Jak zachovat správné víry

Kdo někdy strávil alespoň část života ve městě, ví, že je v něm oproti okolí většinou tepleji. Navíc ulice jsou rušné a exhalace z průmyslových podniků a automobilové dopravy všudypřítomné. Jak mají urbanisté měnit města, aby je s blížící se globální změnou klimatu učinili příjemnějšími místy k životu, než jsou dnes? Pomoci může nový numerický model, který umožňuje odhalit, jak například tvary domů, barvy fasád nebo stromy v ulicích ovlivní tepelnou pohodu i čistotu ovzduší.

Města jsou v 21. století pulzujícím ekosystémem vazeb a služeb, využívajících a kombinujících moderní technologie. Intenzivní technologický pokrok, vysoká míra urbanizace a změna klimatu vnímaná širší společností, to vše vytváří předpoklady pro hledání takových řešení, která zlepší kvalitu životního prostředí ve městě.

Činnost obyvatel měst ovlivňuje klimatické podmínky v oblasti; hovoříme o tzv. městském klimatu. Jedním z významných faktorů městského životního prostředí jsou (bio)klimatické podmínky. Patrně nejznámějším projevem klimatu města je vyšší teplota vzduchu v centrech měst ve srovnání s jejich okolím, neboli tzv. efekt tepelného ostrova. Z hlediska zdraví obyvatel měst se během posledních let v odborné literatuře postupně prosazuje komplexně pojatý koncept tepelného komfortu, který zohledňuje nejen teplotu vzduchu a bioklimatické faktory (radiaci, vlhkost vzduchu, proudění vzduchu), ale i fyziologické a psychologické faktory. [1]

Biometeorologické indexy obecně indikují zvýšené tepelné zatížení člověka. UTCI, neboli Universal Thermal Climate Index (univerzální index tepelného komfortu) je jedním z nejpoužívanějších indexů. Jediný, který má „otevřený“ (tzn. jasně popsaný) vzorec pro výpočet. Na snímku časoprostorová variabilita biometeorologického indexu UTCI v Praze-Dejvicích 20. 7. 2018 v 10:30 (vlevo) a 14:30 (vpravo) SELČ. Zvolený den spadá do období letní měřící kampaně.Snímek Jan Geletič

Jiným známým projevem klimatu měst je zhoršená kvalita ovzduší, velmi často spojovaná s intenzivní automobilovou dopravou. Zejména během období zimních smogových situací se začíná uvažovat o nejrůznějších opatřeních, jak snížit koncentraci znečišťujících látek v ovzduší; od zákazů vytápění tuhými palivy až po zákaz provozu automobilů v určitých zónách nebo omezení podle sudého či lichého čísla registrační značky. Oba zmíněné problémy či specifika klimatu města, nadměrné teplo a zhoršená kvalita ovzduší, jsou charakteristické svou vysokou časoprostorovou variabilitou. Ta je, kromě vlivu reliéfu, mezoklimatu a makroklimatu, dána zejména specifickými radiačními a tepelnými vlastnostmi povrchů a městské vegetace. [2] Radiační a tepelné vlastnosti povrchů ovlivňují nejen teplotní podmínky města, jak lze snadno předpokládat, ale i proudění vzduchu v ulicích. [3] Projevuje se přitom i vliv velmi malých částí povrchu ulic či budov v mikroklimatickém měřítku, rozměrem typicky v jednotkách metrů.

Ve své podstatě se jedná o extrémně složitý systém vzájemných vazeb, které je nezbytné řešit pomocí komplexních numerických modelů.

