Miejska wyspa ciepła na tle naturalnego zróżnicowania termicznego obszaru położonego we wklęsłej formie terenu (na przykładzie Krakowa)

(1)

MIEJSKA WYSPA CIEPŁA

NA TLE NATURALNEGO ZRÓŻNICOWANIA TERMICZNEGO OBSZARU POŁOŻONEGO

WE WKLĘSŁEJ FORMIE TERENU (NA PRZYKŁADZIE KRAKOWA)

Zarys treści: Analiza codziennych wartości temperatury minimalnej i temperatury z godz.

00 UTC z lat 1991−1995 ze stacji Kraków-Ogród Botaniczny, Kraków-Balice, Garlica Murowana, Miechów, Igołomia, Libertów i Gaik-Brzezowa pozwoliła stwierdzić, że na północnym skłonie Pogórza Wielickiego (graniczącym z południową częścią miasta) w ciągu całego roku dominują nocą sytuacje inwersyjne (50,7−66,5% nocy w roku, w zależności od porównywanej pary stacji), o większym natężeniu w półroczu ciepłym niż chłodnym, zaś na południowym skłonie Wyży- ny Krakowskiej (graniczącym z północną częścią miasta) − normalne uwarstwienie termiczne powietrza (49,6−74,6%). Inwersje temperatury między doliną a stacjami pogórskimi występują najczęściej latem, zaś między doliną a stacjami wyżynnymi zimą lub wiosną. Pomiary ze stacji naziemnych, usytuowanych na różnych wysokościach nad dnem doliny, dają tylko przybliżony obraz zróżnicowania temperatury powietrza w profilu pionowym. Mając na uwadze te zastrze- żenia, można jednak stwierdzić, że przez 25% nocy w roku w okolicy Krakowa występuje inwersja dolna o głębokości około 100 m, przez 28% inwersje temperatury o głębokości do 70 m, przez około 14% nocy w roku występuje zjawisko ciepłej strefy na stoku na skłonie Wyżyny, a przez 33% normalne uwarstwienie termiczne. Największa średnia intensywność m.w.c. (1,4°C) związana była z inwersją o głębokości do 70 m. Dla miast położonych we wklęsłych formach terenu intensywność m.w.c. powinno się wyznaczać osobno dla poszczególnych jego części usytuowanych na różnej wysokości względnej.

Słowa kluczowe: miejska wyspa ciepła, inwersja temperatury, rzeźba terenu, Kraków, dolina Wisły

Key words: urban heat island, air temperature inversion, terrain relief, Kraków, Vistula river valley

PRACE GEOGRAFICZNE, zeszyt 122 Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ Kraków 2009

Anita Bokwa

(2)

112 PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122

Wstęp

Miejska wyspa ciepła (m.w.c.) jest najlepiej poznaną cechą klimatu miasta (np.

Fortuniak 2003, Landsberg 1981, Szymanowski 2004). Jak podkreśla Oke (2004), badania m.w.c. powinno się przeprowadzać w miastach położonych na terenach o mało zróżnicowanej rzeźbie i większość opracowań spełnia ten postulat. Wiele miast jest jednak położonych na obszarach o znacznych deniwelacjach terenu, np. w dolinach rzek, co rodzi pytanie: jaką rolę w kształtowaniu klimatu miasta, a zwłaszcza zróżnicowania temperatury powietrza, odgrywają naturalne, lokalne czynniki klimatotwórcze związane z rzeźbą terenu, w porównaniu z oddziaływaniem antropogenicznej, zurbanizowanej powierzchni czynnej? Poszukiwanie odpowiedzi na tak postawione pytanie wymaga rozpatrywania m.w.c. jako elementu szerzej pojętej struktury termicznej obszaru, na którym położone jest miasto. Niniejsza praca, spełniając ten wymóg, jest analizą doko- naną na przykładzie Krakowa, miasta położonego w dolinie Wisły o przebiegu W-E, na terenie, gdzie graniczą ze sobą różne regiony i wielkie struktury tektoniczne: Wyżyny Polskie i Karpaty Zachodnie z Podkarpaciem. Centrum miasta leży w większości w dolinie rzeki, na wysokości około 200 m n.p.m. W części zachodniej Krakowa (mezoregion Pomost Krakowski) usytuowane są wzgórza zrębowe o wysokości 250−350 m n.p.m., między którymi wije się Wisła i jej dopływy, zaś w części wschodniej (mezoregion Równina Nadwiślańska) dolina rzeki, z rozwiniętym systemem teras, znacznie się poszerza, a wysokości bezwzględne nie przekraczają 220 m n.p.m. Dzielnice pół- nocne położone są na terenach należących do mezoregionów Wyżyna Krakowska, Wyżyna Miechowska oraz Płaskowyż Proszowicki i przy granicach miasta osiągają wysokości około 270−300 m n.p.m. Dzielnice południowe wkraczają na obszar mezo- regionów Podgórze Krakowskie i Pogórze Wielickie i wznoszą się do wysokości około 270−300 m n.p.m. (German 2007). Niniejsza praca ma na celu zaprezentowanie zróżnicowania warunków termicznych Krakowa i jego okolic na podstawie pomiarów dokonanych na standardowych stacjach meteorologicznych w latach 1991−1995, roli rzeźby terenu w kształtowaniu termiki tego obszaru oraz propozycji metodycznych dotyczących określania zróżnicowania termicznego i intensywności m.w.c. w mieście położonym w dolinie, ale poza obszarem górskim.

Dotychczasowe badania zróżnicowania przestrzennego warunków termicznych Krakowa

Badania m.w.c. w miastach położonych we wklęsłych formach terenu zostały omówione w pracy Bokwy i in. (2008), a ich wyniki wskazują na wciąż niewystarczające rozpoznanie tego zagadnienia. Kraków i jego okolice to tereny o zróżnicowanej rzeźbie, zatem określenie intensywności m.w.c. napotyka na różnorakie trudności. Pomiary meteorologiczne w Krakowie prowadzone są od XVIII w., ale badania zróżnicowania termicznego obszaru Krakowa zapoczątkowano dopiero po II Wojnie Światowej. Hess (1967, 1974) uważał, że na podstawie danych z jednej stacji pomiarowej, położonej w Ogrodzie Botanicznym w centrum miasta, można określić wieloletnią zmienność klimatu całego Krakowa. Zróżnicowanie przestrzenne warunków klimatycznych na

(3)

113 MIEJSKAWYSPACIEPŁANATLENATURALNEGOZRÓŻNICOWANIATERMICZNEGO...

terenie miasta uważał za możliwe do określenia przy pomocy swojej metody wypraco- wanej dla wyróżniania pięter klimatycznych w polskich Karpatach Zachodnich (Hess 1965). Inni badacze porównywali stację w Ogrodzie Botanicznym ze stacją w Balicach, traktowaną jako pozamiejska. Średnia roczna temperatura minimalna w Krakowie- -Ogrodzie Botanicznym i Balicach w latach 1966−1995 wynosiła odpowiednio 4,5ôC i 3,7ôC i wykazywała podobne tendencje zmian z roku na rok; zawsze cieplejszy był Ogród Botaniczny (Michniewski 2000). Badania porównawcze między Ogrodem Bota- nicznym i Balicami wykonano też na podstawie danych z lat 1966−1975 (Niedźwiedź i in. 1984). Średnie dobowe temperatury powietrza w centrum miasta były wyższe jesienią o 0,5−0,9ôC. Średnie temperatury maksymalne były przez cały rok wyższe w centrum o 0,7ôC, minimalne o 0,7−0,8ôC. Poza miastem było o 6% więcej dni mroź- nych zimą i 4−6% więcej przymrozków wiosną i jesienią (na 200 i 5 cm).

W latach 1970−1974 prowadzono pomiary temperatury równocześnie na trzech stacjach w obrębie Krakowa: Bielany, ul. Borowego i Ogród Botaniczny. Najchłodniej- szym punktem okazały się Bielany (średnia roczna temperatura 8,1ôC), najcieplejszy był Ogród Botaniczny (8,9ôC), zaś na ul. Borowego średnia roczna temperatura powietrza wyniosła 8,3ôC. Ujawnił się zatem tak wpływ rzeźby terenu, jak też m.w.c. (Morawska- -Horawska, Lewik 2003).

