Αστικοποίηση και κλίμα στο πλαίσιο της παγκόσμιας θέρμανσης: προκλήσεις για την ανθρώπινη υγεία

Abstract

The scope of the present Doctoral Dissertation is to examine the changes in the frequency of weather types over Europe from 1979 to 2019, as well as the study of the urban heat island in 4 European cities (Athens, Barcelona, Luxembourg and Helsinki), during the summer. To meet this latter goal, regional classifications of weather types for each city were defined and the spatial and temporal characteristics of the intensity of the urban heat island effect, as well as the association of specific weather types with the urban overheating, were investigated during the summer (June–September) and during day and night, from 2008 to 2017. At a first stage, in order to investigate the changes in the frequency of weather types in Europe, a newly developed weather type classification system was used (Gridded Weather Type Classification 2- GWTC2), while monthly means of 2-m air temperature, 2-m dew point, and sea surface temperature were obtained from the recent ERA5 reanalysis database of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), in order to analyze the meteorological background of weather types frequencies trends. The obtained results revealed a significant increase in the frequency of warm weather types since 1979, while at the same time, most cold weather types show a significant decrease. The most notable changes in the frequency of weather types occurred primarily over the sea areas of north Europe and secondarily in the region including southern and central Europe, while increases (sea surface temperature and dew point) occurred (3-4 °C) in the polar sea areas (Norwegian Sea, Barents Sea and Greenland Sea). At a second stage, for each city a definition of local weather types for the 70-year period (1950–2020) was conducted. For this purpose, data obtained from the NCEP/NCAR database and are daily values (12UTC) of the following parameters from 1950 to 2020: 500 and 1000 hPa geopotential heights, 850 hPa temperature, and 850 hPa specific humidity, 2m temperature, specific humidity, 10m zonal and meridional wind, total cloud cover, precipitation rate and convective precipitation, for each city. At this stage, for the prevailing weather types, their characteristics were examined, as well as their frequency of occurrence (monthly and yearly). The present dissertation concludes, by studying the intensity of the urban heat island effect as well as urban overheating for each city, from 2008 to 2017, for the summer season (June to September), for both during day and night. The analysis is performed using the data from the recent Copernicus urban climate database. The frequency distribution of urban heat island intensity for each city, the correlation of urban overheating with the prevailing weather types and finally, the temporal and spatial (hot-spots) distribution of urban overheating was also investigated. The obtained results indicating the presence of a rather strong urban heat island effect that tends to be more pronounced during the warm half of the year, especially during the night. One key finding of this study was the fact that there is a limitation of the phenomenon (both spatially and in terms of its dynamics) as the latitude increases. Finally, the observational study concludes that urban overheating was amplified under summer weather types, correlate to conditions of high temperatures, weak winds and low/moderate cloud cover, while local effects of small or medium scale (e.g. presence of sea breeze mainly in coastal cities), seems to have a greater impact on the overheating.

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η μελέτη των αλλαγών στην συχνότητα των τύπων καιρού για την ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης από το 1979 έως το 2019, και η μελέτη της της αστικής θερμικής νησίδας για 4 μεγάλες Ευρωπαϊκές πόλεις (Αθήνα, Βαρκελώνη, Λουξεμβούργο και Ελσίνκι), κατά τη διάρκεια του θέρους. Για την επίτευξη του τελευταίου στόχου, δημιουργήθηκαν και αξιοποιήθηκαν τοπικές ταξινομήσεις τύπων καιρού για κάθε πόλη και διερευνήθηκαν τα χωρικά και χρονικά χαρακτηριστικά της έντασης του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας, καθώς και η συσχέτιση συγκεκριμένων τύπων καιρού με το φαινόμενο της αστικής υπερθέρμανσης, κατά τη θερμή περίοδο (Ιούνιος-Σεπτέμβριος) του έτους, για ημέρα και νύχτα, από το 2008 έως το 2017. Στο πρώτο στάδιο, για τη διεύρυνση των μεταβολών στη συχνότητα τύπων καιρού για την ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης, χρησιμοποιήθηκε ένα πρόσφατα αναπτυγμένο σύστημα ταξινόμησης τύπων καιρού (Gridded Weather Type Classification 2- GWTC2), ενώ δεδομένα μηνιαίων μέσων τιμών θερμοκρασίας αέρα (στα 2m), σημείου δρόσου (στα 2m) και θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας ελήφθησαν από τη βάση δεδομένων ERA5 reanalysis (ECMWF), με στόχο τη μελέτη των παραγόντων που οφείλονται στις τάσεις των συχνοτήτων κάθε τύπου καιρού. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν υπέδειξαν μία σημαντική αύξηση στη συχνότητα των θερμών τύπων καιρού από το 1979, ενώ ταυτόχρονα, οι περισσότεροι ψυχροί τύποι παρουσιάζουν σημαντική μείωση. Οι πιο αξιοσημείωτες μεταβολές στη συχνότητα των τύπων καιρού σημειώνονται πρωτίστως στις θαλάσσιες περιοχές, βόρεια της Ευρώπης και δευτερευόντως στον τομέα που περιλαμβάνει τη Νότια και Κεντρική Ευρώπη, ενώ βρέθηκε ότι οι πολικές θαλάσσιες περιοχές (Νορβηγική Θάλασσα, Θάλασσα του Μπάρεντς και Θάλασσα της Γροιλανδίας) παρουσιάζουν μέση αύξηση θερμοκρασίας 3-4 °C, καθώς και αύξηση του σημείου δρόσου και της θερμοκρασίας στην επιφάνεια. Στο δεύτερο στάδιο, επιχειρείται ο ορισμός τοπικών τύπων καιρού για κάθε πόλη. Για το σκοπό αυτό δεδομένα ελήφθησαν από την βάση δεδομένων NCEP/NCAR και αφορούν ημερήσιες τιμές (12UT) των εξής παραμέτρων από το 1950 έως το 2020: γεωδυναμικό ύψος των ισοβαρικών επιφανειών των 500 hPa και 1000 hPa, θερμοκρασία του αέρα και ειδική υγρασία στην ισοβαρική επιφάνεια των 850 hPa, θερμοκρασία του αέρα σε ύψος 2 m από την επιφάνεια του εδάφους, ειδική υγρασία σε ύψος 2 m από την επιφάνεια του εδάφους, ζωνική και μεσημβρινή συνιστώσα της ταχύτητας του ανέμου σε ύψος 10 m από την επιφάνεια του εδάφους, ολική νεφοκάλυψη καθώς και ρυθμό υετού και ανωμεταφορικού υετού, για κάθε πόλη. Στο στάδιο αυτό, για τους επικρατούντες τύπους καιρού, εξετάζονται τα χαρακτηριστικά τους, καθώς και η συχνότητα εμφάνισης τους (μηνιαία και ετήσια). Η παρούσα διατριβή καταλήγει με τη μελέτη της ένταση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας καθώς και της αστικής υπερθέρμανσης για κάθε πόλη από το 2008 έως το 2017, για τη θερινή περίοδο (Ιούνιος - Σεπτέμβριος), τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας όσο και κατά τη διάρκεια της νύχτας. Στο στάδιο αυτό αξιοποιήθηκαν τα δεδομένα από την πρόσφατη βάση δεδομένων Copernicus urban climate. Έπειτα, πραγματοποιείται η κατανομή συχνοτήτων της ένταση της αστικής θερμικής νησίδας για κάθε πόλη, εξετάζεται η συσχέτιση της αστικής υπερθέρμανσης με τους κυριάρχους τύπους καιρού και τέλος, διερευνάται η χρονική και χωρική (hot-spots) κατανομή της αστικής υπερθέρμανσης. Από την μελέτη των χωρικών και χρονικών διακυμάνσεων της θερμικής νησίδας για κάθε πόλη, διαπιστώθηκε η παρουσία μιας ισχυρής αστικής υπερθέρμανσης, η οποίο τείνει να είναι ισχυρότερη κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου του έτους και ειδικά κατά τη διάρκεια της νύχτας. Επιπλέον, ένα από τα βασικά συμπεράσματα της συγκεκριμένης μελέτης ήταν το γεγονός ότι αυξάνεται το γεωγραφικό πλάτος, παρατηρείται περιορισμός του φαινομένου, τόσο χωρικά όσο και ως προς τη δυναμική του. Τέλος, από την συσχέτιση τοπικών τύπων καιρού με την αστική υπερθέρμανση, προέκυψε ότι οι θερινοί τύποι καιρού που ενισχύουν το φαινόμενο, σχετίζονται κυρίως με συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών, ασθενών ανέμων και χαμηλής/μέτριας νεφοκάλυψης, ενώ μεγαλύτερη επίδραση, φαίνεται να έχουν τοπικά φαινόμενα μικρής ή μεσαίας κλίμακας (π.χ. παρουσία θαλάσσιας αύρας κυρίως στις παράκτιες πόλεις).