Focus: Warmte-eilanden

In steden is het 's nachts doorgaans warmer dan in de omliggende landelijke gebieden, een fenomeen dat beter bekend is onder de naam 'stedelijk warmte-eiland'.
Het Koninklijk Meteorologisch Instituut heeft meerdere studies gedaan om het verschijnsel te onderzoeken in Brussel. Uit de analyse van de temperatuurstaten blijkt dat het effect in onze hoofdstad wel degelijk bestaat. Het wordt bovendien steeds sterker met de tijd, zeker wat de minima (de nachtelijke temperaturen) betreft. Dat heeft vooral te maken met de gestage verstedelijking van het Gewest.
Bovendien werd er in het centrum van Brussel, op basis van de verschillende modellen, voor de minimumtemperatuur een warmte-eiland vastgesteld met een gemiddelde waarde van 2,5° C gedurende de periode 1961-1990. Het effect van dat stedelijk warmte-eiland neemt geleidelijk af in de richting van de rand, door de positieve invloed van groengebieden, in het bijzonder het Zoniënwoud.

Warmere stadscentra

De luchttemperatuur (aan de grond) is hoger in de steden dan in de omringende landelijke gebieden. Dat fenomeen is beter bekend onder de naam 'stedelijk warmte-eiland' (of UHI voor 'Urban Heat Island').

Beeld van het typische warmteprofiel van een stedelijk warmte-eiland
Volgens Akbari et al. (1992). "Cooling our communities – a guidebook on tree planting and light colored
surfacing.", U.S. Environmental Protection Agency, Office of Policy Analysis, Climate Change Division, Berkeley : Lawrence Berkeley Laboratory

Het warmte-eilandeffect, dat het meest uitgesproken is in stadscentra, kan teruggevoerd worden naar een heel lokaal verschijnsel, bijvoorbeeld in het geval van 'straatcanyons'. Dat zijn smalle straten met hoogbouw langs weerszijden en onder invloed van een laterale wind, waardoor de warmte of vervuilende stoffen slecht verspreid worden.
De vorming en de intensiteit van een UHI hangen af van verschillende factoren, te beginnen bij het weer. De grootste temperatuurverschillen tussen stad en platteland worden immers bij heldere hemel en weinig wind gemeten, en zijn doorgaans sterker uitgesproken aan het begin van de nacht.
Het ontstaan van stedelijke warmte-eilanden is te wijten aan de geleidelijke vervanging van begroeide en doorlaatbare bodems door gebouwen en ondoorlatende bodembedekking. Zo bijvoorbeeld:

• vergroot de oppervlakte die de stralingsstroom van de zon opvangt, door de afname van het plantendek en de toename van verticale muren,
• zorgt het gebruik van donkere materialen voor wegen en gebouwen (en dus een lager weerkaatsingsvermogen in stedelijke gebieden) voor een hogere absorptie van de invallende zonne-energie,
• zal de temperatuur in straatcanyons in het stadscentrum stijgen, omdat zonnestralen er niet meer weg kunnen: gezien de driedimensionale structuur van de straat, worden de weerkaatste stralen niet rechtstreeks teruggegeven aan de atmosfeer, maar blijven ze gevangen in de straat; de oriëntering en hellingsgraad van de straten (en hun blootstelling aan de zon en aan de bijhorende wind) beïnvloeden bovendien de temperatuurstijging,
• daalt het vermogen van de directe omgeving om de dagtemperaturen te temperen door verdamping of evapotranspiratie (water en planten) en door beschaduwing.

Die lokale temperatuurstijgingen zijn bovendien ook toe te schrijven aan menselijke activiteiten, die meer geconcentreerd zijn in de stad (uitstoot van verbrandingsgassen, uitstoot van warme lucht door airco-installaties, warm water in de riolering enz.).

Temperatuurstijgingen veroorzaakt door warmte-eilanden kunnen onaangename gevolgen hebben, zowel voor ons leefcomfort en voor de volksgezondheid (verergering van warmte-effecten), als voor het energieverbruik (klimaatregeling) en de bijhorende overlast (toenemend energieverbruik en uitstoot van vervuilende stoffen in de lucht).
Nachtelijke warmte-eilanden hebben een potentieel grotere impact op de volksgezondheid, in die zin dat stedelingen - zeker tijdens warme periodes - door hogere nachtelijke minima minder goed zullen kunnen bekomen en herstellen na een hete dag.

Wat met Brussel?

Het Brussels Hoofdstedelijk Gewest is een stad met gevoelig minder groen in het centrum dan in de rand. Bovendien is de gemiddelde ondoorlaatbaarheidsgraad er tussen 1955 en 2006 gestegen van 26 % naar 47 % (ULB-IGEAT, 2006). Net zoals andere steden biedt ze dus de ideale context voor de ontwikkeling van een warmte-eiland.
Het Koninklijk Meteorologisch Instituut heeft meerdere studies gedaan om het UHI in Brussel te onderzoeken.
In een eerste studie werden de temperatuurverschillen berekend tussen Brussegem en Ukkel, twee weerstations van het klimatologisch netwerk van het KMI:

• Ukkel is een station in de rand, in het zuiden van het Gewest, op 6 km van het centrum van Brussel.
• Het weerstation van Brussegem ligt in landelijk gebied, op 13 km ten noordoosten van het centrum van Brussel, in het Vlaams Gewest.

Zo werden de temperatuurverschillen tussen beide stations berekend voor de minima ('s nachts, bovenste deel van de onderstaande grafiek) en de maxima (overdag, onderste deel van de grafiek) van elke dag, en dat gedurende elke zomer tussen 1955 en 2006. De evolutie van de verschillen op lange termijn wordt aangegeven met de lineaire trendlijn.