Baścik i Zgud (1984) określili zróżnicowanie temperatury powietrza na ówczes- nym osiedlu XXX-lecia w Krakowie na podstawie szczegółowych badań w ciepłym półroczu 1980 r., będących częścią projektu realizowanego w latach 1975−1980 i udokumentowanego w pracy Lewińskiej i in. (1982). Badacze ci stwierdzili tworzenie się w obrębie osiedla lokalnej m.w.c. o strukturze komórkowej. Większe jej nasilenie miało miejsce nocą (do 2°C), mniejsze w ciągu dnia (do 0,6°C).

Na podstawie badań z lat 1975−1976 stwierdzono, że m.w.c. redukowała dolne inwersje temperatury lub powodowała podniesienie ich pułapu. Nie stwierdzono znaczącego wpływu Wisły na pole temperatury w mieście, z uwagi na znaczne pod- wyższenie temperatury wody na skutek zrzutów ciepłych wód z elektrociepłowni w Skawinie (Lewińska 1979).

Drużkowski (1992) na podstawie danych z lat 1976−1985 z Ogrodu Botanicznego, Balic, Libertowa i Polanki Haller stwierdził, że m.w.c. jest najintensywniejsza w zimie i w dzień (średnia roczna 0,8^oC). Małe różnice temperatury nocą są spowodowane poło- żeniem stacji w Ogrodzie, gdzie mają miejsce spływy i stagnacja chłodnego powietrza.

Oddziaływanie m.w.c. jest większe niż rzeźby terenu, czego dowodzi zanik inwersji temperatury charakterystyczny dla wklęsłych form terenu. Kożuchowski (1995), po- równując zmiany temperatury powietrza w Krakowie, Bochni, Wieliczce i Tarnowie w latach 1951−1990, stwierdził, że średnia roczna temperatura Krakowa wzrosła o 0,24ô/10 lat; z 8,4ôC w 1951 r. do 9,4ôC w 1990 r. Różnica między średnią roczną temperaturą Krakowa a średnią dla pozostałych stacji wzrastała do końca lat 70. XX w., potem nieco zmalała, co może być związane z panującym wtedy kryzysem gospodar- czym. (Lewińska (1996) interpretuje zmniejszenie się różnicy temperatury minimalnej między Krakowem i Wieliczką w latach 1951−1980 jako dowód na rozwój przestrzenny krakowskiej m.w.c). Poszerzenie analizy o dane z lat 1851−1950 pozwoliło stwierdzić, że w okresie przed rozwojem przemysłu Kraków był zazwyczaj chłodniejszy niż pozostałe

(4)

stacje, zaś potem sytuacja ta się odwróciła. W świetle pracy Drużkowskiego (1992) można zatem stwierdzić, że przed okresem intensywnego rozwoju przemysłowego główną rolę w kształtowaniu klimatu Krakowa odgrywała rzeźba terenu, natomiast potem górę wzięły wpływy antropogeniczne. Kożuchowski (1995), w przeciwieństwie do Drużkowskiego, twierdzi, że m.w.c. jest w Krakowie najintensywniejsza latem, gdyż wtedy występują największe średnie miesięczne różnice temperatury między Krakowem a pozostałymi stacjami, przy czym Kożuchowski wykorzystywał dane ze stacji Kraków-Ogród Botaniczny „Stacja Historyczna”, zaś Drużkowski ze stacji Kra- ków-Ogród Botaniczny z ogródka meteorologicznego.

Lewińska (1996) określiła natężenie krakowskiej m.w.c. na 1,2ôC, choć sporadycznie może ono wynosić nawet 5−7ôC. Największe natężenie m.w.c. zdaniem tej autorki występuje w chłodnej porze roku nocą (zaś Drużkowski (1992) twierdzi, że w zimie w dzień, a Kożuchowski (1995), że latem). Lewińska i Zgud (1980) na podstawie badań terenowych przeprowadzonych w latach 1975−1978 na 20 stacjach meteorologicznych rozmieszczonych na terenie Krakowa stwierdzili, że największe różnice temperatury występowały między zabudową śródmiejską a terenem pozamiejskim (do 2ôC), mniejsze w przypadku zabudowy osiedlowej, najmniejsze dla parków (z wyjątkiem temperatury maksymalnej zimą). Ci sami autorzy stwierdzili także, że w Krakowie m.w.c. powinna zanikać przy prędkości wiatru powyżej 8 m⋅s^-1. Amplitudy temperatury były w mieście znacznie niższe niż poza miastem. Termiczne lato w śródmieściu trwało o 25 dni dłużej niż poza miastem, zima zaś znacznie krócej niż na terenach zamiejskich. Wzrost natężenia miejskiej wyspy ciepła wiązał się ze wzrostem amplitudy temperatury powietrza, wartości gradientu temperatury w profilu 100 m nad doliną oraz stężenia zanieczyszczeń pyłowych. Wzrost prędkości wiatru i zachmurzenia wywoływał spadek natężenia m.w.c., przy czym w zamkniętych ukła- dach urbanistycznych wpływ wiatru był nieistotny.

Zasięg pionowy m.w.c. był badany w 1976 r. przy użyciu meteorografu zamonto- wanego na pokładzie samolotu. Ustalono, że latem sięga ona około 200 m n.p.g., a około południa zanika (Morawska-Horawska, Cebulak 1981). Badania struktury pionowej powietrza na terenie Krakowa podsumował Walczewski (1994). Średnią głębokość inwersji dolnych w Krakowie różni autorzy oceniali na 60−200 m.

Przedstawiony przegląd literatury pozwala stwierdzić, że zagadnienie m.w.c.

w przypadku Krakowa było szeroko badane poprzez porównanie danych ze stacji w Balicach i Ogrodzie Botanicznym. Warto jednak w tym miejscu zaznaczyć, że stacja w Ogrodzie Botanicznym chociaż usytuowana jest w centrum miasta, to jednak wśród zieleni wysokiej, zatem wyniki pomiarów nie są reprezentatywne dla typowych warunków miejskich, czyli zwartej zabudowy. Wpływ rzeźby na kształtowanie się temperatury powietrza badano łącznie z wpływem obecności powierzchni miejskiej.

Jedynie badania zorganizowane przez Lewińską w latach 1975−1978 w postaci sieci pomiarowej na terenie miasta i okolic stwarzały szansę na poznanie faktycznego zróżnicowania termicznego Krakowa. W publikacjach wydanych na podstawie tych badań przyjęto jednak zasadę, aby porównywać pomiary z różnych części miasta z uśrednionymi pomiarami z kilku stacji pozamiejskich, mimo że stacje te były usytuowane w różnych formach terenu. Ponadto pomiary wykonywano jedynie w dzień,

(5)

za reprezentatywne dla nocy uznano wartości temperatury minimalnej. Nie zachowały się, niestety, podstawowe dane z badań terenowych, zatem dziś niemożliwe jest opracowanie wyników tych pomiarów w inny sposób. Uzyskane wówczas wyniki należy dziś traktować jedynie jako orientacyjne, gdyż w ciągu ostatnich 30 lat w Krakowie powstały liczne nowe osiedla mieszkaniowe i wiele obszarów wówczas pozamiejskich, położonych w różnych formach terenu, dziś stanowi część miasta. Próby wyznaczania intensywności m.w.c. podejmowane przez różnych autorów także obarczone były brakiem choćby kilku pomiarów nocą i ryzykownym doborem stacji pozamiejskich.

Skłoniło to autorkę niniejszego opracowania do zorganizowania automatycznych po- miarów temperatury powietrza w mieście i poza miastem oraz analizy wspomnianych zagadnień z nowego punktu widzenia.

Dane pomiarowe

W niniejszym opracowaniu wykorzystano codzienne dane pomiarowe dotyczące temperatury powietrza ze standardowych stacji meteorologicznych z lat 1991−1995.

Stacje położone w terenie pozamiejskim reprezentują różne mezoregiony (określone za: German 2000−2001):

– Igołomia: 202 m n.p.m., wschodnia, szeroka część doliny Wisły, w obrębie Równiny Nadwiślańskiej;

– Balice: 237 m n.p.m., zachodnia, wąska część doliny Wisły, Obniżenie Cholerzyń- skie;

– Garlica Murowana: 270 m n.p.m., południowy skłon Wyżyny Krakowskiej;

– Miechów: 290 m n.p.m., wierzchowina Wyżyny Miechowskiej;

– Libertów: 314 m n.p.m., wierzchowina Pogórza Wielickiego;

– Gaik-Brzezowa: 302 m n.p.m., wierzchowina Pogórza Wielickiego.

