Microclima urbano: impatto dell urbanizzazione sulle condizioni climatiche locali e fattori di mitigazione

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1 Microclima urbano: impatto dell urbanizzazione sulle condizioni climatiche locali e fattori di mitigazione A cura di Giovanni Bonafè Area Meteorologia Ambientale Servizio IdroMeteorologico ARPA Emilia-Romagna dicembre 2006

2 1. INTRODUZIONE 3 2. LE INTERAZIONI TRA SUOLO E ATMOSFERA STRUTTURA DELLO STRATO LIMITE ATMOSFERICO PROFILO LOGARITMICO DEL VENTO TURBOLENZA BILANCIO DI CALORE ALLA SUPERFICIE BILANCIO RADIATIVO ALLA SUPERFICIE 9 3. LE INTERAZIONI TRA SUOLO E ATMOSFERA NELLE AREE URBANE STRUTTURA DELLO STRATO LIMITE URBANO PROFILO LOGARITMICO DEL VENTO NELLE AREE URBANE BILANCIO DI CALORE E BILANCIO RADIATIVO NELLE AREE URBANE L EFFETTO ISOLA DI CALORE URBANA DIVERSI TIPI DI ISOLA DI CALORE CAUSE DELL ISOLA DI CALORE CARATTERISTICHE E CONSEGUENZE DELL ISOLA DI CALORE MITIGAZIONE DELL ISOLA DI CALORE 19 APPENDICE A - L ISOLA DI CALORE A MODENA 21 APPENDICE B VARIABILI FISIOGRAFICHE UTILI PER L ANALISI DEI CLIMI URBANI 24 BIBLIOGRAFIA 28 2

3 1. Introduzione Il benessere e la qualità della vita di ciascuno di noi dipende anche dalle condizioni climatiche dell ambiente in cui viviamo. Circa il 50% della popolazione mondiale vive nelle aree urbane, in Emilia-Romagna la percentuale cresce al 78% (dati ISTAT riferiti al 2002). E naturale e necessario quindi studiare le caratteristiche del clima locale delle nostre aree urbane. Localmente, la presenza di un area urbana modifica la temperatura e l umidità dell aria, il profilo e la struttura dei regimi di circolazione del vento. In molti casi, l urbanizzazione può incidere sul clima locale di una città più intensamente e più rapidamente di quanto non faccia il riscaldamento globale. E il fenomeno della cosiddetta isola di calore. Superfici impermeabili, scarsa vegetazione, consumi energetici e la complessa geometria della struttura urbana sono alla base di questi fenomeni, ma strategie e interventi di mitigazione dell isola di calore sono possibili. Non esiste una ricetta universale però, ogni città ha le sue caratteristiche e dev essere studiata nella sua specificità. Questo rapporto intende fornire le basi di conoscenza minime per comprendere gli elementi in gioco quando si parla di clima urbano. Un glossario comune per avviare un dialogo (e una collaborazione) tra pianificatori urbanistici e meteorologi. 3

4 2. Le interazioni tra suolo e atmosfera Per comprendere quali impatti può avere un area urbana sul clima locale, occorre innanzitutto capire quali sono le caratteristiche, la struttura e i meccanismi fisici principali dello strato limite atmosferico (atmospheric boundary layer, ABL), cioè di quella parte di atmosfera (approssimativamente dalla superficie fino ad un paio di chilometri di quota) influenzata direttamente dalle interazioni con la superficie terrestre Struttura dello strato limite atmosferico In condizioni di alta pressione, su terreni piani o comunque privi di orografie complesse, lo strato limite assume tipicamente una struttura che evolve con un ciclo giornaliero (Stull 1988). Figura 1 Evoluzione diurna della struttura dello strato limite atmosferico (Stull 1988) Le tre componenti principali dell ABL sono lo strato di rimescolamento, lo strato residuo e lo strato limite stabile. Inoltre si distingue uno strato superficiale, corrispondente al primo decimo dello spessore dell ABL. Lo strato rimescolato è riscaldato dal basso (dal suolo che a sua volta è scaldato dal sole), ed è perciò prevalentemente caratterizzato da turbolenza termica e moti convettivi. Nello strato stabile la temperatura aumenta con la quota (inversione termica), perciò il profilo è molto stabile, lo strato è poco rimescolato, i moti verticali sono inibiti; la turbolenza è prevalentemente di origine meccanica, cioè dovuta al vento. Lo strato rimescolato inizia a svilupparsi all alba, quando il suolo si riscalda per effetto dell irraggiamento solare (Figura 1), cresce nel corso della mattina e raggiunge la sua massima altezza nel pomeriggio (fino a 3000m in una giornata di sole estiva, qualche centinaio di metri in una giornata invernale fredda e nuvolosa). Al tramonto viene meno la forzante energetica principale, quella del sole, e perciò i moti convettivi turbolenti che avevano caratterizzato lo strato di rimescolamento si smorzano e si spengono; si forma così lo strato residuo. Dopo il tramonto il suolo cessa di ricevere energia dal sole, mentre continua a irradiare nell infrarosso, raffreddandosi. L aria a contatto con il suolo si raffredda a sua volta, generando un inversione termica (uno 4

5 strato di aria fredda al di sotto di uno strato d aria più calda) e perciò una stratificazione stabile, lo strato limite stabile Profilo logaritmico del vento Nello strato superficiale la velocità del vento cresce approssimativamente con il logaritmo della quota (Figura 2). Il profilo si discosta leggermente dall andamento logaritmico in condizioni di stratificazione instabile (convettiva) e stabile (Figura 3). Figura 2 Tipico profilo logaritmico del vento nello strato superficiale, in condizioni neutre (Stull 1988). M è l intensità media del vento, z la quota. Figura 3 Profili del vento in condizioni neutre, stabili e instabili (Stull 1988). Si noti che l asse della quota è in scala logaritmica, perciò il segmento di retta rappresenta un profilo logaritmico (condizioni neutre). In condizioni neutre l intensità media del vento nel profilo logaritmico segue la relazione u * z M = ln k z0 ed è perciò proporzionale alla velocità di attrito u*, che rappresenta l intensità della turbolenza meccanica originata dall attrito tra suolo e atmosfera (vedi paragrafo 2.3), e al logaritmo del rapporto tra la quota z e la lunghezza di rugosità aerodinamica z 0. Mentre la velocità d attrito varia a seconda delle condizioni meteorologiche, la lunghezza di rugosità aerodinamica è un parametro statico che dipende dalle caratteristiche geometriche della superficie (Tabella 1). 5

