ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ, ΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑ

Transcript

1 9 O COMECAP 2008, ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΥΝΕΔΡΙΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 9 O COMECAP 2008, PROCEEDINGS, THESSALONIKI, GREECE ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ, ΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑ ΣΤΗΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΤΗΣ ΑΘΗΝΑΣ Π. Θ. ΝΑΣΤΟΣ 1 ΚΑΙ Α. MATZAΡΑΚΗΣ 2 1 Εργαστήριο Κλιματολογίας και Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος, Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Αθηνών 2 Meteorological Institute, University of Freiburg, Germany ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το αντικείμενο μελέτης της εργασίας αυτής είναι η εκτίμηση των βιοκλιματικών συνθηκών στην Πανεπιστημιούπολη της Αθήνας. Η ανάλυση του βιοκλίματος έγινε, χρησιμοποιώντας την φυσιολογικά ισοδύναμη θερμοκρασία (Physiologically Equivalent Temperature, PET), η οποία βασίζεται στα μοντέλα του ενεργειακού ισοζυγίου του ανθρώπου. Τα μετεωρολογικά δεδομένα για τον υπολογισμό της PET αφορούν ωριαίες τιμές θερμοκρασίας αέρα, σχετικής υγρασίας, ταχύτητας ανέμου και ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, για την χρονική περίοδο , και ελήφθησαν από το μετεωρολογικό σταθμό του Εργαστηρίου Κλιματολογίας και Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Αθηνών (φ: N, λ: E, h: 257 m). Η ανθρώπινη δραστηριότητα και η θερμική αντίσταση της ενδυμασίας ορίστηκαν ως 80 W και 0.9 clo, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν σε ποιες ώρες της ημέρας επικρατεί θερμική άνεση η επιβάρυνση, καθώς επίσης τη μεταβλητότητα και τις τάσεις της PET, για τη χρονική περίοδο μελέτης. BIOCLIMATIC CONDITIONS, TRENDS AND VARIABILITY AT THE UNIVERSITY CAMPUS OF ATHENS P. T. NASTOS 1 AND Α. MATZARAKIS 2 1 Laboratory of Climatology and Atmospheric Environment, Faculty of Geology and Geoenvironment, University of Athens 2 Meteorological Institute, University of Freiburg, Germany ABSTRACT The objective of this work is the assessment of the bioclimatic conditions at the University Campus of Athens. The analysis of bioclimate was carried out, using the physiologically equivalent temperature (PET), which is based on the energy balance models of the human body. The meteorological data required for the calculation of PET concern hourly values of air temperature, relative humidity, wind speed and total solar radiation, for the time period , and were obtained from the meteorological station of the Laboratory of Climatology and Atmospheric Environment of the University of Athens (latitude: N, longitude: E, altitude: 257 m). The human activity and the thermal resistance of cloths were defined as 80 W and 0.9 clo, respectively. The results indicate the hours of the day in which thermal comfort or stress prevails, as well as the trends and variability of PET, for the studied period,. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μελέτη και ανάλυση του θερμικού περιβάλλοντος του ανθρώπου έχει γίνει με τη βοήθεια πολλών βιοκλιματικών δεικτών, οι οποίοι με την πάροδο του χρόνου εξελίχθησαν και αποτελούν σήμερα αντικείμενο ειδικής έρευνας. Από το 1938, ο Buttner διαπίστωσε ότι, για τον υπολογισμό της θερμικής επίδρασης του περιβάλλοντος στο ανθρώπινο σώμα, πρέπει να ληφθεί υπόψη το σύνολο των επιδράσεων όλων των θερμικών συνιστωσών και όχι μιας μεμονωμένης παραμέτρου. Από τότε 925