Wyniki pomiarów z tych stacji porównano z danymi ze stacji klimatologicznej IGiGP UJ w Ogrodzie Botanicznym, położonej na granicy między Pomostem Krakow- skim i Równiną Nadwiślańską (ryc. 1). Dobór okresu pomiarowego podyktowany został dostępnością danych; mimo że poszczególne stacje mogą się poszczycić wieloletnimi seriami pomiarowymi, to tylko w okresie 1991−1995 pomiary prowadzono równolegle we wszystkich punktach. Wykorzystano wyniki pomiarów temperatury powietrza z czterech głównych terminów pomiarowych oraz temperatur ekstremalnych. W Garlicy Murowanej nie były prowadzone pomiary temperatury maksymalnej oraz pomiary o godz. 00:00 UTC, także w Igołomi brak pomiarów o godz. 00:00 UTC. Średnią do- bową temperaturę powietrza obliczono wg obecnie obowiązującego wzoru: (t6 +t18 +tmax +t min)/4.

Rola rzeźby terenu w kształtowaniu warunków termicznych okolic Krakowa

Badanie m.w.c. w Krakowie należy poprzedzić rozpoznaniem warunków termicznych panujących poza miastem, w dolinie Wisły i na otaczających ją wzniesieniach.

Drużkowski (1992) przedstawił to zagadnienie tylko w bardzo ograniczonym zakresie.

(6)

Opracowanie poświęcone warunkom termicznym w dolinie Wisły zawiera praca Bokwy i Limanówki (2008), dlatego w niniejszym artykule główny nacisk zostanie położony na różnice między doliną Wisły a wzniesieniami po północnej i południowej stronie miasta. Naturalne zróżnicowanie termiczne omawianego obszaru, z wyłączeniem wpły- wów urbanizacji, można zanalizować na podstawie danych z lat 1991−1995 ze stacji reprezentujących tereny pozamiejskie położone w różnych formach geomorfologicz- nych. Średnia roczna temperatura powietrza na omawianym terenie waha się od 7,9°C w Miechowie do 8,5°C w Libertowie i Gaiku-Brzezowej. Miechów jest najchłodniejszą stacją także w świetle średniej rocznej wartości temperatury maksymalnej (12,7°C) i minimalnej (3,6°C). Średnia roczna amplituda temperatury jest najwyższa w Balicach (9,4°C), czyli na dnie wklęsłej formy terenu, a najniższa w Libertowie (8,1°C), czyli na wzniesieniu znajdującym się około 100 m nad dnem doliny. W poszczególnych termi- nach pomiarowych średnie roczne różnice między stacją najcieplejszą i najchłodniejszą sięgają 1,1°C. Zwraca uwagę wyraźne uprzywilejowanie termiczne, zwłaszcza nocą, stacji położonych na Pogórzu Wielickim: Libertowa i Gaika-Brzezowej, w porównaniu tak ze stacjami położonymi w dolinie (Balice i Igołomia), jak też położonymi na Wyży- nie Krakowskiej i Wyżynie Miechowskiej (Garlica Murowana i Miechów). W świetle średnich wartości temperatury minimalnej i temperatury z godz. 00:00 UTC, nocą na stacjach wyżynnych jest chłodniej niż w dnie doliny. Stacje te znajdują się na znacznej wysokości nad dnem doliny, podobnie jak stacje pogórskie, dlatego można przypusz- czać, że temperatura będzie tam wyższa. Garlica Murowana i Miechów znajdują się jednak od 10 do 30 m niżej niż stacje pogórskie (tab. 1). Jedną z przyczyn takich różnic może być częste występowanie inwersji temperatury powietrza w dolinie Wisły, ale Tab. 1. Średnie roczne wartości wybranych charakterystyk termicznych (w °C) na stacjach na obszarze Krakowa i okolic w latach 1991−1995

Table 1. Mean annual values of chosen thermal characteristics (in °C) at the stations in Kraków and its vicinity in the years 1991−1995

Objaśnienia: O – Ogród Botaniczny, I – Igołomia, B – Balice, GM – Garlica Murowana, M – Miechów, L – Libertów, GB – Gaik-Brzezowa, t – średnia roczna temperatura powietrza, t min. – średnia roczna temperatura minimalna, t maks. – średnia roczna temperatura maksymalna, t 00 UTC, t 06 UTC itd. – średnia roczna temperatura z godziny 00:00 UTC, 06:00 UTC itd.

Explanations: O – Botanical Gardens, I – Igołomia, B – Balice, GM – Garlica Murowana, M – Miechów, L – Libertów, GB – Gaik-Brzezowa, t – mean annual air temperature, t min. – mean annual minimum temperature, t maks. – mean annual maximum temperature, t 00 UTC, t 06 UTC etc. – mean annual air temperature at 00:00 UTC, 06:00 UTC etc.

(7)

Ryc. 1. Położenie stacji meteorologicznych Fig. 1. Location of meteorological stations

Opracowanie: Jakub Walawender.

Figure prepared by Jakub Walawender.

Explanations: wysokość – height, wody – waters, punkty pomiarowe – measurement points, granica admi- nistracyjna Krakowa – administrative borders of Kraków, obszary zabudowane – built-up areas

(8)

Ryc. 2. Średnie miesięczne wartości różnic temperatury minimalnej (a, b) i temperatury terminowej z godz. 00:00 UTC (c) między badanymi stacjami w latach 1991−1995

Fig. 2. Mean monthly values of the minimum air temperature differences (a, b) and the differences in the air temperature at 00:00 UTC (c) between the studied stations in the years 1991−1995

Objaśnienia/Explanations: B – Balice, L – Libertów, GM – Garlica Murowana, I – Igołomia, M – Miechów, GB – Gaik-Brzezowa

(9)

o wysokości mniejszej niż 200 m, a taką jako najczęściej występującą podają Moraw- ska-Horawska i Cebulak (1981) czy Walczewski (1994). Prawdopodobnie wysokość ta wynosi około 80−90 m nad poziom dna doliny Wisły. Odrębnym zagadnieniem jest wpływ podłoża. Stacje pogórskie leżą na obszarach fliszowych, zaś wyżynne na węgla- nowych skałach kredowych. Każdy z tych kompleksów skalnych ma inne parametry związane z pojemnością i przewodnictwem cieplnym, co dodatkowo może wpływać na obserwowane zróżnicowanie temperatury powietrza.