6 Tabella 1 Valori tipici della lunghezza di rugosità aerodinamica copertura del terreno valori tipici di z 0 aree urbane m aree suburbane m foreste m terreni agricoli 2 10 cm terreni erbosi cm mare mosso 1 mm mare calmo 0.1 mm 2.3. Turbolenza Spesso, quando si parla di vento e di flussi d aria, si fa riferimento a valori medi di direzione e velocità del vento, generalmente medie orarie. Ma l esperienza e l osservazione quotidiana delle interazioni del vento con la superficie e con gli oggetti suggeriscono l impressione che i flussi d aria seguano traiettorie complesse e rapidamente variabili. Due esempi: gli improvvisi vortici di foglie secche e il movimento ondivago dell erba in un prato. E la turbolenza. La turbolenza è una caratteristica fondamentale dello strato limite, e consiste nella presenza di vortici e onde, di dimensioni variabili da pochi millimetri a più di un chilometro, che interagiscono fra loro. La turbolenza è responsabile del trasporto verticale (cioè dello scambio tra suolo e atmosfera e tra quote diverse all interno dello strato limite) di: energia termica, energia meccanica, umidità, anidride carbonica, inquinanti. Si parla dunque di flussi turbolenti e di diffusione turbolenta. Per misurare e analizzare la turbolenza nello strato limite (è il campo di ricerca della micrometeorologia) occorrono strumenti sofisticati (p.es. l anemometro ultrasonico) in grado di realizzare misure ad alta frequenza (decine di misure ogni secondo), da elaborare poi con specifiche metodologie (p.es. il metodo della correlazione turbolenta o eddy covariance). Nello studio della turbolenza l approccio metodologico più comune consiste nel considerare ogni variabile X da analizzare (temperatura, vento, umidità...) come la somma di due componenti, una parte media X e una parte perturbativa X (Figura 4): X = X + X 6

7 Figura 4 La variabile X si può rappresentare come la somma di due componenti: parte media X e parte perturbativa X Nello studio della turbolenza dello strato limite atmosferico assumono particolare importanza le fluttuazioni della componente verticale del vento w (cioè la sua parte perturbativa w ), e quanto queste siano eventualmente correlate o anticorrelate con le fluttuazioni di altre variabili (le altre componenti del vento, la temperatura, l umidità). Ad esempio, quando il prodotto delle fluttuazioni di velocità verticale e delle fluttuazioni di temperatura (w T ) è mediamente positivo, significa che la parte ascendente dei vortici trasporta aria più calda della parte discendente: il suolo sta cedendo calore (in forma sensibile) all atmosfera. In questo caso si dice che il flusso turbolento di calore sensibile è positivo (Figura 5, sopra). Figura 5 Quando le fluttuazioni di velocità verticale e di temperatura sono correlate (sopra), w T è mediamente positivo; quando le fluttuazioni di velocità verticale e di temperatura sono anticorrelate (sotto), w T è mediamente negativo. Nel primo caso il flusso di calore sensibile è positivo (il suolo cede calore all atmosfera), nel secondo caso è negativo. 7

8 Viceversa, quando w T è mediamente negativo significa che l atmosfera sta cedendo calore al suolo. In questo caso il flusso turbolento di calore sensibile è negativo (Figura 5, sotto). Analogamente, quando il prodotto delle fluttuazioni di velocità verticale e delle fluttuazioni di umidità (w q ) è mediamente positivo, significa che la parte ascendente dei vortici trasporta aria più umida della parte discendente: il suolo sta cedendo umidità all atmosfera (evaporazione). Poiché con l evaporazione il suolo cede anche energia all atmosfera sotto forma di calore latente di evaporazione, in questo caso si dice che il flusso turbolento di calore latente è positivo. Infine, i prodotti delle fluttuazioni verticali e longitudinali w u e delle fluttuazioni verticali e trasversali w v danno una misura dell attrito tra suolo e atmosfera. Si definisce appunto la velocità di attrito come u * = w u + w v 2.4. Bilancio di calore alla superficie Gli scambi di calore tra suolo e atmosfera modificano temperatura, umidità e stabilità dello strato limite atmosferico, perciò in definitiva influenzano le condizioni microclimatiche dei nostri ambienti di vita. In prima approssimazione, e in particolare trascurando per il momento il ruolo delle aree urbane, di cui parleremo più avanti, possiamo considerare valido alla superficie il bilancio di calore (Stull 1988) - Q* s = Q H + Q E - Q G dove assumiamo che abbiano segno positivo i flussi verso l alto, e Q* s = radiazione netta Q H = flusso di calore sensibile Q E = flusso di calore latente = flusso di calore molecolare dal suolo sottostante Q G Figura 6 I termini del bilancio di calore alla superficie, di giorno (a) e di notte (b) (Stull 1988) I flussi di calore hanno valori diversi tra il giorno e la notte, inoltre variano in base alla stagione, alle condizioni meteorologiche, al contenuto d acqua nel terreno, al tipo di suolo e di copertura del terreno (tipo di vegetazione ecc.). A mezzogiorno di una giornata di sole (sopra la terra), -Q* s è positivo perché la radiazione che proviene dal sole (direttamente o indirettamente) e raggiunge la superficie è maggiore di quella che la superficie riflette ed emette verso l atmosfera. Q H e Q E sono positivi, poiché calore sensibile e umidità sono ceduti dal suolo verso l atmosfera. -Q G è positivo poiché la superficie cede calore al suolo sottostante per conduzione molecolare. 8