2 χρησιμοποιήθηκαν πολλοί θερμικοί δείκτες όπως είναι μεταξύ άλλων η Αποτελεσματική Θερμοκρασία (Effective Temperature) από τους Houghten, Yaglou και Miller το 1923 (Givoni, 1969) και ο Δείκτης Δυσφορίας (Discomfort Index) από τoν Thom (1959). Στη συνέχεια, η αναγκαιότητα μοντελοποίησης του ανθρώπινου θερμικού ισοζυγίου οδήγησε στη δημιουργία βιοκλιματικών μοντέλων, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιοκλιματικές μελέτες στην κεντρική Ευρώπη, γνωστά ως KLIMA-MICHEL-MODEL (Fanger, 1972; Jendritzky, 1990) και MEMI (Höppe, 1984). Στα μοντέλα αυτά, βασίζεται και η παρούσα εργασία, με σκοπό την εκτίμηση του βιοκλιματικού καθεστώτος της Πανεπιστημιούπολης Αθηνών. 2. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Τα μετεωρολογικά δεδομένα προέρχονται από το μετεωρολογικό σταθμό του Εργαστηρίου Κλιματολογίας και Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Αθηνών (φ=37 58 Ν, λ=23 47 Ε, h=257 m) και αφορούν τις ωριαίες τιμές της θερμοκρασίας του αέρα, της σχετικής υγρασίας, της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου, για την περίοδο Η θέση του μετεωρολογικού σταθμού παρουσιάζεται με αστερίσκο στο Σχήμα 1. Η ανθρώπινη δραστηριότητα και η θερμική αντίσταση της ενδυμασίας ορίστηκαν ως 80 W και 0.9 clo, αντίστοιχα. Από τα δεδομένα αυτά υπολογίστηκε ο βιοκλιματικός δείκτης PET (physiologically equivalent temperature) (VDI 1998; Matzarakis et al., 2007). Ο θερμικός δείκτης PET βασίζεται στο ανθρώπινο ενεργειακό ισοζύγιο και περιγράφει την συνδυασμένη επίδραση του θερμικού περιβάλλοντος στο ανθρώπινο σώμα (Gagge et al., 1986; VDI 1998; Höppe 1999; Matzarakis et al., 1999). Ο υπολογισμός του δείκτη έγινε με την εφαρμογή του μοντέλου RayMan (Matzarakis et al., 2007). ΣΧΗΜΑ 1. Θέση του Μετεωρολογικού Σταθμού του Εργαστηρίου Κλιματολογίας και Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος, του Πανεπιστημίου Αθηνών (Η δορυφορική φωτογραφία έχει ληφθεί από το Google Earth στις 25/01/2008). 926

3 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1 Βιοκλιματικό διάγραμμα Πανεπιστημιούπολης Αθηνών Με εφαρμογή του μοντέλου RayMan, υπολογίστηκαν οι ωριαίες τιμές της φυσιολογικά ισοδύναμης θερμοκρασίας (PET) η οποία έχει χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των βιοκλιματικών συνθηκών και από άλλους ερευνητές (Höppe, 1999; Matzarakis et al., 1999; Matzarakis and Rutz, 2005; Nastos and Matzarakis, 2006). Η εκτίμηση του θερμικού περιβάλλοντος με βάση τις διάφορες τιμές του PET παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Η μέση ωριαία τιμή PET για όλη την εξεταζόμενη χρονική περίοδο ( ) είναι 14.6 ο C, η απολύτως μέγιστη τιμή PET είναι 54.8 ο C στις 24/6/2007 και ώρα 15:00, και η απολύτως ελάχιστη τιμή PET είναι ο C στις 14/2/2004 και ώρα 07:00. Αυτές οι υψηλές/χαμηλές τιμές PET χαρακτηρίζουν την ακραία θερμική επιβάρυνση, που εμφανίστηκε το καλοκαίρι του 2007 και την ακραία ψυχρή επιβάρυνση, που σημειώθηκε τον πολύ ψυχρό χειμώνα του ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Κατώφλια της φυσιολογικά ισοδύναμης θερμοκρασίας (PET) για διάφορους βαθμούς του θερμικού αισθήματος από τους ανθρώπους (Matzarakis et al 1999). PET ( o C) Θερμική αίσθηση Πολύ κρύο Κρύο Δροσερό Ελαφρά δροσερό Θερμικά ουδέτερο (Άνεση) Ελαφρά θερμό Θερμό Πολύ ζεστό Πάρα πολύ ζεστό Βαθμός θερμοφυσιολογικής επιβάρυνσης Ακραία ψυχρή επιβάρυνση Ισχυρή ψυχρή επιβάρυνση Μέτρια ψυχρή επιβάρυνση Ελαφρά ψυχρή επιβάρυνση Δεν υπάρχει θερμική επιβάρυνση Ελαφρά θερμική επιβάρυνση Μέτρια θερμική επιβάρυνση Ισχυρή θερμική επιβάρυνση Ακραία θερμική επιβάρυνση Επιπρόσθετα, υπολογίστηκε η μέση συχνότητα των ημερών, για την εξεταζόμενη περίοδο ( ), με ισχυρή και ακραία θερμική επιβάρυνση (PET>35 o C), με θερμική άνεση και ελαφρά θερμική επιβάρυνση (18 o C<PET<29 o C) και με ισχυρή και ακραία ψυχρή επιβάρυνση (PET<8 o C); τα αποτελέσματα εμφανίζονται στον Πίνακα 2. Για τον υπολογισμό της συχνότητας των ημερών με ισχυρή και ακραία ψυχρή επιβάρυνση ελήφθησαν υπόψη οι ημερήσιες ελάχιστες τιμές PET, που σημειώνονται την νύχτα, ενώ για τις υπόλοιπες κατηγορίες οι ημερήσιες μέγιστες τιμές PET. Το 50% 927