Z punktu widzenia badania zróżnicowania przestrzennego temperatury powietrza w mieście, najistotniejsze jest kształtowanie się temperatury nocą. Cechy charaktery- styczne zróżnicowania termicznego omawianego terenu w przebiegu rocznym w nocy można ocenić na podstawie analizy średnich miesięcznych wartości różnic temperatury minimalnej i temperatury terminowej z godz. 00:00 UTC między stacjami położonymi w dolinie Wisły i na wypukłych formach terenu po stronie północnej i południowej (ryc. 2). Jak wspomniano wcześniej, dane z godz. 00:00 UTC dostępne są dla mniejszej liczby stacji niż dane o temperaturze minimalnej. Uwzględniono je jednak jako cenne uzupełnienie obrazu termiki powietrza nocą, gdyż − w przeciwieństwie do wartości temperatury minimalnej − prezentują wyniki pomiarów jednoczesnych. Zarówno roczny przebieg różnic średnich miesięcznych temperatur minimalnych, jak też przebieg różnic temperatury z godz. 00:00 UTC wskazują na znaczącą odmienność termiczną obszarów reprezentowanych przez stacje po północnej i południowej stronie miasta oraz na zróżnicowanie między wschodnią i zachodnią częścią doliny Wisły. Stacje w Libertowie i Garlicy Murowanej znajdują się w bezpośrednim sąsiedztwie Krakowa, natomiast Gaik-Brzezowa i Miechów położone są około 40 km na południe i północ od Krakowa, dlatego też różnice temperatury minimalnej przedstawiono osobno dla tych par stacji (ryc. 2a i b). Półrocze ciepłe charakteryzują większe wartości różnic (od -1,5°C do 0,8°C) niż półrocze chłodne (od -1,0°C do 0,7°C). Wartości różnic między stacjami w dolinie i na Pogórzu Wielickim ponownie wskazują na występowanie inwersji temperatury powietrza (wartości ujemne) w ciągu całego roku, przy czym − jak wspomniano − o większym natężeniu w półroczu ciepłym. Różnice między stacjami dolinnymi i wyżynnymi mają przebieg dużo mniej zróżnicowany w ciągu roku niż różnice między stacjami w dolinie i pogórskimi, a wartości wskazujące na inwersję termiczną pojawiają się tylko sporadycznie w półroczu chłodnym. Oznacza to, że na skłonie Pogórza Wielickiego dominują nocą sytuacje inwersyjne, zaś na skłonie Wy- żyny Krakowskiej i na Wyżynie Miechowskiej normalne uwarstwienie termiczne, co jest zbieżne z wynikami analizy danych z tabeli 1 i wskazuje na częste występowanie inwersji termicznych, kiedy to stacje niżej położone, znajdujące się na Wyżynie Kra- kowskiej i Wyżynie Miechowskiej, są w zasięgu inwersji dolnej, a stacje na Pogórzu Wielickim − powyżej. Wyniki te są także zbieżne z sugestiami Walczewskiego (1994), który wskazywał na możliwość znacznych różnic temperatury powietrza po północnej i południowej stronie miasta w przypadku niskich inwersji dolnych. Rycina 2a i b po- kazują ponadto, że na stacji w Igołomi, położonej w szerokiej części doliny Wisły, jest stale cieplej niż w Balicach, położonych w wąskiej części doliny. W półroczu chłodnym różnice są największe i dochodzą do 0,5°C. Przebieg roczny różnic z godz. 00:00 UTC potwierdza powyższe wyniki (ryc. 2c).

(10)

Aby dokładniej zbadać zasygnalizowane powyżej prawidłowości, dla par stacji pozamiejskich zaprezentowanych na ryc. 2 obliczono częstość występowania inwersji temperatury, normalnego uwarstwienia termicznego powietrza i izotermii na podstawie różnic temperatury minimalnej oraz różnic temperatury z godz. 00:00 UTC (tab. 2 i 3), a także częstość różnic temperatury minimalnej i z godz. 00:00 UTC w przedziałach co 1,0°C, w porach roku (ryc. 3−5).

Tab. 2. Częstość (%) występowania inwersji temperatury powietrza, normalnego uwarstwienia termicznego i izotermii między parami badanych stacji w latach 1991−1995 na podstawie różnic temperatury minimalnej

Table 2. Frequency (%) of air temperature inversions, normal temperature stratification and isothermal conditions between the pairs of the studied stations in the years 1991−1995, based on the differences in the minimum air temperature

Objaśnienia/Explanations: B – Balice, GB – Gaik-Brzezowa, L – Libertów, I – Igołomia, GM – Garlica Murowana, M – Miechów.

Dane z tabel 2 i 3 potwierdzają wcześniejsze wyniki i wskazują, że na stokach Pogórza Wielickiego inwersje występują przez ponad połowę nocy w roku (50,7−66,5%), zaś na stokach Wyżyny Krakowskiej najczęściej występuje normalne uwarstwienie termiczne powietrza (49,6−74,6%). Wyniki uzyskane na podstawie porównania wartości temperatury minimalnej są zbieżne z wynikami uzyskanymi z porównania wartości z godziny 00:00 UTC. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na zagadnienie określa- nia średniej rocznej częstości inwersji temperatury w okolicy Krakowa. W zależności od tego, które pary stacji weźmiemy pod uwagę, wynik będzie się wahał od 23,0 do

(11)

66,5%. Konieczne jest zatem ukazanie tego zjawiska w szerszym kontekście, co zostanie przedstawione w dal- szej części pracy. Rozkład częstości w porach roku dowodzi, że inwersje temperatury między doliną a stacjami pogórskimi występują najczęściej latem, zaś między doliną a stacjami wyżynnymi zimą lub wiosną.

Dalsza analiza danych dla po- szczególnych pór roku (ryc. 3−5) wskazuje na inny rozkład udziału różnic w poszczególnych przedziałach wartości dla par stacji reprezentują- cych północną i południową część omawianego terenu. Najwyraźniej widać to latem i jesienią, kiedy różnice temperatury minimalnej (ryc. 3 i 4) między doliną Wisły a Pogórzem Wielickim osiągają najwyższe często- ści w przedziałach mieszczących się w zakresie od -1,1 do -4,0°C, zaś różnice między doliną a Wyżyną Kra- kowską i Wyżyną Miechowską w prze- działach od -1,0 do 1,0°C, co podkreśla wspomnianą wcześniej odmienność warunków termicznych północnej i południowej części miasta. Jesienią i zimą występuje więcej przypadków dużych ujemnych różnic temperatury (<-4°C) między stacjami w dolinie

i na Pogórzu Wielickim niż wiosną i latem. Między stacjami w dolinie i na Wyżynie Krakowskiej oraz Wyżynie Miechowskiej takie różnice praktycznie nie występują.

Porównanie różnic uzyskanych na podstawie danych ze stacji położonych dalej (ryc. 3) i bliżej (ryc. 4) miasta wskazuje, że choć w ogólnych zarysach otrzymane wyniki są podobne, to jednak w niektórych przypadkach występują istotne różnice, np. jesienią różnice temperatury minimalnej między Balicami a Miechowem osiągają największą częstość w przedziale 0,0−1,0°C, zaś między Balicami a Garlicą Murowaną w przedziale -0,1−(-1,0)°C. Jest to kolejnym dowodem na konieczność rozpatrywania warunków termicznych miasta położonego we wklęsłej formie terenu na szerszym tle mezoregio- nalnym. Porównanie ryc. 3 i 4 z ryc. 5 pozwala stwierdzić, że zróżnicowanie termiczne omawianego obszaru określane na podstawie wartości temperatury minimalnej jest zazwyczaj bardzo podobne do zróżnicowania określonego na podstawie analizy wartości z godz. 00:00 UTC.

Tab. 3. Częstość (%) występowania inwersji temperatury powietrza, normalnego uwarstwienia termicznego i izotermii między parami badanych stacji w latach 1991−1995 na podstawie różnic temperatury z godz. 00:00 UTC

Table 3. Frequency (%) of air temperature inversions, normal temperature stratification and isothermal conditions between the pairs of the studied stations in the years 1991−1995, based on the differences in the air temperature at 00:00 UTC

Objaśnienia/Explanations: jak przy tab. 2 (as in table 2).

(12)

Ryc. 3. Częstość (%) różnic temperatury minimalnej między Balicami i Igołomią a Gaikiem- -Brzezową i Miechowem w przedziałach co 1,0°C w porach roku w latach 1991−1995

Fig. 3. Frequency (%) of differences in minimum air temperature between Balice, Igołomia, Gaik-Brzezowa and Miechów, in 1-degree intervals, in seasons, in the period 1991−1995 Objaśnienia/Explanations: B – Balice, GB – Gaik-Brzezowa, I – Igołomia, M – Miechów

(13)

Ryc. 4. Częstość (%) różnic temperatury minimalnej między Balicami i Igołomią a Libertowem i Garlicą Murowaną w przedziałach co 1,0°C w porach roku w latach 1991−1995

Fig. 4. Frequency (%) of differences in minimum air temperature between Balice, Igołomia, Libertów and Garlica Murowana, in 1-degree intervals, in seasons, in the period 1991−1995 Objaśnienia/Explanations: B – Balice, L − Libertów, I – Igołomia, GM – Garlica Murowana.

(14)

Ryc. 5. Częstość (%) różnic temperatury z godz. 00:00 UTC między Balicami a Gaikiem-Brze- zową, Libertowem i Miechowem w przedziałach co 1,0°C w porach roku w latach 1991−1995 Fig. 5. Frequency (%) of differences in air temperature at 00:00 UTC between Balice, Gaik- Brzezowa, Libertów and Miechów, in 1-degree intervals, in seasons, in the period 1991−1995 Objaśnienia/Explanations: B – Balice, GB – Gaik-Brzezowa, L – Libertów, M – Miechów.

(15)

Mając na uwadze przedstawione dotychczas wyniki, wyznaczono noce, kiedy róż- nice temperatury minimalnej między stacjami w dolinie Wisły i na Pogórzu Wielickim oraz w dolinie i na Wyżynie Krakowskiej miały przeciwny znak, czyli w jednej części omawianego obszaru występowały różnice ujemne, wskazujące na inwersję temperatury powietrza, a w drugiej różnice dodatnie, oznaczające normalne uwarstwienie termiczne. W przypadku pary różnic Igołomia−Libertów i Igołomia−Garlica Murowana różne znaki wystąpiły w 35,3% nocy, zaś w przypadku pary różnic Balice−Libertów i Balice−Garlica Murowana w 38,6% nocy. Dla pierwszej pary różnic w 70% z badanych przypadków (czyli 24,6% nocy w roku) różnica Igołomia−Libertów wskazywała inwersję, a różnica Igołomia−Garlica Murowana normalne uwarstwienie termiczne.

W pozostałych 30% przypadków było odwrotnie. W drugiej parze różnic w 64% (czyli także 24,6% nocy w roku) przypadków różnica Balice−Libertów wskazywała inwersję, a różnica Balice−Garlica Murowana normalne uwarstwienie termiczne. Przypadki różnic temperatury minimalnej o odmiennych znakach występują we wszystkich miesiącach roku, nie wykazują też wyraźnej zależności od typu cyrkulacji atmosferycznej, wielkości zachmurzenia czy prędkości wiatru.

Przedstawione wyniki pozwalają stwierdzić, że najprawdopodobniej przez 25%

nocy w roku w okolicy Krakowa występuje inwersja dolna o głębokości około 100 m, co powoduje, że temperatura na Wyżynie Krakowskiej jest niższa niż w dolinie Wisły, a na Pogórzu Wielickim wyższa. Przez około 14% nocy w roku ma miejsce sytuacja odwrotna, tzn. temperatura na Pogórzu Wielickim jest niższa niż w dolinie Wisły, a na Wyżynie Krakowskiej wyższa, co sugeruje występowanie zjawiska ciepłej strefy na stoku, przy czym nie wiadomo, czy występuje ona wówczas także na stokach o ekspozycji północnej. Przez pozostałe około 60% nocy w roku różnice między Balicami i Libertowem oraz Balicami i Garlicą Murowaną mają te same znaki, z czego 54,1%

(33% dni w roku) dodatnie, co wskazuje na normalne uwarstwienie termiczne, a 45,9%

(28% dni w roku) ujemne, co oznacza inwersje temperatury o głębokości do 70 m.

Powyższe rozważania obarczone są zastrzeżeniami metodycznymi, które zostały omówione przez Walczewskiego (1994). W niniejszej analizie porównywane są bowiem pomiary wykonywane nie w profilu pionowym w jednym miejscu, ale na kilku stacjach naziemnych, oddalonych od siebie o kilka czy kilkanaście kilometrów. Lewińska i in.

(1982) udowodnili jednak, że wyniki sondaży aerologicznych wykazują dużą zgod- ność z pomiarami ze stacji naziemnych położonych na różnych wysokościach nad poziomem dna doliny Wisły w Krakowie. Ponadto Walczewski (1994) omawia inne pomiary dotyczące występowania inwersji w Krakowie, zazwyczaj przeprowadzane jedynie w porze dziennej. Zwykle porównywano dane z punktów pomiarowych w dolinie i zarazem w mieście z punktami położonymi na pobliskich wierzchowinach i na obszarach pozamiejskich, czyli na wpływ rzeźby terenu nakładał się wpływ jego użytkowania terenu. Głębokość zaobserwowanych inwersji dolnych wahała się od 60 do 200 m. Wyników tych nie można zatem odnieść bezpośrednio do zaprezentowanych powyżej pomiarów nocnych ze stacji naziemnych, tym bardziej że w niniejszym opracowaniu porównywano jedynie stacje pozamiejskie położone w różnych formach terenu. Zaprezentowane wyniki analiz ukazują, choć z pewnym przybliżeniem, charakter zróżnicowania termicznego powietrza na Krakowem w profilu pionowym.

(16)

Dalszego wyjaśnienia wymaga natomiast określenie czynników decydujących o typie uwarstwienia termicznego i głębokości warstwy inwersyjnej.

Warunki termiczne Krakowa na tle termiki okolic miasta

Obszar Krakowa jest położony w różnych jednostkach fizycznogeograficznych, na terenach o różnej ekspozycji, wysokości względnej i bezwzględnej. Regularne, wieloletnie pomiary i obserwacje meteorologiczne na terenie miasta są jednak prowadzone jedynie na stacji w Ogrodzie Botanicznym, która z mikroklimatycznego punktu widzenia reprezentuje zieleń wysoką w centrum miasta, w dolinie Wisły.

Nie są to zatem warunki typowo miejskie. Pomiarów tam wykonywanych nie można więc uznać za reprezentatywne dla tych części miasta, które leżą w innych formach terenu. W poprzednim rozdziale została zaprezentowana struktura termiczna obsza- rów pozamiejskich wokół Krakowa. Udowodniono, że każda ze stacji pozamiejskich reprezentuje obszar o odmiennym reżimie termicznym. Można zatem założyć, że i w termice poszczególnych części miasta widoczne będą wpływy rzeźby terenu.

Otwarte pozostaje jednak pytanie: w jakim stopniu wpływy te są modyfikowane przez miejskie użytkowanie terenu?

W nawiązaniu do wyników zaprezentowanych w poprzednim rozdziale należy założyć, że aby ocenić wpływ miejskiego użytkowania terenu na modyfikację temperatury powietrza, z wyłączeniem wpływu rzeźby, czyli aby wyznaczyć wielkość miejskiej wyspy ciepła, dane ze stacji w Ogrodzie Botanicznym należy porównywać z danymi z Balic. Obie te stacje położone są bowiem w wąskiej, zachodniej części doliny Wisły, czyli w tej samej formie terenu, przy czym jedna w mieście (Ogród Botaniczny), a druga poza miastem. W pracy Bokwy i Limanówki (2008) zostały przeanalizowane dobowe dane dotyczące temperatury minimalnej z obu stacji z lat 1991−2005. Stwierdzono, że w przebiegu rocznym średnie miesięczne różnice temperatury minimalnej między Ogrodem i Balicami są większe w chłodnej porze roku niż w ciepłej (X−II: 0,8−1,0°C, III−IX: 0,5−0,7°C). We wszystkich porach roku temperatura minimalna w Ogrodzie Botanicznym jest taka sama lub wyższa niż w Balicach w ponad 70% dni (zimą 94,5%).

Analiza sezonowego rozkładu częstości występowania różnic temperatury minimalnej w przedziałach co 0,5°C pozwoliła stwierdzić, że najczęściej we wszystkich porach roku (20−30%) występują wartości z przedziałów 0,0−0,5°C oraz 0,5−1,0°C. Duże różnice temperatury minimalnej (tzn. >2°C) między Ogrodem Botanicznym i Balicami wystę- pują głównie zimą (10,7%). W pozostałych porach roku ich udział wynosi około 5%.

W latach 1991−2005, w porównaniu z wcześniejszymi okresami (Drużkowski 1992, Michniewski 2000) różnice między Ogrodem Botanicznym i Balicami w temperaturze minimalnej pozostawały na zbliżonym poziomie.

W latach 1991−1995 średnia roczna wartość intensywności m.w.c., wyznaczona na podstawie różnic temperatury minimalnej między Ogrodem Botanicznym a Balicami, wyniosła 0,9°C, zaś najwyższa 4,7°C (21.11.1995 r. i 21.12.1995 r.). Dobowe wartości różnic temperatury minimalnej i z godz. 00:00 UTC między Ogrodem Botanicznym i Balicami w latach 1991−1995 zestawiono z typem uwarstwienia termicznego zaob- serwowanego poza miastem, według kryteriów opisanych w poprzednim rozdziale,

(17)

i dla każdego typu obliczono średnie sezonowe wartości różnic (tab. 4).

Dla określenia typu uwarstwienia termicznego wykorzystano dane z Balic, Libertowa i Garlicy Murowanej.

Przy występowaniu ciepłej strefy na skłonie Wyżyny, podobnie jak przy uwarstwieniu normalnym, średnie sezonowe i roczne wartości intensyw- ności m.w.c., określane przy użyciu wartości temperatury minimalnej, osiągają wartości zaledwie 0,4−0,5°C, zaś przy inwersji o głębokości do 70 m intensywność m.w.c. rośnie do 1,4°C średnio w roku i 1,6°C zimą.

Lewińska i in. (1982) stwierdzili, że wraz ze wzrostem wartości gradientu pionowego temperatury w warstwie powietrza do 100 m nad dnem doliny Wisły (wyznaczonego na podstawie badań naziemnych i porównania Krakowa z Liberto- wem) wzrasta intensywność m.w.c. w Krakowie. Współczynniki korelacji istotne statystycznie osiągały wartości od 0,25 do 0,60 w zależności od typu zabudowy porównywanego z terenem pozamiejskim. Tabela 5 przedstawia wybrane statystyki opisowe dla cią- gów różnic temperatury minimalnej reprezentujących intensywność m.w.c.

i zróżnicowanie pionowe temperatury powietrza w dolinie Wisły w okolicy Krakowa w latach 1991−1995. Wzięto pod uwagę sytuacje występowania inwersji o różnej głębokości, określane na podstawie występowania ujemnych różnic temperatury między Balicami i Libertowem lub Garlicą Murowaną, oraz ciągi prezentujące dni, kiedy różnice między obiema parami stacji miały ten sam znak (dodatni lub ujemny).

Wszystkie analizowane ciągi charakteryzują wysokie wartości współczynnika zmienności (powyżej 20%). W sytuacji ciepłej strefy na skłonie Wyżyny Krakowskiej Tab. 4. Średnie sezonowe wartości różnic temperatury minimalnej i temperatury z godz. 00:00 UTC między Ogrodem Botanicznym i Balicami w latach 1991−1995 w poszczególnych typach uwarstwienia termicznego w dolinie Wisły w okolicy Krakowa Table 4. Mean seasonal values of differences in minimum air temperature and the temperature at 00:00 UTC between Botanical Gardens and Balice in the period 1991−1995, in particular types of the thermal stratification in the Vistula river valley in the vicinity of Kraków

Objaśnienia: N – liczebność próby.

Explanations: N – sample size.

(18)

Tab. 5. Wartości średnie, odchylenie standardowe, współczynnik zmienności i współczynnik korelacji dla serii różnic temperatury minimalnej powietrza między stacjami w Ogrodzie Bota- nicznym i Balicach (intensywność m.w.c.) oraz między stacjami w Balicach i Libertowem lub Garlicą Murowaną (typ pionowego uwarstwienia termicznego powietrza) w latach 1991–1995 Table 5. Mean values, standard deviation, variability coefficient and correlation coefficient values for the series of the differences in minimum air temperature between the Botanical Gardens and Balice (i.e. the intensity of urban heat island) and the series of differences in minimum air temperature between Balice, Libertów and Garlica Murowana (i.e. type of the vertical air temperature stratification) in the years 1991–1995

Objaśnienia: O-B – różnica temperatury minimalnej między Ogrodem Botanicznym i Balicami, B-G(-) – ujemna różnica temperatury minimalnej między Balicami i Garlicą Murowaną przy dodatniej różnicy między Balicami i Libertowem, B-L(-) – ujemna różnica temperatury minimalnej między Balicami i Li- bertowem przy dodatniej różnicy między Balicami i Garlicą Murowaną, B-L(+,-) – ujemna lub dodatnia różnica temperatury minimalnej między Balicami i Libertowem przy takim samym znaku różnicy dla Balic i Garlicy Murowanej, B-G(+,-) – ujemna lub dodatnia różnica temperatury minimalnej między Balicami i Garlicą Murowaną przy takim samym znaku różnicy dla Balic i Libertowa, B-L/B-G(+) – dodatnia różnica temperatury minimalnej między Balicami i Libertowem i między Balicami i Garlicą Murowaną, B-L/B-G(-) – ujemna różnica temperatury minimalnej między Balicami i Libertowem i między Balicami i Garlicą Muro- waną, Δt – różnica temperatury, N – liczebność próby, śr. – średnia wartość różnicy temperatury minimalnej (^oC), odch.st. – odchylenie standardowe, wsp.zm. – współczynnik zmienności (%), wsp.kor. – współczynnik korelacji (drukiem wytłuszczonym zaznaczono wartości istotne statystycznie).

Explanations: O-B – difference in minimum air temperature between the Botanical Gardens and Balice, B-G(-) – negative difference in minimum air temperature between Balice and Garlica Murowana at positive difference between Balice and Libertów, B-L(-) – negative difference in minimum air temperature between Balice and Libertów at positive difference between Balice and Garlica Murowana, B-L(+,-) – negative or positive difference in minimum air temperature between Balice and Libertów at the same difference sign between Balice and Garlica Murowana, B-G(+,-) – negative or positive difference in minimum air temperature between Balice and Garlica Murowana at the same difference sign between Balice and Libertów, B-L/B-G(+) –positive difference in minimum air temperature between Balice and Libertów and between Balice and Garlica Murowana, B-L/B-G(-) – negative difference in minimum air temperature between Balice and Libertów and between Balice and Garlica Murowana, Δt – air temperature difference, N – sample size, śr. – mean value of the air temperature difference (^oC), odch.st. – standard deviation, wsp.zm. – variability coefficient (%), wsp.kor. – correlation coefficient (statistically significant values are marked in bold).

(19)

brak statystycznie istotnej korelacji między intensywnością m.w.c. i intensywnością inwersji temperatury na stokach o ekspozycji południowej, a średnia wartość m.w.c.

wynosi wtedy zaledwie 0,5°C. Przy inwersji o głębokości około 100 m średnia inten- sywność m.w.c. wzrasta do 1,2°C, a współczynnik korelacji osiąga wartość istotną statystycznie, lecz niższą niż wartości dla innych sytuacji inwersyjnych (-0,38). Największa średnia intensywność m.w.c. (1,4°C) związana jest z jednoczesnym występowaniem ujemnych różnic temperatury minimalnej zarówno między Balicami i Libertowem, jak też między Balicami i Garlicą Murowaną, czyli inwersją o głębokości do 70 m.

Współczynnik korelacji między intensywnością m.w.c. i wielkością gradientu pionowego temperatury jest w tym przypadku większy niż przy inwersji o głębokości około 100 m i wynosi -0,41. Także średnia wartość różnicy temperatury między Balicami i Libertowem, czyli gradient pionowy temperatury, jest wówczas największa (-2,4°C).

Największa różnica temperatury minimalnej między Balicami a Libertowem wystą- piła 6.01.1993 r. (-9,3°C). Przy dodatnich różnicach temperatury w profilu pionowym na obu parach stacji, czyli przy uwarstwieniu normalnym, średnia spada do zaledwie 0,4°C, a wartość współczynnika korelacji do około -0,2. Można zatem stwierdzić, że intensywność m.w.c. w Krakowie zależy nie tylko od wielkości gradientu pionowego temperatury, ale także od głębokości warstwy inwersyjnej.

Przedstawione wyniki dowodzą, że obszary wokół Krakowa charakteryzuje złożona struktura przestrzenna warunków termicznych. Wschodnia, szersza część doliny Wisły jest cieplejsza niż część zachodnia, węższa. Intensywność m.w.c. mierzona w dnie doliny, w części zachodniej, zależy m.in. od typu uwarstwienia termicznego w dolinie Wisły. W latach 1991−1995 przez około 70% nocy w roku notowano inwersje temperatury o różnej głębokości i zasięgu przestrzennym, zaś przez 93% nocy w roku centrum miasta było cieplejsze niż tereny pozamiejskie w zachodniej części doliny Wisły. W 40% nocy, kiedy w dolinie Wisły wystąpiła m.w.c., Libertów był cieplejszy niż Ogród Botaniczny nawet o 7,1°C (6.01.1993 r.). Jest to o tyle istotne, że Liber- tów był w przeszłości traktowany przez niektórych badaczy jako stacja pozamiejska do porównań z Ogrodem Botanicznym, w tym do wyznaczania intensywności m.w.c., co − jak widać − może prowadzić do niewłaściwych wniosków. Dotychczasowe badania, głównie Lewińskiej i in. (1982), dotyczące zróżnicowania przestrzennego termiki Krakowa, koncentrowały się na terenach zabudowanych w dnie doliny, przy czym należy zaznaczyć, że na początku lat 70. XX w. wiele obecnych osiedli Krakowa jeszcze nie istniało. Od tamtego czasu zabudowa wkroczyła na skłon Wyżyny Krakowskiej i Pogórza Wielickiego, co rodzi pytanie: jak na tych terenach kształtuje się współod- działywanie rzeźby i użytkowania terenu i jak to się przekłada na warunki termiczne tych obszarów?

Metodyka określania intensywności miejskiej wyspy ciepła w mieście położonym we wklęsłej formie terenu

W miastach leżących we wklęsłych formach terenu zróżnicowanie przestrzenne temperatury powietrza jest łącznym wynikiem oddziaływania tak użytkowania, jak rzeźby terenu. Pojawia się zatem problem definiowania intensywności m.w.c., gdyż

(20)

w założeniach teoretycznych powinna to być wartość obrazująca wzrost temperatury powietrza na terenach zurbanizowanych w porównaniu z pozamiejskimi na skutek zmian właściwości powierzchni czynnej, emisji ciepła antropogenicznego itp., czyli na skutek działalności człowieka, przy założeniu bardzo zbliżonego wpływu czynników naturalnych w mieście i poza miastem. Zazwyczaj intensywność m.w.c. określa się, porównując pomiary z jednej stacji pozamiejskiej z pomiarami z kilku stacji w mieście, które reprezentują różne typy zabudowy czy użytkowania terenu. Na tej podstawie wyznacza się zróżnicowanie intensywności m.w.c. na terenie miasta. W przypadku ośrodków miejskich położonych w dolinach nie można wyznaczyć jednej stacji pozamiejskiej, która reprezentowałaby warunki klimatyczne nieobjęte oddziaływaniem miasta, a zarazem porównywalne pod względem oddziaływania rzeźby terenu ze wszystkimi stacjami miejskimi. Ponadto pojawia się problem oceny, w jakim stopniu temperatura powietrza w danej części miasta jest skutkiem oddziaływania zmodyfi- kowanej sztucznie powierzchni zurbanizowanej, antropogenicznej emisji ciepła itp., a w jakim oddziaływania rzeźby terenu, w tym np. inwersji temperatury.

Powyższe przesłanki wskazują, że dla obszaru zurbanizowanego położonego w dolinie badania m.w.c. należy rozpocząć od określenia przestrzennego i czasowego zróżnicowania termicznego terenu wokół miasta, gdyż ma ono znaczenie podstawowe, co zostało przedstawione w poprzednim rozdziale. W przypadku Krakowa istotny jest przebieg doliny Wisły (z zachodu na wschód) oraz jej zamknięcie od zachodu przez izolowane zręby tektoniczne Bramy Krakowskiej, co sprzyja częstemu powstawaniu inwersji temperatury powietrza. [Dla porównania: w Lyonie czy Pradze doliny rzek mają przebieg N-S i są dobrze przewietrzane, a występowanie inwersji należy do rzadkości (Beral-Guyonnet 1997, Sládek i in. 2001−2002)]. Należy też rozpoznać warunki termiczne samego miasta, wykonując pomiary w różnych formach terenu, a w każdej z nich w różnych rodzajach użytkowania terenu, przy równoczesnych pomia- rach pozamiejskich, także w tych samych formach terenu. Pozwala to odnieść warunki termiczne miasta do warunków termicznych terenów otaczających miasto. Niezwykle pomocne są tu pomiary mobilne, stanowiące cenne uzupełnienie pomiarów stacjonar- nych. Równie ważne są pomiary profilu pionowego temperatury we wklęsłej formie terenu, ale nie na podstawie danych ze stacji naziemnych, lecz przy użyciu masztów lub sondaży balonowych. Intensywność m.w.c. powinna być wyznaczana według nieco innej metodyki niż ma to miejsce w miastach położonych na terenach o mało uroz- maiconej rzeźbie, a mianowicie osobno dla poszczególnych form terenu. Dla każdej z nich należy wyznaczyć stację pozamiejską i pomiary tam wykonane porównywać z pomiarami reprezentującymi różne typy zabudowy i użytkowania terenu w tej formie terenu. Kolejne zagadnienie to częstość pomiarów. Prowadzenie we wszystkich punktach pomiarów automatycznych z rozdzielczością czasową rzędu kilku czy kilkunastu minut pozwala na prześledzenie kształtowania się i zmienności w ciągu doby struktury przestrzennej termiki miasta i okolic i jest znacznie bardziej miarodajnym materiałem badawczym niż zestawienie tylko wartości temperatury minimalnej.

Opisane założenia są realizowane w prowadzonych przez autorkę od połowy 2007 r. badaniach struktury termicznej powietrza na terenie Krakowa. W 17 punktach w mieście i poza miastem zostały umieszczone automatyczne, bezprzewodowe

(21)

czujniki temperatury powietrza, w taki sposób, aby wyniki pomiarów, dokonywanych co 5 minut, były reprezentatywne dla różnych form użytkowania terenu (zabudowa blokowa, zabudowa willowa, plac śródmiejski, kanion miejski, tereny zielone, tereny pozamiejskie), znajdujących się w różnych formach terenu (dno doliny, stok o ekspozycji południowej, stok o ekspozycji północnej, wierzchowina wzniesień po stronie południowej, wierzchowina wzniesień po stronie północnej). Ponadto dwa czujniki tworzą profil pionowy w dolinie Wisły: 2 i 115 m n.p.g. Dzięki współpracy z Uniwer- sytetem Wrocławskim pomiary stacjonarne są wzbogacane o pomiary mobilne (np.

Bokwa i in. 2008).

Pierwsze wstępne analizy uzyskanych danych pomiarowych potwierdzają sygna- lizowane wcześniej uprzywilejowanie termiczne stacji w Libertowie w porównaniu ze stacją w Garlicy. Ponadto wskazują, że w świetle średnich rocznych wartości temperatury powietrza najcieplejszym punktem w mieście jest kanion miejski znajdujący się w dolinie Wisły. W średnim przebiegu dobowym brak okresu występowania wyspy chłodu, co jest obserwowane np. dla Wrocławia (Szymanowski 2004). Ponadto, przy- kładowo nocą, w czasie pogody bezchmurnej i bezwietrznej lub ze słabym wiatrem, czyli w warunkach pogodowych sprzyjających tworzeniu się inwersji termicznych, przy wietrze z kierunku wschodniego to centrum miasta jest najcieplejsze (brak inwersji), zaś przy wietrze z kierunku południowo-zachodniego najcieplejszy jest Libertów (występowanie inwersji). Przedstawione przykłady wstępnych wyników analiz wska- zują na konieczność kontynuowania podjętych badań, gdyż pozwolą one nie tylko rozpoznać faktyczną, aktualną strukturę termiczną powietrza na terenie Krakowa, ale także umożliwią stworzenie modelu objaśniającego jej funkcjonowanie.

Podsumowanie

Obszar zurbanizowany położony we wklęsłej formie terenu charakteryzuje mezoklimat kształtowany tak przez czynniki naturalne (np. występowanie inwersji temperatury powietrza), jak też antropogeniczne (np. zmiana charakteru powierzchni czynnej). Badanie intensywności m.w.c. powinno zatem być poprzedzone rozpoznaniem zróżnicowania termicznego obszarów wokół miasta, znajdujących się na różnych wysokościach względnych. Zaprezentowane wyniki analiz dla Krakowa wskazują, że zróżnicowanie termiczne badanego obszaru w profilu pionowym nocą jest największe latem, zaś intensywność m.w.c. w zachodniej części doliny Wisły jest największa zimą. Intensywność ta zależy m.in. od głębokości warstwy inwersyjnej i osiąga najwyższe wartości, gdy głębokość ta wynosi do 70 m. Pomiary ze standardowych stacji meteorologicznych, działających w Krakowie i na terenach przyległych, nie są wystarczające do rozpoznania zróżnicowania termicznego tak Krakowa, jak też terenów otaczających miasto. Konieczne jest prowadzenie dodatkowych pomiarów automatycznych, gdyż intensywność m.w.c. w miastach położonych we wklęsłych formach terenu powinna być wyznaczana osobno dla obszarów znajdujących się na różnych wysokościach względnych. Dla poszczególnych form terenu (np. dno doliny, stok, wierzchowina) należy wyznaczyć stację pozamiejską i pomiary tam wykonane porównywać z pomiarami reprezentującymi różne typy zabudowy i użytkowania

(22)

terenu w tej formie terenu. Prowadzenie takich badań ma charakter poznawczy oraz aplikacyjny, a uzyskane wyniki mogą być przydatne w opracowaniach związanych z rozwojem przestrzennym Krakowa.

Literatura

Baścik J., Zgud K., 1984, Ocena warunków klimatycznych zespołu mieszkaniowego na przykładzie osiedla XXX-lecia PRL w Krakowie, Biul. IKŚ, 3–4.

Beral-Guyonnet I., 1997, Analyse spatiale des températures mensuelles dans l’agglomération lyonnaise : l’îlot de chaleur urbain / Spatial analysis of monthly temperatures in the city of Lyon, Géocar- refour, 72, 4, 263–266.

Bokwa A., Limanówka D., 2008, Mezoskalowe zróżnicowanie temperatury powietrza i opadów atmosferycznych w dolinie Wisły w Krakowie i okolicy (1991−2005), Wiad. Meteor. Hydrol.

Gosp. Wod., 2 (52), 3–4, 3–20.

Bokwa A., Sikora S., Szymanowski M., 2008, Topoclimatic diversity of air temperature in Cracow (Topoklimatyczne zróżnicowanie temperatury powietrza na terenie Krakowa), [w:] K. Kłysik, J. Wibig, K. Fortuniak (red.), Klimat i bioklimat miast, Wyd. Uniw. Łódzkiego, Katedra Meteor. i Klimatol. UŁ, Łódź, 35–44.

Drużkowski M., 1992, Wpływ ukształtowania terenu i miejskiej wyspy ciepła na stosunki termiczne Krakowa i okolic, Folia Geogr., ser. Geogr.-Phys., 23, 55−63.

Fortuniak K., 2003, Miejska wyspa ciepła: podstawy energetyczne, studia eksperymentalne, modele numeryczne i statystyczne, Wyd. Uniw. Łódzkiego, Łódź.

German K., 2000−2001, Fizycznogeograficzne regiony województwa małopolskiego, Folia Geogr., Ser.

Geogr.-Oecon., 31–32, 9–38.

German K., 2007, Środowisko przyrodnicze Krakowa i jego wpływ na warunki klimatyczne, [w:]

D. Matuszko (red.), Klimat Krakowa w XX wieku, IGiGP UJ, Kraków, 11−19.

Hess M., 1965, Piętra klimatyczne w polskich Karpatach Zachodnich, Zesz. Nauk. UJ, Pr. Geogr., 11.

Hess M., 1967, Klimat terytorium miasta Krakowa, Folia Geogr., ser. Geogr.-Phys., I, 35−96.

Hess M., 1974, Klimat Krakowa, Folia Geogr., ser. Geogr.-Phys., 8, 45−102.

Kożuchowski K., 1995, The development of an urban effect in the long-term changes in temperature in Cracow, [w:] K. Kłysik (red.), Klimat i bioklimat miast, Wyd. Uniw. Łódzkiego, 153−162.

Landsberg H.E., 1981, The Urban Climate, Academic Press, New York.

Lewińska J., 1979, Termiczne zanieczyszczenie środowiska na przykładzie regionu krakowskiego, Folia Geogr., ser. Geogr.-Phys., 12, 93−101.

Lewińska J., 1996, Geneza i rozwój miejskiej wyspy ciepła w Krakowie oraz możliwości jej minimali- zacji, Folia Geogr., ser. Geogr.-Phys., 26−27 (1994/1995), 75−87.

Lewińska J., Bartosik J., Baścik J., Czerwieniec M., Zgud K., 1982, Wpływ miasta na klimat lokalny (na przykładzie aglomeracji krakowskiej), IKŚ, Warszawa, 106.

Lewińska J., Zgud K., 1980, Wyspa ciepła na tle zespołów urbanistycznych Krakowa, Przegl. Geof., 25, 3–4, 283−294.

Michniewski A., 2000, Porównanie wartości temperatury minimalnej w Krakowie-Ogrodzie Botanicz- nym i w Balicach w latach 1966−1995, Prace Geogr. IG i GP UJ, 105, 125−136.

(23)

Morawska-Horawska M., Cebulak E., 1981, Badania pionowego zasięgu miejskiej wyspy ciepła nad Krakowem, Folia Geogr., ser. Geogr.-Phys., 14, 43−50.

Morawska-Horawska M., Lewik P., 2003, Wpływ wysokości i ukształtowania terenu na zróżnicowanie warunków meteorologicznych w Krakowie, [w:] J. Lach (red.), Dynamika zmian środowiska geograficznego pod wpływem antropopresji, Inst. Geogr. Akad. Pedag. w Krakowie, 85−94.

Niedźwiedź T., Obrębska-Starklowa B., Olecki Z., 1984, Stosunki bioklimatyczne Krakowa, Probl.

Uzdr., 1/2, 143−151.

Oke T.R., 2004, Initial guidance to obtain representative meteorological observations at urban sites, WMO Report No. 81, WMO/TD No. 1250.

Sládek I., Mazúr P., Mertl J., 2001−2002, Klementinum vydává svĕdectvi o zmĕnách podnebi v Praze, Geograficke Rozhledy, 11, 2, 52–53.

Szymanowski M., 2004, Miejska wyspa ciepła we Wrocławiu, Acta Univ. Wratisl., 2690, Stud. Geogr., 77, Wyd. Uniw. Wrocł., Wrocław.

Walczewski J. (red.), 1994, Charakterystyka warstwy granicznej atmosfery nad miastem (na przykładzie Krakowa), Materiały badawcze, ser. Meteorologia, 22, IMGW, Warszawa.

Urban heat island versus the natural air temperature diversity in an area located in a concave landform

(using an example of Kraków)

Summary

The aim of the paper is to present the concept of urban heat island determination in the case of a city located in a concave landform, with Kraków as an example.

The data used were daily values of minimum air temperature and the temperature at 00:00 UTC from the period 1991−1995 from the following stations: Kraków-Botanical Gardens, Kraków-Balice, Garlica Murowana, Miechów, Igołomia, Libertów and Gaik- Brzezowa (Fig. 1). Mean annual values of the chosen thermal characteristics (Table 1) show that the highest temperatures are observed at the stations in the Wieliczka Foothills (Libertów and Gaik-Brzezowa). Mean monthly values of the differences in minimum air temperature and the differences in the air temperature at 00:00 UTC between the non-urban stations located in the river valley (Kraków-Balice and Igołomia) and at the hilltops (Gaik-Brzezowa, Libertów in the south and Garlica Murowana and Miechów in the north) prove that in the southern part of the city, on the Wieliczka Foothills slope, the temperature inversion prevails all year long, with higher intensity in the warm half-year than in the cold one, while on the Kraków Upland slope, in the northern part of the city, the differences are rather small and show mainly normal stratification (Fig. 2). On the Foothills’ slope the inversions are noted at about 60% of nights in a year, while on the Upland slopes normal stratification occurs during 49,6−74,6% of the nights (values differ depending on the pair of stations compared) (Tables 2 and 3). The minimum air temperature differences on Foothills’

slope most often have the value from the interval (-1.1)–(-4.0)°C, while on the Upland slope it is (-1.0)−1.0°C. In autumn and winter, the big differences (<-4°C) occur more

(24)

often on the foothills’ slope than in other seasons, while on the Upland slopes such differences are hardly noted (Fig. 3, 4, 5). Most probably, during 25% of the nights in a year, an inversion of about 100 m depth occurs in the vicinity of Kraków, during 28% of the nights the inversion of the depth up to 70 m takes place, during 14% of the nights a warm belt on a slope is observed but only in the northern part of the city, and during 33% of the nights there is a normal thermal stratification. The highest mean intensity of urban heat island (1.4°C) was connected with the inversion of the depth up to 70 m (Table 4 and 5). For the towns located in concave landforms, the intensity of the urban heat island should be determined separately for the city parts located at different relative height.

Anita Bokwa

Uniwersytet Jagielloński

Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej ul. Gronostajowa 7

30-387 Kraków

e-mail: anita.bokwa@uj.edu.pl