9 Di notte invece (sopra la terra) -Q* s è spesso negativo (il suolo continua a emettere radiazioni infrarosse, anche quando non riceve più radiazioni dal sole). Q H è negativo, perché l aria cede calore al suolo (che si raffredda più velocemente). Q E è negativo, perché l evaporazione diurna ha ceduto il posto alla formazione di rugiada e brina. Anche -Q G cambia segno, divenendo negativo: ora è il terreno sottostante a cedere calore alla superficie. Figura 7 Componenti del bilancio energetico alla superficie in una giornata estiva a Pitt Meadows, Canada (49 N), sopra un terreno agricolo irrigato (grafico da Stull, 1988; dati da Oke, 1978) Il rapporto tra il flusso di calore sensibile e il flusso di calore latente si chiama rapporto di Bowen QH β = QE e dipende dall umidità disponibile nel suolo, dal tipo di suolo e dalla copertura del terreno (tipo di vegetazione ecc., vedi Tabella 2). Tabella 2 Valori tipici del rapporto di Bowen (Stull 1988) copertura del terreno valori tipici del rapporto di Bowen regioni semi-aride 5 terreni erbosi 0.5 foreste 0.5 terreni erbosi irrigati 0.2 mare Bilancio radiativo alla superficie La radiazione netta Q* s può essere considerata come la somma di quattro componenti (Stull 1988) Q* s = K + K + I + I distinguendo, in base alla frequenza d onda, tra la radiazione solare (o ad onda corta) K e la radiazione infrarossa (o ad onda lunga) I e separando inoltre le componenti verso l alto (dal suolo verso l atmosfera) e le componenti verso il basso (dal sole e dall atmosfera verso la superficie). Quindi: K = radiazione solare riflessa dalla superficie 9

10 K I I = radiazione solare incidente (diretta, dal sole e diffusa, dall atmosfera) = radiazione infrarossa uscente (riflessa ed emessa dalla superficie) = radiazione infrarossa diffusa (dall atmosfera verso la superficie) Figura 8 Componenti del bilancio radiativo alla superficie in una giornata estiva a Saskatchewan, Canada (50 N) sopra un terreno erboso, con cielo sereno al mattino e nuvolosità crescente nel tardo pomeriggio e in serata (grafico da Stull, 1988; dati da Ripley e Redmann, 1976). La radiazione solare uscente K K = a K K è proporzionale alla radiazione solare incidente La frazione di radiazione solare a che viene riflessa dalla superficie si chiama albedo ed è dipendente dal tipo di copertura del suolo e dall angolo di incidenza (Tabella 3). La radiazione infrarossa uscente è somma della parte riflessa e della parte emessa dalla superficie I = I riflessa +I emessa 4 = a IR I + ε σ T ( ε IR 1 ) = I + ε IR IR σ SB SB T 4 dove σ SB è la costante di Stefan-Boltzmann, T la temperatura della superficie e ε IR l emissività nell infrarosso, dipendente dal tipo di copertura del suolo (Tabella 3). Tabella 3 Valori tipici di albedo ed emissività infrarossa (da Stull 1988; dati da Anthes et al. 1987) copertura del valori tipici di albedo terreno estiva invernale valori tipici di emissività infrarossa terreni agricoli terreni erbosi foreste decidue foreste di conifere aree umide

11 3. Le interazioni tra suolo e atmosfera nelle aree urbane 3.1. Struttura dello strato limite urbano Nel paragrafo 2.1 abbiamo descritto la struttura dello strato limite atmosferico in un area rurale, le caratteristiche dei substrati che lo compongono e la loro evoluzione nell arco della giornata. Ora vediamo le peculiarità che distinguono la struttura dello strato limite urbano (urban boundary layer, UBL). La causa principale delle differenze rispetto alla struttura descritta nel paragrafo 2.1 e raffigurata in Figura 1 è la presenza di ostacoli (soprattutto edifici), inusuali in un ambiente naturale per dimensioni ed altre caratteristiche aerodinamiche (p.es. rigidità). Nello strato limite urbano si possono distinguere tre substrati (Rotach 2004, Figura 9): 1. lo strato che va dalla superficie fino all altezza media degli edifici z H si chiama strato di copertura urbana (urban canopy layer, UCL); elemento strutturale caratteristico di questo strato sono i cosiddetti canyon urbani, all interno dei quali si sviluppano vortici trasversali rispetto all asse (Figura 9c); le condizioni termiche nei canyon dipendono dalla frazione di cielo visibile (sky view factor, SVF in Figura 9c; ψ S in Tabella 9); 2. il substrato di rugosità (roughness sublayer, RSL; Figura 9b) include lo strato di copertura urbana e si definisce come lo strato in cui il flusso e la turbolenza sono direttamente influenzati dalla presenza di ostacoli (edifici) ed assumono quindi una struttura variabile nelle tre dimensioni; parte dalla superficie e arriva fino ad una quota z r (Figura 10) che dipende dall altezza e dalla densità degli elementi di rugosità; tipicamente, nelle aree centrali di molte città europee z r è circa il doppio dell altezza media degli edifici, o poco meno; 3. sopra il substrato di rugosità c è il substrato inerziale, all interno del quale i flussi turbolenti non risentono dell effetto locale dei singoli edifici, e sono quindi omogenei; il substrato inerziale si estende dalla quota z r fino a un decimo dello spessore dello strato rimescolato; in particolari condizioni il substrato inerziale non esiste. 11