4 ΠΙΝΑΚΑΣ 2. Μέση συχνότητα ημερών για χαρακτηριστικά κατώφλια τιμών της PET. PET<8 o C 18 o C<PET<29 o C PET>35 o C Συχνότητα (Ημέρες) % 90% Συχνότητα των PET κλάσεων 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% > <4.0 10% 0% Ώρες 100% Συχνότητα των PET κλάσεων 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% > <4.0 0% ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ Δεκαήμερα ΣΧΗΜΑ 2. Βιοκλιματικό διάγραμμα της Πανεπιστημιούπολης Αθηνών για την περίοδο ; Συχνότητες (%) των 9 κλάσεων του θερμικού δείκτη PET για κάθε ώρα (άνω γράφημα) και για διαστήματα 10 ημερών (κάτω γράφημα). περίπου των νυχτών του έτους εμφανίζει ισχυρές/ακραίες ψυχρές βιοκλιματικές συνθήκες, το οποίο πιθανόν να οφείλεται στο ότι η Πανεπιστημιούπολη βρίσκεται στα 928

5 όρια της αστικοποιημένης περιοχής και στους πρόποδες του Υμηττού. Ποσοστό περίπου 30% των ημερών του έτους εμφανίζει ισχυρή/ακραία θερμική επιβάρυνση ενώ ακόμη μικρότερη συχνότητα (27%) εμφανίζουν οι ημέρες με θερμική άνεση ή ελαφρά θερμική επιβάρυνση. Οι θερμo-ανθρωποβιοκλιματικές συνθήκες παρουσιάζονται σαν ποσοστά εμφάνισης των κλάσεων του PET για κάθε ώρα της ημέρας και για διαστήματα 10 ημερών στο Σχήμα 2, το οποίο παρέχει πολύ καθαρά και απλά την βιοκλιματική πληροφορία της υπό εξέταση περιοχής. Από το Σχήμα 2 (άνω γράφημα), είναι φανερό ότι 50%-70% των ημερών από της 8 ης πρωϊνής έως της 17 ης απογευματινής εμφανίζουν κλάσεις PET από 18 ο C (θερμική άνεση) και πάνω. Επίσης, για περίπου 20% των ημερών το περιβάλλον χαρακτηρίζεται από ισχυρή/ακραία θερμική επιβάρυνση από της 10 ης πρωϊνής έως και της 15 ης απογευματινής ώρας. Όσον αφορά την ισχυρή/ακραία ψυχρή επιβάρυνση, αυτή εμφανίζεται, για το 50% των ημερών, από τα μεσάνυχτα έως τις πρώτες πρωϊνές ώρες (6 η ώρα). Η κατανομή της συχνότητας των PET κλάσεων σε δεκαήμερα παρουσιάζεται στο Σχήμα 2 (κάτω γράφημα). Εδώ, πρέπει να τονιστεί ότι τα αποτελέσματα που απεικονίζονται στο γράφημα αφορούν μέσες ημερήσιες τιμές του PET. Από το 1 ο δεκαήμερο του Ιουνίου έως και το 2 ο δεκαήμερο του Σεπτεμβρίου το 50%-85% των ημερών της εξεταζόμενης περιόδου είναι μεταξύ των PET κλάσεων από 18 ο C (κατώφλι θερμικής άνεσης) και άνω. Όσον αφορά την ισχυρή/ακραία θερμική επιβάρυνση (PET >35 o C) του περιβάλλοντος, αυτή γίνεται αισθητή για σχεδόν 20% των ημερών από το 3 ο δεκαήμερο του Ιουνίου έως και το 3 ο δεκαήμερο του Αυγούστου. 3.2 Θερμή και ψυχρή περίοδος Αναλύσαμε την ωριαία μεταβλητότητα των τιμών PET για την μέση ψυχρή (Οκτώβριος-Μάρτιος) και την μέση θερμή περίοδο (Απρίλιος-Σεπτέμβριος) αφενός, και αφετέρου την συγκρίναμε με αντίστοιχες ακραίες περιόδους, που εμφανίστηκαν στην υπό εξέταση περίοδο ( ), όπως είναι η ψυχρή περίοδος 2003/2004 και η θερμή περίοδος Τα αποτελέσματα της ανάλυσης φαίνονται στο Σχήμα 3 (άνω γράφημα: ψυχρή περίοδος; κάτω γράφημα: θερμή περίοδος). Όσον αφορά τη μέση ψυχρή περίοδο, για τα χρονικά διαστήματα από αρχές Οκτωβρίου μέχρι τέλος Νοεμβρίου και για τον Μάρτιο, το βιοκλιματικό περιβάλλον εμφανίζεται από δροσερό έως ελαφρά θερμό από της 8 ης πρωϊνής μέχρι και της 17 ης απογευματινής ώρας. Το διάστημα από τον Δεκέμβριο μέχρι και τον Φεβρουάριο, το περιβάλλον εμφανίζεται από δροσερό έως κρύο κατά την διάρκεια της ημέρας, ενώ ιδιαίτερα οι μεταμεσονύχτιες ώρες χαρακτηρίζονται συνήθως από ισχυρή/ακραία ψυχρή επιβάρυνση. Συγκρίνοντας τη μέση ψυχρή περίοδο με την αντίστοιχη περίοδο 2003/2004, είναι εμφανή τα δύο ισχυρά κύματα ψύχους (22-24 Ιανουαρίου 2004 και Φεβρουαρίου 2004) όπου παρατηρούμε ότι οι τιμές PET εμφανίζουν πολύ ακραίες χαμηλές τιμές και μάλιστα για όλες τις ώρες της ημέρας (περιπτώσεις ολικού παγετού). Κατά τη διάρκεια της μέσης θερμής περιόδου, το περιβάλλον χαρακτηρίζεται από ισχυρή/ακραία θερμή επιβάρυνση από της 8 ης πρωϊνής μέχρι και της 17 ης απογευματινής, ενώ στο υπόλοιπο της ημέρας επικρατεί θερμική άνεση έως ελαφρά θερμή επιβάρυνση. Αναλύοντας την ακραία θερμή περίοδο του έτους 2007, είναι φανερά τα τρία κύτταρα, που αντιστοιχούν στα τέσσερα ακραία κύματα καύσωνα, που εμφανίστηκαν στα τέλη Ιουνίου, στις αρχές του 3 ου δεκαημέρου του Ιουλίου, στις αρχές του 3 ου δεκαημέρου του Αυγούστου και στις αρχές Σεπτεμβρίου, κατά φθίνουσα σειρά 929

6 ΣΧΗΜΑ 3. Ωριαία μεταβλητότητα του θερμικού δείκτη PET για τη μέση ψυχρή περίοδο ( ) μαζί με τη ψυχρή περίοδο (άνω γράφημα) και για τη μέση θερμή περίοδο ( ) μαζί με τη θερμή περίοδο του 2007 (κάτω γράφημα).. 930

7 μεγέθους αντίστοιχα. Η θερμική επιβάρυνση ήταν πολύ ακραία και έγινε αισθητή από την 8 η πρωϊνή έως την 15 η απογευματινή, ιδιαίτερα για τα πρώτα δύο κύματα καύσωνα. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί και η διάρκεια των κυμάτων καύσωνα, που ήταν αντίστοιχα 8, 6, 3 και 2 συνεχόμενες ημέρες αντίστοιχα, καθώς επίσης και η επικρατούσα άπνοια. 3.3 Τάσεις και μεταβλητότητα Με σκοπό να εξετάσουμε τη μεταβλητότητα και τις τάσεις που εμφανίζουν οι ακραίες τιμές PET, υπολογίστηκαν οι ετήσιες συχνότητες των ημερών με τιμές PET μεγαλύτερες ή μικρότερες από συγκεκριμένα κατώφλια. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα Ετήσια συχνότητα ημερών PET >4 1 o C PET >35 o C PET <8 o C PET <4 o C Έτη ΣΧΗΜΑ 4. Ετήσια συχνότητα ημερών με PET>41 o C, PET>35 o C, PET<8 o C, PET<4 o C. Ο ετήσιος αριθμός ημερών με PET>41 o C (ακραία θερμική επιβάρυνση) εμφανίζει στατιστικά σημαντική αυξητική τάση (p<0.05), γεγονός που αν συνδυαστεί με την υφιστάμενη κλιματική αλλαγή, μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πιθανόν το θερμοβιοκλιματικό καθεστώς στην υπό μελέτη περιοχή θα επιδεινωθεί. Παρόμοια στατιστικά σημαντική αυξητική τάση (p<0.05), εμφανίζουν και οι ετήσιες συχνότητες των ημερών με PET<4 o C, δείχνοντας ότι οι βιοκλιματικές συνθήκες τείνουν να γίνουν πιο ακραίες και ως προς την ψυχρή συνιστώσα της βιοκλιματικής επιβάρυνσης. Οι Matzarakis and Nastos (2006) έχουν δείξει ότι οι θερμο-βιοκλιματικές συνθήκες αναμένεται να μεταβληθούν ραγδαία, με βάση το σενάριο A1F για το θέρος, όπου οι επικείμενες αλλαγές θα είναι περισσότερο από δύο-τρία επίπεδα θερμικής επιβάρυνσης για το θέρος, για την περιοχή της Αττικής, ενώ για τον χειμώνα, οι αναμενόμενες μεταβολές θα κυμανθούν μεταξύ ενός και δύο επιπέδων θερμικής επιβάρυνσης. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσματα της ανάλυσης που προηγήθηκε, δείχνουν ότι με τη βοήθεια του βιοκλιματικού διαγράμματος είναι δυνατόν να περιγραφούν πολύ καλά οι 931

8 ανθρωποβιοκλιματικές συνθήκες που επικρατούν στην Πανεπιστημιούπολη Αθηνών. Διαπιστώθηκε ότι κατά τη διάρκεια της μέσης θερμής περιόδου, το περιβάλλον χαρακτηρίζεται από ισχυρή/ακραία θερμή επιβάρυνση από της 8 ης πρωϊνής μέχρι και της 17 ης απογευματινής, γεγονός που προκαλεί έντονη επίδραση στον θερμορρυθμιστικό μηχανισμό του ανθρώπου. Όσον αφορά τις τάσεις των ακραίων τιμών PET, αυτές φαίνεται να ακολουθούν αυξητική πορεία, στη διάρκεια της εξεταζομένης περιόδου, τόσο ως προς την θερμή όσο και προς την ψυχρή συνιστώσα της βιοκλιματικής επιβάρυνσης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η μελέτη αυτή έχει χρηματοδοτηθεί από τον Ειδικό Λογαριασμό Κονδυλίων Έρευνας του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, στα πλαίσια του προγράμματος «Καποδίστριας» ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Buttner K, 1938: Physikalische Bioklimatologie. Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig. Fanger PO, 1972: Thermal comfort. New York. McGraw-Hill. