översiktsplanen för Norrköpings
kommun. Med denna bakgrund ämnar studien ge en uppdaterad bild av stadens befintliga klimat, undersöka om det finns någon urban värmeö samt söka ge en bild av ett framtida stadsklimat om staden utvecklas enligt de föreslagna planerna. Vidare kan studien ligga till grund för planerare och beslutsfattare i kommunen när beslut gällande stadens framväxt fattas, samt att en utveckling av staden sker med anpassning till framtida klimatförhållanden och där människors hälsa tas i beaktning.
I studien eftersträvades en varierande bebyggelsestruktur vid mätlokalerna, och tio olika strukturer identifierades; villaområde eller låg bebyggelse (Karlshov-Smala gatan);
flerfamiljshus med öppen kvarterstruktur utanför stadens centrala delar (Haga-Enebymovägen);
högre flerfamiljshus med sluten kvartersstruktur (Bråddgatan-Luntgatan); urban industri (Butängen-Vulkangatan); urban köldö (urban cold island) med blå- och grönstruktur
(Strömsholmen); urban köldö med grönstruktur (Stortorget); högre flerfamiljshus med öppen kvartersstruktur i stadens centrala delar (Generalsgatan-Prästgatan); centrumbebyggelse (”central business district”) (Hantverkaregatan-Olai kyrkogata); semi-urban (Norrköping- SMHI); rural miljö (Eriksberg) (Figur 5, s. 21). De urbana mätlokalerna skiljer sig i såväl struktur, likväl som hur ytorna nyttjas under olika tider på dygnet. Vid de åtta första lokalerna samlades primärdata in med ett mobilt mätinstrument.
Sekundärdata från den semi-urbana lokalen (Norrköping-SMHI) hämtades från SMHI:s databas och vid den rurala lokalen (Eriksberg) samlades primärdata in med hjälp av en stationär
dataloggare. Under denna studie har datainsamlingen pågått under fem veckors tid och utförts två gånger dagligen, tillräckligt för att ge en principiell bild av hur den urbana värmeön i staden ter sig.
Bebyggelsestrukturerna är indelade primärt utifrån Lantmäteriets markdataindelning (Lantmäteriet, 2017-05-09), där detaljtyper innehållande bebyggelse uteslutande har en lägesnoggrannhet på 5 meter. Övriga detaljtyper har en lägesnoggrannhet på mellan 5 och 20 meter. Utifrån Lantmäteriets indelning av detaljtyper har sedan följande tio kategorier
identifierats:
13
1. Villaområde eller låg bebyggelse. Mätlokal Karlshov-Smala gatan, belägen cirka 41 meter över havet, avser representera denna kategori. Den här kategorin innefattar ytor med en relativt tät och låg bebyggelse. I huvudsak utgör friliggande en- och tvåfamiljsvillor, radhus eller flerfamiljshus med högst två våningar kvarteren inom denna kategori, dock kan fåtaliga högre byggnader ingå. Vidare ingår all dithörande mark som exempelvis vägar, parkeringsplatser etcetera i kategorin.
2. Flerfamiljshus med öppen kvarterstruktur utanför stadens centrala delar.
Mätlokalen som representerar denna kategori är Haga-Enebymovägen, vilken är belägen cirka 37 meter över havet. Kategorin innefattar ytor med friliggande hög bebyggelse som exempelvis flerfamiljshus med tre våningar eller fler, dock kan fåtaliga lägre byggnader ingå. Dessa ska vara lokaliserade utanför stadens centrala delar. Vidare ingår all
dithörande mark som exempelvis vägar, parkeringsplatser etcetera i kategorin.
3. Högre flerfamiljshus med sluten kvartersstruktur. Mätlokalen Bråddgatan-Luntgatan, representerar kategorin, och är belägen cirka 26 meter över havet. Med sluten
kvartersstruktur avses ett kvarter omgärdat av byggnader, ofta med en parkmiljö eller dylikt på innergården. Det vill säga ytor med sluten och sammanhängande
kvartersbebyggelse med flera våningar, dock kan kategorin innehålla lägre byggnader.
Bebyggelsen kan vid enstaka platser vara öppen. Det för att möjliggöra transporter till och från kvarterets inre. För att ingå i denna kategori bör minst tre sidor av kvarteret i det närmaste vara slutna. Vidare ingår all dithörande mark som exempelvis vägar, parkeringsplatser etcetera i kategorin.
4. Urban industri. Mätlokal Butängen-Vulkangatan är belägen cirka 6 meter över havet och representerar den här kategorin. Inom den här kategorin omfattas ytor där de huvudsakliga aktiviteterna som bedrivs är relaterade till industri eller dylika verksamheter. Vidare ingår all dithörande mark som exempelvis vägar, parkeringsplatser etcetera i kategorin.
5. Urban köldö (urban cold island) med blå- och grönstruktur. Den här kategorin representeras av mätlokalen Strömsholmen, vilken är belägen cirka 5 meter över havet.
Under denna kategori avses ytor av vegetation eller parkmiljöer i nära anknytning till vattenytor i, eller i nära anknytning till, stadens centrala delar.
6. Urban köldö med grönstruktur. Mätlokal Stortorget avser representera den här kategorin. Lokalen är belägen cirka 21 meter över havet. Under den här kategorin avses ytor av vegetation eller parkmiljöer i eller i nära anknytning till stadens centrala delar.
Inom denna kategori ingår även torg och andra öppna ytor ämnade för temporär handel, mötesverksamhet eller andra liknande verksamheter.
7. Högre flerfamiljshus med öppen kvartersstruktur i stadens centrala delar.
Mätlokalen Generalsgatan-Prästgatan representerar kategorin, och är belägen cirka 21 meter över havet.
14
Den här kategorin innefattar ytor med friliggande hög bebyggelse som exempelvis flerfamiljshus med tre våningar eller fler, dock kan fåtaliga lägre byggnader ingå. Dessa ska vara lokaliserade i stadens centrala delar. Vidare ingår all dithörande mark som exempelvis vägar, parkeringsplatser etcetera i kategorin.
8. Centrumbebyggelse (”central business district”). Den här kategorin representeras av mätlokal Hantverkaregatan-Olai kyrkogata. Den är belägen cirka 19 meter över havet.
Inom den här kategorin avses områden med tät bebyggelse, handel, parkeringar och dylikt.
Området innefattar kommersiella verksamheter, bostäder, handel, kontor och kommunal service. Kategorin räknas som stadens mittpunkt och stadens centrala delar utgår från denna kategori. Vidare ingår all dithörande mark som exempelvis vägar, parkeringsplatser, spårvagnsspår etcetera i kategorin.
9. Semi-urban. Kategorin representeras av mätlokal Norrköping-SMHI, vilken är belägen cirka 40 meter över havet. Den här kategorin innefattar ytor med öppen mark och/eller andra liknande större gröna ytor utanför stadens centrala delar. Dock kan fåtaliga lägre byggnader, mindre gröna ytor samt odlingsmarker ingå i denna kategori.
10. Rural miljö. Mätlokalen Eriksberg, vilken är belägen cirka 37 meter över havet, representerar den här kategorin. Inom denna kategori avses barrskog, lövskog, annan öppen mark, åker, odlingsmark och övrig mark på avstånd från stadens inverkan på det lokala klimatet, cirka fem kilometers avstånd från stadens centrala delar. Ett mindre antal lägre byggnader kan ingå i denna kategori.
Mätstationerna för studien är alltså lokaliserade i blandad urban miljö, medan referensstationen Eriksberg som användes för att genomföra analysen av stadens urbana värmeö, valdes utifrån avlägsenhet från bebyggelse och annan urban struktur. Dessutom att den låg avsides från stadens inverkan på klimatet. Lokalen Eriksberg är lokaliserad i en rural skogsmiljö som präglas av gran och tall med ett fåtal inslag av björk.
Den är belägen cirka 8,8 kilometer från centrala Norrköping. I tillägg har data från en av SMHI:s mätstationer använts i studien. Det är från SMHI:s mätstation Norrköping-SMHI, som är belägen sydväst om centrala Norrköping, mellan stadsdelarna Klockartorpet och Kneippen (Figur 4 & 5).
Lokalen ligger något avsides och omgärdas av ett fåtal byggnader samt ett större grönområde och kategoriserades som semi-urban.
15
Figur 4. Översiktskarta över Norrköping stad, med den geografiska lokaliseringen av de nio mätlokalerna samt SMHI:s mätstation Norrköping-SMHI.
16 3.2 Avgränsningar
Studieområdet är avgränsat till Norrköpings stad med omnejd (Figur 4 & 5). Anledningen till det är att ingen tidigare studie rörande urbana värmeöar finns att tillgå över staden. Mätlokalerna för datainsamlingen är utvalda utifrån bebyggelsestrukturen vilken de är lokaliserade inom, såsom exempelvis villaområde, industriområde eller sluten kvartersstruktur. En mer detaljerad
beskrivning av de olika bebyggelsestrukturerna samt indelningen av dem finns att tillgå under rubrik 3.1. Av praktiska skäl är mätlokalerna där data samlades in med ett mobilt mätinstrument lokaliserade i stadens norra och centrala delar, för att på så sätt söka komprimera tiden för insamlingen men samtidigt få med olika typer av bebyggelsestrukturer. Vidare har studiens omfattning, det vill säga en kandidatuppsats, i kombination med genomförbarhet begränsat utrymmet för fler mätlokaler, mättider och mätparametrar.
4. Metod
För att uppnå studiens syfte har ett tillvägagångssätt med kvantitativ ansats antagits. Metoden baseras på observationer och insamling av primärdata, och sedan bearbetning av dem.
4.1 Fältarbete och datainsamling
Under denna rubrik presenteras studiens tillvägagångssätt vid datainsamlingen. Studien innefattar mätningar av lufttemperatur och relativ luftfuktighet vid nio stycken mätstationer (Figur 4 & 5). Vid valet av mätstationerna har en jämn spridning eftersträvats för att söka beskriva Norrköping stads varierande klimatologiska egenskaper, och då mer specifikt stadens urbana värmeö. Analysen av en stads urbana värmeö bygger till mångt och mycket av valet av referensstation eller referensstationer. Det bör tilläggas att vädret under mätperioden var väldigt skiftande och varierande. Vissa dagar snöade det, andra dagar regnade det och andra dagar var det vindstilla och strålande solsken. Ibland skiljde det sig åt från förmiddag till eftermiddag och ibland från lokal till lokal. För en mer utförlig beskrivning av väderförhållandena vid de olika mättillfällena se Bilaga B.
Mätningar av ytnära lufttemperatur och relativ luftfuktighet genomfördes i fält två gånger om dagen under en femveckorsperiod (35 dagar). Vid de mätlokaler som klassats vara lokaliserade i en urban miljö genomfördes mätningarna med ett mobilt mätinstrument av märket Testo och modell Testo 610. Instrumentet mäter med en noggrannhet på ± 0,5 °C gällande lufttemperaturen och ± 2,5 procent gällande relativ luftfuktighet, och instrumentet mäter dessa med en decimals noggrannhet. Mätningarna utfördes genom att instrumentet hölls cirka 1,5 meter över markytan.
Direkt solljus och nederbörd undveks genom att ett skydd hölls över instrumentet vid mättillfället.
Vid den rurala referenslokalen Eriksberg mättes ytnära lufttemperatur och relativ luftfuktighet med en stationär dataloggare. Den stationära dataloggaren var av modellen Track-It™ från Monarch Instrument. Instrumentet fästes på ett träd cirka 1,5 meter över markytan i nordlig riktning för att undvika direkt solljus. Ovanför instrumentet fixerades även en liten
skyddsanordning av plast för att skydda mot eventuell väta.
17
Dataloggaren mäter med en noggrannhet på ± 0,5 °C gällande lufttemperaturen och ± 3 procent gällande relativ luftfuktighet. Instrumentet mäter lufttemperaturen med två decimalers
noggrannhet samt den relativa luftfuktigheten med en decimals noggrannhet. Dataloggaren, som var utrustad med en USB-port, kopplades till en bärbar dator och förinställdes att utföra
mätningar en gång i timmen (varje hel timme) i mjukvaran Track-It™ Software. En gång i veckan tömdes dataloggaren på data, och då kontrollerades även apparaturen så att den fortfarande fungerade. Data som hämtades in behandlades också i mjukvaran Track-It™
Software, där data även exporterades till filformatet .xlsx för att kunna bearbetas i mjukvaran Microsoft Excel.
Mer information om mätinstrumenten återfinns på följande hemsidor:
https://www.testo.com/en/testo-610/p/0560-0610 respektive
https://monarchinstrument.com/collections/track-it-rh-temp-data-loggers/products/track-it-rh- temp-data-logger-with-display-standard-battery.
Mätningarna med det mobila mätinstrumentet genomfördes mellan klockan 07:00-08:00 samt mellan 14:00-15:00, alltså två gånger dagligen. Valet av tidpunkt för mätningar föll på just 07-08 och 14-15 då tidpunkten 14-15 generellt var den varmaste tiden på dygnet samt att
lufttemperaturen under tidpunkten 07-08 generellt fortfarande inte hade stigit nämnvärt efter solens uppgång. Detta efter kontroll av SMHI:s mätdata under perioden februari-mars innan mätningarna inleddes (2017-03-27). Som supplement noterades och dokumenterades även molnighet, vindhastighet och vindriktning vid mättillfällena. Molnigheten uppskattades i åttondelar, enligt internationell praxis (SMHI, 2017-03-20), och molntyp utifrån en subjektiv tolkning.
Vindhastigheten och vindriktningen observerades från marknivå, och därefter utfördes en subjektiv uppskattning av vinden på 10 meters höjd. Vindens verkningar bestämdes därefter utifrån en 15 gradig Beaufortskala, enligt Taeslers (1972) tolkning av den Internationella
Meteorologiska Organisationens (International Meteorological Organization (1873–1951), idag World Meteorological Organization) 17 gradiga skala, som implementerades i Paris 1946. För mätningar gällande vind och molnighet se Bilaga B.
4.2 Efterarbete och analys i Excel och ArcMap
Mätningarna med det mobila mätinstrumentet genomfördes, som tidigare nämnts, mellan klockan 07:00-08:00 samt mellan 14:00-15:00 under en femveckors period (2017-03-27 – 2017- 04-30). För att beräkna effekten av den urbana värmeön i Norrköping har den genomsnittliga ytnära lufttemperaturen under mätperioden beräknats för de nio urban mätlokalerna (de åtta mätlokalerna i stadsmiljön och SMHI:s mätlokal Norrköping-SMHI), och sedan jämförts med den rurala mätlokalen enligt ekvationen Turban – Trural i °C. De åtta stycken urbana mätstationerna där mätningar utfördes med det mobila mätinstrumentet kan delas in i två kategorier; första halvtimmen; och andra halvtimmen.
18
För att korrigera för tidsskillnaden vid de olika mättillfällena har data från SMHI använts som referens, och sedan beräknats om. Genom att använda data från SMHI:s mätstation Norrköping- SMHI som referensdata, har skillnaden mellan SMHI:s mätvärden för 07:00 och 08:00 samt 14:00 och 15:00 beräknats. Summan har sedan subtraherats på de värdena som uppmätts under den andra halvtimmen vid lokalerna Vulkangatan, Strömsholmen, Generalsgatan-Prästgatan, Stortorget och Hantverkaregatan-Olai kyrkogata.
All data från SMHI, som använts i studien, har varit kontrollerade och godkända av SMHI.
Vidare fördes mätningarna in i Excel tillsammans med SMHI:s mätdata där de bearbetades och homogeniserades för att de skulle vara jämförbara i ArcMap. Arbetet och bearbetningen i ArcMap kan delas in i trestegsprocess.
Det första steget var att visualisera och analysera mätdata genom bearbetning i programmet. Från Lantmäteriets karttjänst GET hämtades en fastighetskarta i vektorformat, med en
lägesnoggrannhet på mellan 5 och 20 meter (5 meter för områden med bebyggelse). Den innehöll markslagsdata i form av polygoner där byggnadsstrukturer var kategoriserade efter detaljtyp såsom ”hög bebyggelse”, ”låg bebyggelse”, ”industriområde”. Detaljtyperna importerades till ArcMap och kategoriserades sedan om till tio kategorier utifrån de nio lokalerna där mätningar utförts samt SMHI:s lokal i Norrköping. Polygoner valdes sedan utifrån läge och typ av struktur, och exporterades sedan som separata lager. En mer utförlig beskrivning av kategoriseringen av polygonerna, urvalet samt namnen på Shp-filerna går att finna i Bilaga C samt i flödesschemat (Bilaga D).
Det andra steget var att koppla temperaturen från de olika mätlokalerna till respektive byggnadsstruktur. Till att börja med användes verktyget ”Random points” i ArcMap för att koppla temperaturen från mätlokalerna till de olika byggnadsstrukturerna. Verktyget användes för att skapa 5000 slumpmässiga punkter i studieområdet, varav 4257 av punkterna föll inom någon av de kategoriserade polygonerna. Sedan extrapolerades och kopplades temperaturdata från mätlokalerna till varje enskild punkt som var lokaliserad inom polygonen med liknande struktur som mätlokalen. Det möjliggjordes genom användandet av verktyget “Select by
location” på de slumpmässiga punkterna. Verktyget fungerar som så att det markerar exempelvis punkter utifrån var de är lokaliserade.
I det här fallet inom en polygon med en viss byggnadsstruktur. Därefter användes verktyget
”Field calculator” för att ange temperaturen för varje enskild punkt utifrån den lokal och struktur som punkten korrelerade med. Sedan interpolerades mätdata över hela studieområdet.
Interpolationen skedde genom metoden ”kriging”, vilket alltså är en metod som kopplar samman statistik med geografiska förhållanden. Kortfattat producerar verktyget statistik baserat på
spatiala förhållanden i områden där statistik saknas. För en mer utförlig beskrivning av ”kriging”
se rubrik 2.2 (s. 7-8). Interpolationsprocessen gav en bild av utbredningen av den urbana värmeön i Norrköping idag.
19
Det tredje, och sista steget, i processen var att söka projicera värmeöns utbredning i dels ett framtida klimat, dels över en framtida utveckling av bebyggelse i staden. Gällande utveckling av bebyggelse fokuserades det främst på de planerade omvandlingarna av stadsdelen Butängens södra delar samt på bägge sidor av den inre hamnen (Saltängen och på motsatt sida av Motala ström) för att söka visualisera ett potentiellt framtida stadsklimat. Två utvecklingsscenarier antogs; ett balanserat ur klimatanpassningssynpunkt och ett obalanserat.
Det balanserade förslaget innebar en omvandling kännetecknad av högre flerfamiljshus med öppen kvartersstruktur i stadens centrala delar samt ett bevarande av existerande grönområden och ett anläggande av nya parker i och omkring stadsmiljön, men också utmed vattendraget Motala ström. Byggnadsstrukturen högre flerfamiljshus med öppen kvartersstruktur i stadens centrala delar karaktäriseras av en förhållandevis hög genomsnittstemperatur, men
byggnadsstrukturen valdes ändock för att ge ett mer realistiskt resultat då staden växer och många bostäder behövs.
Det andra förslaget, det obalanserade ur klimatanpassningssynpunkt, karaktäriserades istället av förtätning och en exploatering av de befintliga gröna områdena i stadsmiljön, men också att de planerade nybyggnationerna och utvecklingen av stadens byggnader i huvudsak uppförs utifrån en byggnadsstruktur som innebär högre flerfamiljshus med sluten kvartersstruktur.
För att kunna genomföra analysen med framtida klimatscenarier krävdes även siffror på hur temperaturen i staden kan komma att vara i framtiden. Dessa siffror hämtades från SMHI. SMHI har beräknat förändringen av vårens medeltemperatur i Östergötlands län för scenario RCP2,6 (låg), RCP4,5 (mellan) och RCP8,5 (hög). De fanns tillgängliga i Excelformat. Ett
genomsnittsvärde för SMHI:s beräknade säsongstemperatur mellan år 2018 och 2100 räknades ut, och gav 1,58 °C för låg, 2,28 °C för mellan samt 2,99 °C för hög. De värdena användes sedan i ArcMap och applicerades på de ovan nämnda interpolerade kartorna för olika framtida
bebyggelsestrukturscenarier i Norrköping. Därefter utfördes en korsvalidering på alla de interpolerade kartorna. Se Bilaga E för resultat vid korsvalidering för alla de interpolerade kartorna.
20
Figur 5. Mätlokalernas lokalisering samt de olika definierade bebyggelsestrukturerna i studieområdet.
21
5. Resultat och analys
I detta kapitel återfinns studiens resultat. Kartorna under rubrik 5.2 samt 5.3 innehar en och samma färgskala. Kartorna är således direkt jämförbara utifrån både skalan på siffror och färg.
5.1 Genomsnittlig skillnad i temperatur och relativ luftfuktighet
Graferna nedan (Figur 6, 7 & 8) visar på Y-axeln den genomsnittliga skillnaden i temperatur (vänster) och relativ luftfuktighet (höger) och de nio mätpunkterna plus SMHI:s mätlokal Norrköping-SMHI på X-axeln. De tre graferna har även, under X-axeln, en bård där de olika mätlokalernas miljö och karaktär är illustrerad.
Den första grafen (Figur 6) nedan visualiserar den genomsnittliga temperaturen och den relativa luftfuktigheten för hela mätperioden, fem veckor och två gånger om dagen, mellan datumen 2017-03-27 och 2017-04-30. Anmärkningsvärt är den inverterade korrelationen mellan temperaturen och den relativa luftfuktigheten.
När värdena mellan lokalerna Generalsgatan-Prästgatan (högre flerfamiljshus med öppen kvartersstruktur i stadens centrala delar), Stortorget (urban köldö med grönstruktur) samt
Hantverkaregatan-Olai kyrkogata (centrumbebyggelse) jämförs, noteras tydliga skillnader mellan dem. De tre lokalerna är lokaliserade i nära anknytning till varandra, inom en radie på 200 meter, dock präglas lokalerna av olika typer av byggnadsstruktur och miljö. Den genomsnittliga
skillnaden i temperatur gentemot den rurala referenslokal var vid Generalsgatan-Prästgatan 5,09
°C, vid Stortorget till 4,43 °C och vid Hantverkaregatan-Olai kyrkogata 4,92 °C. Det ger
temperaturskillnader på 0,66 °C mellan högre flerfamiljshus med öppen kvartersstruktur mot en urban köldö med grönstruktur samt 0,49 °C mellan centrumbebyggelse och en urban köldö med grönstruktur. Vidare bör skillnaden mellan mätlokalerna Norrköping-SMHI och Karlshov-Smala gatan noteras. När lokalerna jämförs syns en skillnad på 2 °C, det trots att lokalerna är
lokaliserad på liknande avstånd från stadens centrum, endast cirka 100 meter skiljer i avstånd.
Lokalen Norrköping-SMHI betecknas som semi-urban och den präglas av ytor med öppen mark och större gröna ytor med ett fåtal byggnader. Mätlokalen Karlshov-Smala gatan däremot präglas av en relativt tät och låg bebyggelse och i huvudsak friliggande en- och tvåfamiljsvillor. Vidare noteras en temperaturskillnad på 1,1 °C vid jämförelse mellan lokalerna Karlshov-Smala gatan och Haga-Enebymovägen, samt ytterligare 1,1 °C när Haga-Enebymovägen jämförs med
Bråddgatan-Luntgatan. Lokalen Haga-Enebymovägen karaktäriseras av flerfamiljshus med minst tre våningar och öppen kvarterstruktur utanför stadens centrala delar medan Bråddgatan-
Luntgatan kännetecknas av högre hus med sluten kvartersstruktur. Dessa exempel visar på betydelsen av geometrin i urbana miljöer och hur de är strukturerade gällande uppkomsten och formandet av en urban värmeö.
22
Figur 6. Diagram som visar genomsnittlig skillnad i temperatur (°C) och relativ luftfuktighet (%) för fem veckors mätningar gentemot Eriksberg, den rurala lokalen, samt med data från SMHI:s mätlokal
Norrköping-SMHI.
Det andra diagrammet nedan (Figur 7) visar på den genomsnittliga skillnaden i temperatur (°C) och relativ luftfuktighet (%) mellan mätlokalerna och referenslokalen Eriksberg för hela
mätperioden, dock endast med mätningarna utförda mellan 07:00 och 08:00. Också denna graf visar på en inverterad korrelation mellan den relativa luftfuktigheten och temperaturen.
Noterbart är att den genomsnittliga temperaturskillnaden för morgonmätningarna vid lokalerna Karlshov-Smala gatan, Haga-Enebymovägen samt Butängen-Vulkangatan var 2,43 °C, 2,06 °C respektive 1,56 °C lägre än för temperaturskillnaden i genomsnitt för hela mätperioden. Det är också anmärkningsvärt att temperaturskillnaden var lägre för alla lokaler, minst 0,63 °C lägre, förutom SMHI:s mätlokal Norrköping-SMHI. Vid den lokalen var den genomsnittliga
temperaturskillnaden 1,73 °C högre vid mätningar utförda 07:00 och 08:00 i jämförelse med skillnaden i genomsnittstemperaturen för hela mätperioden.
23
Figur 7. Diagram som visar genomsnittlig skillnad i temperatur (°C) och relativ luftfuktighet (%) för fem veckors mätningar mellan 07:00-08:00 gentemot Eriksberg, den rurala lokalen. Mätningar under den
andra halvtimmen, det vill säga efter 07:30, är korrigerade utifrån skillnader i värden vid SMHI:s mätlokal Norrköping-SMHI.
Det tredje och sista diagrammet nedan (Figur 8) visar på den genomsnittliga skillnaden i
temperatur (°C) och relativ luftfuktighet (%) mellan mätlokalerna och referenslokalen Eriksberg för hela mätperioden, dock endast med mätningarna utförda mellan 14:00 och 15:00. Synnerligen påfallande är den genomsnittliga temperaturskillnaden för mätningarna, även under denna
tidpunkt, vid lokalerna Karlshov-Smala gatan, Haga-Enebymovägen samt Butängen-
Vulkangatan. När temperaturskillnaden mellan morgon och eftermiddag jämförs syns en skillnad på 4,85 °C, 4,12 °C respektive 3,12 °C. Temperaturskillnaden i genomsnitt gentemot
referenslokalen förefaller vara avsevärt högre under eftermiddagen än morgonen. Det är också värt att poängtera att temperaturskillnaden var positiv vid alla mätlokaler förutom vid SMHI:s mätlokal Norrköping-SMHI, där den genomsnittliga temperaturskillnaden var 0,3 °C lägre vid mätningar utförda 14:00 och 15:00 gentemot den rurala referenslokalen Eriksberg.
24
Figur 8. Diagram som visar genomsnittlig skillnad i temperatur (°C) och relativ luftfuktighet (%) för fem veckors mätningar mellan 14:00-15:00 gentemot Eriksberg, den rurala lokalen. Mätningar utförda under
den andra halvtimmen, det vill säga efter 14:30, är korrigerade utifrån skillnader i värden vid SMHI:s mätlokal Norrköping-SMHI.
5.2 Den befintliga värmeöintensiteten
Kartan nedan (Figur 9) är en visualisering av den rådande värmeöintensiteten i Norrköping.
Kartan är producerad genom interpolationsmetoden kriging, vilken utfördes med data utifrån 4257 stycken punkter. De 4257 punkterna blev tilldelade ett värde utifrån vilken
byggnadsstruktur de var lokaliserade inom. Den interpolerade kartan visar på estimerade temperaturskillnaderna gentemot den rurala mätlokalen Eriksberg, lokaliserad i kartans övre högre hörn. Stadsdelarna Butängen och Saltängen, som visas i kartan, är områden där framtida planer för byggnationer finns.
25
Figur 9. Estimerad temperaturskillnad i °C utifrån data från nio mätlokaler samt data från SMHI:s mätstation Norrköping-SMHI som blivit tilldelade till 4257 punkter.