12 Figura 9 Schema della struttura dello strato limite atmosferico urbano (Rotach et al. 2004) 3.2. Profilo logaritmico del vento nelle aree urbane Un approccio semplificato che consente di descrivere il profilo medio di un vento al di sopra di un area urbana, ovvero in generale in presenza di una copertura (canopy) di ostacoli aerodinamici di dimensioni rilevanti e disposti in una struttura compatta (alberi o edifici), si basa sullo schema del profilo logaritmico descritto nel paragrafo 2.2 e richiede l introduzione di un nuovo parametro, la distanza di spostamento z d (Figura 10). Figura 10 Profilo del vento idealizzato in un area urbana (WMO 2006). La linea spessa continua rappresenta l andamento con la quota della velocità media orizzontale del vento u ; la linea spessa tratteggiata rappresenta il completamento del profilo logaritmico teorico in prossimità dei tetti degli edifici; z d è la distanza di spostamento, z 0 la lunghezza di rugosità, z H l altezza media degli edifici, z r lo spessore del substrato di rugosità. Il profilo del vento al di sopra dell altezza media degli edifici z H diventa quindi 12

13 u * z z d M = ln k z0 La distanza di spostamento dipende dall altezza media degli edifici e dalla loro densità; nelle città europee il rapporto z d / z H ha valori tipici compresi tra 0.5 e 0.9 (Rotach 1992) Bilancio di calore e bilancio radiativo nelle aree urbane Nei paragrafi 2.4 e 2.5 abbiamo visto quali sono i termini in gioco nel bilancio di calore e nel bilancio radiativo alla superficie in un area rurale con copertura vegetativa di piccole dimensioni (senza alberi): Q * s = K + K + I + I = QH + QE + QG La presenza di un area urbana modifica i termini dei due bilanci e introduce due termini nuovi, il flusso di calore antropogenico Q F e il flusso di calore immagazzinato nella struttura urbana Q S : Q* s = K + K + I + I = QH + QE + QG + QF + QS Il flusso di calore antropogenico Q F è una sorgente aggiuntiva di calore che deriva dalle attività umane e dai consumi energetici che esse comportano: traffico, riscaldamento, combustione industriale, produzione e consumo di energia elettrica. Il flusso di calore antropogenico ha valori medi annui compresi tra 15 e 50 W/m 2 nelle aree urbane delle nostre latitudini, e mostra ciclicità diurne e stagionali, con valori più alti di giorno e in inverno. Figura 11 Flusso di calore antropogenico in alcune città, in funzione della densità di popolazione e del consumo energetico pro capite (dati da Oke 1981). 13

14 Tabella 4 Flussi antropogenici di calore in alcune aree urbane, medie annuali (Oke 1981) area urbana latitudine anno Q F (W/m 2 ) Q F /Q* Manhattan 40 N Mosca 56 N Montreal 45 N Budapest 47 N Hong Kong 22 N Osaka 35 N Los Angeles 34 N Berlino Ovest 52 N Vancouver 49 N Sheffield 53 N Fairbanks 64 N area urbana tipica alle medie latitudini N Tabella 5 Valori tipici massimi giornalieri delle componenti del bilancio di calore in alcune città del Nord America (Piringer et al. 2002) Variabile valori tipici radiazione netta < W/m 2 flusso di calore latente W/m 2 flusso di calore sensibile W/m 2 flusso di calore immagazzinato W/m 2 rapporto di Bowen (media delle ore diurne): - aree residenziali aree industriali centro città 9.8 Tabella 6 Valori tipici di ammettenza termica per alcune superfici rurali e urbane (Oke 1981) Materiale o tipologia di superficie valore tipico di ammettenza termica (Jm -2 s -1/2 K -1 ) suolo torboso suolo limoso suolo sabbioso suolo argilloso neve 240 acqua (a 20 C) 1580 roccia legno mattoni 1070 vetro 1110 calcestruzzo asfalto pietra 2220 campagna terreno misto (bosco, palude, coltivato)

15 Materiale o tipologia di superficie valore tipico di ammettenza termica (Jm -2 s -1/2 K -1 ) aree suburbane canyon urbano 1730 aree urbane Il flusso di calore immagazzinato Q S compare anche nel bilancio energetico delle superfici coperte da boschi e foreste, ma nelle aree urbane ha valori significativamente più alti. Q S dipende dai materiali e dalla geometria della struttura urbana, ma soprattutto dalla densità di edifici. In prima approssimazione è possibile esprimere Q S come una funzione (Oke 1981) della frazione di spazi verdi λ V e della frazione di aree edificate λ P (vedi Tabella 9) di giorno: Q S = (0.20 λ V λ P ) Q* + 3λ V + 24λ P di notte: Q S = (0.54 λ V λ P ) Q* L inerzia termica (o ammettenza termica) µ è misura della risposta termica di una superficie ad un dato flusso di calore, e combina conduttività a capacità termica. Essa dipende dai materiali che compongono le superfici, ma nelle città un fattore determinante è la struttura cava degli edifici, che riduce µ (Oke 1981). Comunque l inerzia termica è mediamente leggermente più alta nelle aree urbane rispetto alle aree rurali (1800 contro 1500 Jm -2 s -1/2 K -1 ) (Baklanov et al. 2004). Il rapporto di Bowen β = Q H /Q E è molto variabile e dipende in particolare dalle precipitazioni, ma generalmente nelle aree urbane è più alto rispetto alle aree rurali. L impermeabilità delle superfici nelle città riduce l umidità nel suolo disponibile per l evaporazione, a discapito del flusso di calore latente Q E ; perciò dopo qualche giorno senza pioggia β ha valori piuttosto elevati. Le maggiori concentrazioni di aerosol nelle aree urbane riducono leggermente la radiazione solare entrante K, ma aumentano leggermente la radiazione infrarossa entrante I. D altra parte l albedo delle aree urbane è generalmente leggermente più bassa (per effetto delle superfici più scure e delle riflessioni multiple all interno dei canyon urbani), e questo riduce la radiazione solare uscente K. Al contrario, sebbene l emissività delle aree urbane sia leggermente più bassa di quella delle aree rurali ( contro 0.98), la temperatura più elevata (di cui si parlerà nel capitolo 4) aumenta la radiazione infrarossa uscente I. Queste variazioni delle quattro componenti del bilancio radiativo tendono a compensarsi fra loro, e alla fine la radiazione netta Q* non varia significativamente. 15