Nový model PALM

Společně s dalšími týmy v České republice a zahraničí spolupracujeme na vývoji – v současnosti nejkomplexnějšího – městského mikroklimatického modelu PALM, který výrazně přispívá k poznání podstaty procesů nezbytných pro energetickou bilanci města. Model PALM je založen na principu metody velkých vírů (z anglického large-eddy simulation; LES). Vychází z poznání, že hybnost, hmotu, energii a další veličiny v přízemní vrstvě atmosféry zásadně ovlivňují velké víry. Jde o prostorově a časově závislé útvary, proto je můžeme s pomocí dostatečně husté pravidelné trojrozměrné sítě modelovat a následně předvídat jejich chování. Na rozdíl od jiných přístupů modelujeme turbulentní víry přímo, avšak jen pokud jsou dostatečně velké. Pod určitou hranicí velikosti víry s pomocí filtrace turbulentního pole odstraníme a modelujeme tzv. subgridovými modely.

Vedle proudění musí mikroklimatický model přesně simulovat energetické procesy, které se odehrávají v městské mezní vrstvě atmosféry. Jde např. o interakce slunečního světelného a tepelného záření s povrchy ulic, s domy a se stromy, o akumulaci a uvolňování tepla zdmi budov i dalšími materiály a o energetickou bilanci budov. V této oblasti náš tým výrazně přispěl k vývoji modelu PALM, který se stal prvním modelem metody velkých vírů se schopností detailního zachycení energetických procesů v městském prostředí.

Modely metody velkých vírů musí mít jemnou síť a relativně krátký časový krok výpočtu, z čehož vyplývá, že jsou velmi náročné na výpočetní výkon. Simulace obvykle provádíme na superpočítačích nebo rozsáhlých výpočetních clusterech, schopných zpracovat takto rozsáhlé úlohy. Jejich výpočetní výkon často odpovídá více než milionu běžných stolních počítačů. Jen pro představu výpočetní náročnosti našich simulací – je mimořádná. Lze ji pro představu srovnat s numerickou předpovědí počasí; například model ALADIN používaný v Českým hydrometeorologickým ústavem (ČHMÚ) pracuje se sítí o horizontálních rozměrech 1080×864 buněk s prostorovým rozlišením jedné buňky 2,3 km, zatímco model PALM testujeme v prostorovém rozlišení 2 m. Stejně velká mřížka tedy pokryje výrazně menší území, např. část města. Proto model PALM nabízí detailní pohled na strukturu městského prostředí, a to až do úrovně každé jednotlivé ulice. Jemnější měřítko zároveň vyžaduje speciální a velmi detailní vstupní data, která jsou obtížně dostupná. V současné době je stále nutné většinu vstupů připravovat ručně, nejčastěji pomocí terénního mapování.

Pro ověření, že model poskytuje správné výsledky, je nutné výsledky simulace porovnat s měřeními. Standardní meteorologická měření nemají dostatečné časoprostorové rozlišení k ověřování městského modelu s takto jemným rozlišením. Proto organizujeme speciální měřící kampaně, navržené unikátně pro tyto účely. Jedna z nich se konala v létě a na podzim roku 2018 v Praze-Dejvicích. [3] Naměřené výsledky posloužily ke kalibraci a validaci modelu, zároveň poskytly cenné výsledky o přesnosti modelových výstupů. Obdobné kampaně zorganizovali například i vědecké týmy v Berlíně nebo v Hamburku.

Srovnání povrchové teploty vertikálních (vlevo) a horizontálních povrchů (vpravo) naměřené pomocí termální kamery s výsledky simulace v modelu PALM (barevné body představují naměřené hodnoty, linie jsou výsledky modelu). Světle šedá linie znázorňuje výsledek regionálního modelu WRF. Snímek Levá horní fotografie Jan Geletič, zbývající fotografie vznikly během terénního měření v Praze-Dejvicích; viz. [3]

Mikroklima ulice

Prostorové měřítko v řádu jednotek metrů a zahrnutí mikroklimatických procesů, které nabízí model PALM, představuje nový pohled na meteorologii městských ulic. Díky detailnímu radiačnímu modulu můžeme simulovat všechny podstatné procesy v uličním kaňonu; například množství odraženého záření od stěn budov, záření pohlcené stěnami budov nebo korunami stromů, energetické vlastnosti povrchu ulice (vliv barev a materiálů na energetickou bilanci povrchu) apod. Detailní znalost radiačních procesů je nezbytná i pro správnou simulaci turbulentního proudění. Hlavní složka je sice dána regionálními meteorologickými podmínkami, ale tvar, drsnost a ostatní vlastnosti uličního kaňonu, zejména stromy a budovy, proudění významně modifikují stejně jako tepelné toky z těchto objektů. [4]

Vliv radiace a drsnosti je možné v hrubých rysech popsat na příkladu ulice Evropská v Praze, která je východo-západně orientovaná a je známá především intenzivní dopravou. V částech uličního kaňonu, kde jsou po obou stranách budovy, obvykle vzniká vír podobný konvektivní buňce. V letním období u jižně orientovaných – osluněných – stěn se přehřívá povrch ulice a zdí, podél kterých začne teplý vzduch stoupat vzhůru. Naopak na zastíněné straně ulice často dochází k sestupnému pohybu vzduchu a tím k tvorbě víru v ulici. Pokud nad úrovní střech fouká silnější vítr, ten také zásadně ovlivňuje tvorbu víru v uličním kaňonu a tyto dva jevy spolu mohou „soupeřit“. Vzniklé víry mohou dále být ovlivněny stromy nebo vlastnostmi fasád, takže výsledný vír nemusí být jen jeden. Takto vzniklý vír přitom hraje klíčovou roli při transportu oxidů dusíku a prachových částic z dopravy.

Pokud vír v ulici funguje „správně“, pomáhá zlepšovat kvalitu ovzduší, přenáší totiž znečišťující látky ven z uličního kaňonu nad střechy domů. Na proudění v ulici mají výrazný vliv i stromy, které svými korunami proudění zpomalují. Stromy také zachycují část znečištění na svých listech, vedle toho ale díky snížení proudění přispívají k hromadění dopravních emisí v uličním kaňonu. Simulace dokazují, že pokud bychom zmíněnou Evropskou ulici osázeli stromovou alejí, byla by sice povrchová teplota a teplota vzduchu nižší, ale zároveň by v určitých situacích došlo k významnému nárůstu koncentrací znečišťujících látek. Roli by samozřejmě hrál i způsob výsadby; jedna řada stromů uprostřed ulice má jiný efekt než tři řady, z nichž je jedna uprostřed ulice, a dvě podél okrajů. Podstatnou roli hrají i vlastnosti stromů; výška a šířka stromu, tvar koruny nebo hustota jejího olistění. Stromy jsou ve městech zapotřebí, pouze je nutné se před výsadbou zamyslet, jestli bude strom na daném místě plnit zamýšlenou funkci a jaké další faktory ovlivní.

Podobně mohou mikroklima ulice ovlivnit i bílé stěny domů a chodníky. Bílé povrchy díky vysoké odrazivosti (albedu) akumulují méně slunečního záření, více jej odrazí do svého okolí. Následkem je významně nižší povrchová teplota, což vede k mírnému poklesu teploty vzduchu. Ovšem díky zvýšení opakovaných odrazů může v některých případech dojít ke zvýšení vlivu záření na osoby jdoucí po ulici, což se projevuje zvýšením tzv. střední radiační teploty a následně biometeorologických indexů vyjadřujících tepelné zatížení osob.

Snížení teplot povrchů navíc ovlivňuje také vzestupné proudění, což může v některých případech zhoršit ventilaci uličního kaňonu a zvýšit množství znečišťujících látek v jeho nitru. Bílé povrchy, stejně jako stromy, představují jedno z důležitých adaptačních opatření pro současná města. Před každou jejich aplikací je ale nezbytné ujasnit si, v jaké formě a kde mají význam. V pěších zónách center měst je jejich uplatnění většinou bez problémů, ovšem v ulicích s intenzivní dopravou je vhodné komplexní dopady jejich aplikace nejprve prověřit, případně zkombinovat jejich aplikaci s dalšími opatřeními, která omezí možné negativní projevy.