Het stadseffect op de gemiddelde minimum- en maximumtemperaturen in de zomer, tussen 1955 en 2006.
Bron: KMI, 'Oog voor het klimaat', 2015

Het stadseffect wordt geraamd aan de hand van de temperatuursverschillen in de zomer tussen het meetpunt van Ukkel en het landelijke meetpunt van Brussegem. Voor de periode tussen 1972 en 1979 zijn er geen gegevens beschikbaar, omdat in die periode de metingen in Brussegem tijdelijk werden onderbroken.

Uit de resultaten blijkt dat het stedelijk warmte-eilandeffect wel degelijk bestaat in Brussel. Het wordt bovendien intenser met de tijd, in het bijzonder wat de minima betreft (die 2,8 maal sneller toenemen dan de maxima) (Hamdi en Van de Vyver, 2011). In het bijzonder die sterkere stijging van de minima is toe te schrijven aan een hogere thermische inertie (of warmteopslagcapaciteit) in de stad, gecombineerd met een lager weerkaatsingsvermogen van de stedelijke oppervlakte. Beide factoren vertragen de nachtelijke afkoeling van de stad, vergeleken met de omliggende landelijke gebieden. Daar komt nog, zoals hierboven aangegeven, het effect bij van een lagere evapotranspiratie (en de daarmee verbonden beperktere afkoeling door verdamping) en de hogere warmteproductie door de mens in de stad.

Het KMI werkte ook een reeks modellen uit voor de ruimtelijke spreiding van het UHI-effect (Hamdi et al., 2014). Meer methodologische details vindt u in de verschillende publicaties van het KMI die verderop vermeld worden.
Zo stelde men voor de minimumtemperatuur (dus 's nachts), op basis van de uitgewerkte modellen, een warmte-eilandeffect van 2,5°C vast in het centrum van Brussel.

Gemiddelde ruimtelijke spreiding van het nachtelijk Brussels stedelijk warmte-eiland over 30 jaar (1961-1990)
Bron: Hamdi et al., 2014

Resultaat van de modellen opgemaakt op basis van het operationeel atmosferisch model ALARO van het KMI, gekoppeld aan een nieuw oppervlakteschema met specifieke parameters voor de steden en geforceerd door de databank ERA40. De zwarte punten tonen het centrum van Brussel en de meetpunten van Ukkel en Brussegem.
De waardeschaal is opgesteld in °C verschil ten opzichte van de minimumtemperatuur gesimuleerd op de landelijke waarden (buiten de stad).

In het stadscentrum worden de hoogste waarden opgetekend. Vervolgens neemt de omvang van het warmte-eiland geleidelijk af in de richting van de rand. Ook de zichtbaar positieve invloed van groene gebieden, in het bijzonder het Zoniënwoud, valt op.

Wat is het effect van de verstedelijking in het Brussels Gewest?

Nog een doel van de KMI-modellen was om te bepalen welke invloed de geleidelijke verstedelijking van het Gewest heeft op de gestage temperatuurstijging die men vaststelde in Ukkel, aan de hand van een vergelijking van twee simulaties. De eerste houdt rekening met de evolutiegeschiedenis van de ondoorlaatbaarheidsgraad in het BHG, de tweede gaat uit van een hypothetische situatie zonder stedelijke gebieden binnen het BHG (landelijke simulatie). Het stadseffect en de evolutie ervan worden geraamd aan de hand van het temperatuurverschil tussen beide simulaties.

Op basis daarvan zou de geleidelijke verstedelijking van het Gewest de temperatuur in Ukkel per 10 jaar met gemiddeld 0,09°C doen stijgen.
25 % van de temperatuurstijging in de zomer die men tussen 1960 en 1999 vaststelde in Ukkel, zou zo terug te voeren kunnen zijn naar een intensivering van het stedelijk warmte-eilandeffect door de geleidelijke verstedelijking, en minder naar lokale of regionale klimaatveranderingen (KMI, 2015; raming gebaseerd op de temperatuurverschillen tussen Ukkel en Brussegem).

Wat brengt de toekomst?

Het KMI heeft al een reeks voorspellingsmodellen uitgewerkt (Hamdi et al., 2014 en 2015).
Die tonen aan dat: 

• De klimaatverandering een beperkte impact heeft op de jaarlijkse gemiddelde intensiteit van het stedelijk warmte-eiland, die toeneemt 's nachts tijdens de winter en afneemt overdag tijdens de zomer;
• De toename van de intensiteit van het stedelijk warmte-eiland 's nachts tijdens de winter gekoppeld is aan klimaatsimulaties die voorspellen dat de wind tegen 2050 zou afnemen;
• De afname van de intensiteit overdag en tijdens de zomer dan weer gekoppeld is aan een veronderstelde uitdroging van de bodems (o.a. te wijten aan een stijging van de temperaturen op het platteland), gelet op de lagere zomerse neerslaghoeveelheden waar de klimaatsimulaties op wijzen;
• De impact van de klimaatverandering op het stadsklimaat van Brussel groter zal zijn tijdens hittegolven, dat in combinatie met de toekomstige ontwikkeling van de stad. Gelet op het feit dat het stedelijk warmte-eilandeffect toeneemt tijdens een hittegolf, zal de stedelijke bevolking dat effect sterker voelen tijdens de zomer, aangezien de klimaatmodellen voorspellen dat er in de toekomst meer hittegolven zullen zijn.