16 4. L effetto isola di calore urbana 4.1. Diversi tipi di isola di calore L isola di calore urbana (ICU) è sicuramente il più noto degli effetti dell urbanizzazione sul clima locale. In generale con questo termine si identificano le differenze di temperatura tra un area urbana (più calda) e le aree non urbane che la circondano. Occorre distinguere tre tipi diversi di ICU, a seconda di quali sono le temperature misurate nell area urbana e nelle aree non urbane circostanti: a) differenze di temperatura della superficie o epidermica (skin temperature); b) differenze di temperatura dell aria vicina alla superficie, al di sotto dell altezza media degli edifici (nello strato della copertura urbana, urban canopy layer UCL); c) differenze di temperatura dell aria al di sopra dell altezza media degli edifici (nello strato limite urbano, UBL). Il primo tipo di ICU si rileva tramite immagini da satellite o aeree nei canali dell infrarosso. A seconda della quota e dell inclinazione, la misura include il contributo di tetti, strade, parcheggi (con sensori radiometrici posti a quote sufficientemente elevate) o anche delle pareti degli edifici (con sensori a quote più basse). Gli altri due tipi di ICU si rilevano con termometri tradizionali posti rispettivamente al di sotto e al di sopra della quota media degli edifici circostanti. Nei paragrafi successivi descriveremo l isola di calore dello strato limite urbano (c) Cause dell isola di calore Le cause dell isola di calore sono da ricercare nelle differenze del bilancio energetico; esse variano per intensità e peso relativo tra città e città, ma sostanzialmente sono le seguenti (Oke 1995): 1. di giorno la prevalenza del flusso di calore sensibile sul flusso di calore latente (dovuta alla impermeabilità delle superfici e alla scarsa vegetazione, vedi paragrafo 3.3) riscalda la struttura urbana; 2. nel pomeriggio il flusso di calore sensibile cala più gradualmente rispetto alle aree rurali, e addirittura di notte spesso resta positivo; 3. nel tardo pomeriggio e di sera la struttura urbana rilascia una quantità significativa di calore, immagazzinato durante la giornata; 4. il flusso di calore antropogenico costituisce una sorgente aggiuntiva di energia; raramente è la causa principale dell isola di calore, tuttavia può essere importante, specie d inverno con venti deboli e in condizioni di stabilità atmosferica (inversione termica) Caratteristiche e conseguenze dell isola di calore L isola di calore diurna è di solito relativamente meno intensa (1-2 C) rispetto a quella notturna, ma si può estendere in verticale fino alla quota di diverse centinaia di metri (fin oltre 1000m) e in orizzontale, sottovento alla città, anche per decine di chilometri (è il cosiddetto pennacchio urbano ). Essa è caratterizzata da aria più turbolenta, più calda, più secca e più inquinata. Lo strato rimescolato assume sopra la 16

17 città una forma a cupola, e può essere di qualche centinaio di metri più spesso rispetto alle aree rurali (Oke 1995). Ma l isola di calore si fa sentire soprattutto di notte. Si sviluppa gradualmente nel tardo pomeriggio e in serata, e raggiunge la sua massima intensità nel corso della notte (Figura 13). Nello strato di copertura urbana (UCL) può raggiungere intensità di oltre 10 C. Mentre le aree rurali circostanti si raffreddano per irraggiamento e lo strato superficiale si stabilizza sviluppando un inversione termica (più o meno marcata; vedi paragrafo 2.1), l area urbana, a causa della propria temperatura e degli elementi di rugosità (edifici), conserva una turbolenza residua che attenua o annulla la stabilità atmosferica degli strati più bassi (Figura 14) e dà vita ad una sorta di strato rimescolato notturno. Mentre nelle aree rurali l inversione termica si sviluppa subito dopo il tramonto a partire dalla superficie, nelle aree urbane l inversione si sviluppa 2-4 ore dopo il tramonto, a quote più elevate; nelle ore successive lo spessore dello strato di inversione cresce, mentre si assottiglia lo strato rimescolato notturno (Oke 1995). Al mattino, dopo l alba, talvolta negli strati bassi si verifica un trasporto (avvezione) di aria più fredda dalle aree rurali circostanti verso la città che riduce bruscamente il gradiente termico città-campagna e solleva lo strato di inversione in quota che sovrastava l area urbana di notte. In questa fase di transizione verso il giorno (1-2 ore), lo strato rimescolato cresce più rapidamente nell area rurale. Figura 12 Struttura spaziale idealizzata dell isola di calore Figura 13 Andamento termico giornaliero tipico dell isola di calore urbano rispetto alle zone rurali. 17

18 Figura 14 Profili termici notturni nell isola di calore urbana e nell area rurale circostante. Figura 15 Circolazioni indotte dall isola di calore. Oltre all aumento della turbolenza, l isola di calore urbana ha anche effetti sui venti locali. Specie in condizioni di calma di vento o di venti deboli, si possono sviluppare sistemi di circolazione analoghi alle brezze di mare. L aria calda al centro della città abbassa localmente la pressione, inducendo una circolazione toroidale (Figura 15): flussi di aria convergono nei bassi strati dalle aree suburbane e rurali circostanti verso il centro della città, si sollevano e, più sopra, divergono radialmente verso la periferia, scendendo gradualmente verso la superficie. In effetti tali circolazioni si sviluppano in una struttura complessa, multi-cellulare e intermittente. In prossimità di grandi parchi urbani si sviluppano strutture di circolazione analoghe, ma con le direzioni dei flussi invertite (Oke 1995). Le circolazioni indotte dall isola di calore possono interagire in modi complessi con altre circolazioni locali (brezze mare-terra, brezze di valle). Gli effetti dell isola di calore notturna sulla qualità dell aria possono essere rilevanti, ma non è noto a priori se siano positivi o negativi. La presenza di uno strato turbolento rimescolato notturno, sovrastato da un inversione termica in quota, diluisce l effetto locale delle emissioni inquinanti distribuendole in tutta l area urbana, ma può così favorire le reazioni chimiche che danno luogo alla formazione di particolato secondario. Inoltre, quando di notte il pennacchio del camino di un industria raggiunge lo strato turbolento della città, rapidamente i fumi, che fino a quel momento rimanevano confinati in quota, vengono rimescolati fino alla superficie (è il fenomeno della fumigazione). Le circolazioni indotte dall isola di calore possono richiamare dalla campagna aria più pulita, ma possono anche far convergere verso il centro l aria inquinata di aree industriali o arterie stradali periferiche. 18

19 4.4. Mitigazione dell isola di calore L isola di calore, come abbiamo visto, è un fenomeno locale che si ripete giorno dopo giorno. Le scale spaziali che lo caratterizzano sono di qualche chilometro (o decina di chilometri in particolari condizioni) in orizzontale, di qualche centinaio di metri (fino a un paio di chilometri) in verticale; la scala temporale è la ciclicità giornaliera. Perciò teoricamente azioni e interventi locali possono avere effetti di mitigazione dell isola di calore. E chiaro che le azioni di mitigazione devono modificare i termini del bilancio energetico superficiale, in particolare possono: 1) ridurre il flusso di calore immagazzinato nella struttura urbana Q S ; 2) ridurre il rapporto di Bowen β, cioè trasformare parte del flusso di calore sensibile Q H in flusso di calore latente Q E ; 3) ridurre il flusso di calore antropogenico Q F ; 4) ridurre la radiazione netta Q*. Per realizzare il punto 1) (riduzione del calore immagazzinato) si può: a) modificare la geometria degli edifici (rapporto tra altezza media e larghezza dei canyon, ecc.; vedi Tabella 9); b) selezionare opportunamente i materiali utilizzati (privilegiando quelli a minore ammettenza termica, cioè ad esempio migliorando la coibentazione degli edifici). Generalmente, l azione a) può essere molto più efficace della b), ma è probabilmente anche di più difficile realizzazione. Per realizzare il punto 2) (riduzione del rapporto di Bowen) si possono: a) diminuire le pavimentazioni impermeabili in favore di quelle permeabili; b) aumentare le superfici vegetate nell area urbana. L aumento della vegetazione urbana avrebbe anche il vantaggio di schermare le superfici sottostanti dalla radiazione solare incidente durante il giorno, riducendone il riscaldamento. Tuttavia di notte potrebbe impedire il raffreddamento radiativo delle superfici, contribuendo all isola di calore notturna. Per realizzare il punto 3) (riduzione del flusso di calore antropogenico) si può: a) ridurre i consumi di energia elettrica; b) ridurre il traffico veicolare; c) ridurre i consumi per il riscaldamento domestico. Per realizzare il punto 4) (riduzione della radiazione incidente) si può: a) modificare la geometria degli edifici (rapporto tra altezza media e larghezza dei canyon, ecc.; vedi Tabella 9); b) selezionare opportunamente i materiali utilizzati (privilegiando quelli a maggiore albedo, cioè di colore più chiaro). Non esiste una ricetta universale per la mitigazione dell isola di calore, poiché ogni isola di calore ha caratteristiche proprie e un diverso contributo da parte dei vari elementi in gioco. Alcune azioni si potrebbero rivelare inefficaci o addirittura controproducenti, perciò se si vuole pianificare e mettere in atto una strategia per la mitigazione dell isola di calore, occorre: raccogliere dati sulle caratteristiche dell area urbana oggetto dell analisi (caratteristiche fisiografiche, morfometriche e dei materiali, vedi Appendice B); raccogliere dati meteorologici e micrometeorologici; 19

20 realizzare e calibrare uno strumento modellistico che simuli le caratteristiche del microclima urbano della città e consenta di analizzarlo nella sua complessità e completezza; simulare con il modello alcuni scenari futuri, per valutare l impatto dei vari interventi possibili. 20

21 Appendice A - L isola di calore a Modena Al fine di descrivere e quantificare le variazioni di temperatura e umidità indotte dalla presenza dell area urbana di Modena, sono stati analizzati i dati orari raccolti dalla stazione meteorologica urbana nel periodo ottobre 2004 settembre 2005 e confrontati con quelli della stazione meteorologica rurale di Albareto. La stazione di Modena è una delle dieci stazioni della rete meteorologica urbana dell Emilia Romagna. E composta da un anemometro, un termo-igrometro, un pluviometro, un barometro e un radiometro. Dal maggio 2004, raccoglie dati orari che confluiscono in tempo reale nell archivio del Servizio Idrometeorologico. La stazione è collocata sopra il tetto dell edificio di via Santi 40. Tale collocazione è un tentativo di rispondere alla necessità di misure anemometriche non influenzate dalle disomogeneità morfometriche del terreno tipiche delle aree urbane. L idea è quella di realizzare misure al di sopra del substrato di rugosità (vedi paragrafo 3.1). Tuttavia i dati di temperatura e umidità non sono immuni dalle perturbazioni dovute agli scambi termici dell edificio stesso con l atmosfera e alle caratteristiche di impermeabilità del tetto su cui la stazione è posta; inoltre non si possono considerare a priori rappresentative della temperatura e dell umidità dell aria al livello della strada (cioè nello strato della copertura urbana, vedi paragrafo 3.1). E probabile che l aria sopra il tetto sia più secca e soggetta ad escursioni termiche maggiori rispetto all aria al livello delle strade. D altra parte la struttura termo-igrometrica di un area urbana può presentare forti disomogeneità, perciò è improbabile che un solo termo-igrometro possa fornire misure rappresentative di un intera area urbana. Tenute presenti queste cautele nella generalizzazione dei risultati, l analisi statistica dei dati mostra alcuni elementi interessanti. L area urbana è spesso più calda e secca dell area rurale. Le differenze di temperatura più marcate si verificano di notte (tipicamente tra 2 C e 5 C, ma si arriva anche a 8 C; Figura 16 e Figura 17), soprattutto nei mesi estivi. L effetto isola di calore perlopiù si annulla di giorno. Anche le differenze di umidità relativa sono più marcate nelle ore notturne (tipicamente tra -10% e -40%; Figura 18), ma spesso anche d inverno, nelle ore diurne, non sono affatto trascurabili (tra 0% e -20%). 21

22 Figura 16 Differenze di temperatura ( C) tra la stazione urbana di Modena e la stazione rurale di Albareto (MO) nel trimestre giugno-luglio-agosto Per ciascuna ora della giornata sono riportati minimo, massimo, primo e terzo quartile e mediana. (Analisi a cura di Luca Giordano, Dipartimento di Statistica, Università di Bologna) Figura 17 Distribuzioni di frequenza delle differenze di temperatura ( C) tra la stazione urbana di Modena e la stazione rurale di Albareto (MO) nei trimestri giugno-agosto 2005 (JJA) e dicembre febbraio 2005 (DJF), distinte per fasce orarie diurna ( GMT) e notturna ( GMT). (Analisi a cura di Luca Giordano, Dipartimento di Statistica, Università di Bologna) 22

23 Figura 18 - Distribuzioni di frequenza delle differenze di umidità relativa (%) tra la stazione urbana di Modena e la stazione rurale di Albareto (MO) nei trimestri giugno-agosto 2005 (JJA) e dicembre febbraio 2005 (DJF), distinte per fasce orarie diurna ( GMT) e notturna ( GMT). (Analisi a cura di Luca Giordano, Dipartimento di Statistica, Università di Bologna) 23

24 Appendice B Variabili fisiografiche utili per l analisi dei climi urbani Uno degli elementi fondamentali per la comprensione, l analisi e la rappresentazione delle peculiarità meteorologiche proprie di un area urbana è la conoscenza di alcune caratteristiche del tessuto urbano, dei materiali e delle strutture che lo compongono. Tabella 7 Zone climatiche urbane (UCZ) secondo Oke (WMO, 2006). Nelle immagini le linee continue rappresentano superfici impermeabili, le linee tratteggiate superfici permeabili. UCZ descrizione immagine classe di rugosità 1 zona intensamente urbanizzata con edifici separati, ravvicinati, ad elevato sviluppo verticale, con rivestimento (p.es. centro città con grattacieli) 2 zona intensamente e molto densamente urbanizzata, con edifici a 2-5 piani, contigui o molto ravvicinati, spesso di mattoni o pietra (p.es. centro storico) 3 zona molto urbanizzata, a media densità, con edifici in fila o separati, ma comunque ravvicinati (p.es. area residenziale) 4 zona molto urbanizzata, a densità media o bassa, con edifici estesi e bassi e parcheggi asfaltati (p.es. area commerciale) 5 zona suburbana mediamente sviluppata, a bassa densità, con case a uno o due piani (p.es. aree residenziali suburbane) 6 zone destinate ad uso misto, con grandi edifici circondati da vaste aree non edificate (p.es. ospedali, aeroporti) 7 zone semi-rurali, con case sparse in un area naturale o agricola (p.es. fattorie) rapporto di verticalità dei canyon urbani λ S (vedi Tabella 9) % impermeabile 8 >2 > > (>1 se con alberi) , dipende dagli alberi 4 >0.05, dipende dagli alberi <40 <10 24

25 Tabella 8 Estratto della classificazione di Davenport (Davenport et al. 2000, WMO 2006) della rugosità del terreno classe di terreno 4- scabro, aperto lunghezza di rugosità z 0 (m) descrizione 0.10 campagna moderatamente aperta con ostacoli occasionali (p.es. edifici bassi isolati o alberi), separati tra loro di una distanza pari ad almeno 20 volte la loro altezza 5- scabro 0.25 ostacoli sparsi (edifici), separati di una distanza compresa fra 8 e 12 volte la loro altezza 6- molto scabro 0.5 area senza alberi alti, coperta moderatamente da edifici bassi, separati di una distanza compresa fra 3 e 7 volte la loro altezza 7- skimming 1.0 area densamente edificata, senza variazioni di rilievo nell altezza degli edifici 8- caotico 2.0 centro città con mescolanza di edifici bassi ed edifici ad elevato sviluppo verticale per l analisi è necessaria l altezza di spostamento z d? non è necessaria potrebbe essere necessaria è necessaria è necessaria è raccomandata un analisi con modelli fisici nella galleria del vento Un possibile approccio consiste nella definizione di una serie di categorie di superfici urbane, alle quali possano essere attribuite caratteristiche tipiche. Ellefsen (1990 e 1991) suggerisce uno schema di classificazione articolato in tre tipi basati sulla contiguità degli edifici, ulteriormente differenziabili in 17 sotto-tipi sulla base della funzione, posizione nell area urbana, altezza degli edifici, metodologia ed epoca di costruzione. Basandosi su questo schema, aggregando alcuni sotto-tipi e aggiungendo alcuni parametri, Oke (WMO 2006) suggerisce la classificazione UCZ (Urban Climate Zone), che consente di distinguere all interno di un agglomerato urbano vari distretti, a ciascuno dei quali è possibile attribuire una diversa capacità di modificare il clima locale. La classificazione di Oke, illustrata in Tabella 7, distingue le diverse zone climatiche urbane (UCZ) anche in base alla percentuale di superficie impermeabilizzata (edifici, strade, parcheggi), al rapporto di verticalità dei canyon urbani λ S (definito come il rapporto tra l altezza media dei principali elementi di rugosità, come edifici e alberi, e la distanza media tra elementi vicini; vedi Tabella 9) e alle classi di rugosità di Davenport (2000) definite in Tabella 8. 25

26 Tabella 9 Parametri che descrivono le proprietà di copertura e di struttura tridimensionale delle superfici urbane (Baklanov et al. 2004). I valori tipici delle proprietà di struttura tridimensionale sono calcolati escludendo la vegetazione. parametro immagine descrizione valori tipici λ P indice d area piana degli edifici rapporto tra l area piana coperta da edifici e l area piana totale urbano: 35-65% suburbano: 15-40% λ V indice d area piana della vegetazione rapporto tra l area piana coperta da vegetazione (e talora da terreno nudo) e l area piana totale urbano: 0-35% suburbano: 35-70% λ I indice d area piana delle superfici impermeabili rapporto tra l area piana coperta da superfici impermeabili (esclusi gli edifici, p.es. strade e parcheggi) e l area piana totale urbano: 20-50% suburbano: 10-40% z H altezza media degli edifici media pesata dell altezza di tutti gli edifici, calcolata utilizzando come pesi l area degli edifici stessi urbano: 4-8m suburbano: 8-20m edifici alti: >20m λ F rapporto di esposizione frontale (o indice d area frontale) rapporto fra l area frontale totale degli edifici e l area totale della superficie piana (includendo la vegetazione può quadruplicarsi) urbano: suburbano: edifici alti: >0.4 λ C rapporto di esposizione completa (o indice d area totale) rapporto tra l area della superficie totale tridimensionale e l area totale della superficie piana urbano: suburbano: edifici alti: >2 V P volume degli edifici normalizzato rapporto tra il volume degli edifici e l area totale della superficie piana urbano: 1-3 m 3 /m 2 suburbano: 3-15 m 3 /m 2 edifici alti: >15 m 3 /m 2 D x distanza caratteristica tra elementi distanza tra i centroidi degli edifici D x = L x + W x W x larghezza caratteristica dei canyon urbani ampiezza media dello spazio libero tra gli edifici λ S rapporto di verticalità dei canyon urbani rapporto tra altezza e larghezza dei canyon λ S = z H / W x urbano: suburbano: edifici alti: >2 26

27 parametro immagine descrizione valori tipici L x larghezza media degli edifici λ B ψ S rapporto tra altezza e larghezza degli edifici frazione di cielo visibile λ B = z H / L x urbano: <1 suburbano: 1-3 edifici alti: >2 urbano: suburbano: Un altro possibile approccio consiste nell attribuire una serie di parametri a ciascuno dei distretti (morfologicamente omogenei) costituenti un area urbana. In Tabella 9 sono descritti i parametri più comunemente utilizzati nella descrizione della copertura urbana e delle caratteristiche morfometriche delle aree urbanizzate. Per un analisi completa e la modellizzazione fisico-matematica del clima nelle aree urbane occorrono inoltre: dati sui materiali che compongono le superfici (tetti, pareti, strade e altre superfici al livello del suolo), in particolare: diffusività termica capacità termica albedo emissività ruvidezza dati sui consumi energetici (elettricità e consumo di carburanti per trasporti, riscaldamento e industrie) e sulla temperatura media negli edifici 27

28 Bibliografia Anthes, R.A., E.-Y. Hsie e Y.-H-Kuo, NCAR Tech Note NCAR/TN-282+STR Baklanov A., J. Burzynski, A. Christen, M. Deserti, K. De Ridder, S. Emeis, S. Joffre, A. Karppinen, P. Mestayer, D. Middleton, M. Piringer e M. Tombrou, The urban surface energy budget and mixing height in European cities: data, models and challenges for urban meteorology and air quality. Final Report of Working Group 2 of COST-715 Action. A cura di M. Piringer e S. Joffre Davenport, A. G., et al., Estimating the roughness of cities and sheltered country. Preprints of the Twelfth American Meteorological Society Conference on Applied Climatology (Asheville, N.C., U.S.A.), pp Oke, T.R., 1978: Boundary layer climates. Halsted Press, New York. 372 pp. Oke, T.R., 1981: The surface energy budgets of urban areas. In: Modeling the Urban Boundary Layer. AMS, Boston Oke, T.R., The heat island of the urban boundary layer: characteristics, causes and effects. In: Wind Climate in Cities, a cura di Cermak J.E. et al. pp Kluwer Academic Publishers. Piringer, M., Grimnmond, C.S.B., Joffre, S.M., Mestayer, P., Middleton, D.R., Rotach, M.W., Baklanov, A., De Ridder, K., Ferreira, J., Guilloteau, E., Karppinen, A., Martilli, A., Masson, V., Tombrou, M., Investigating the surface energy balance in urban areas Recent advances and future needs. Water, Air and Soil Poll, Focus 2, Ripley, E.A. e R.E. Redmann, Grassland. In: Vegetation and the Atmosphere, Vol.2, Case studies. A cura di J.L. Monteith. Academic Press, Londra. Pagg Rotach, M.W., Determination of the zero plane displacement in an urban environment. Boundary-Layer Meteorology 67, pp Rotach, M.W., Gryning, S.-E., Batchvarova, E., Christen, A. e Vogt, R., Pollutant dispersion close to an urban surface the BUBBLE tracer experiment. Meteorol. Atm. Phys. 87 (1-3), pp Rotach, M.W., Structure of the urban boundary layer. In: Fisher B. et al., Meteorology applied to urban air pollution problems. Final Report of COST Action 715 WMO (World Meteorological Organisation), Guide to meteorological instruments and methods of observation. Settima edizione, preliminare. Per una bibliografia completa sulla meteorologia urbana (con una sezione dedicata specificamente alla pianificazione urbana) si vedano anche: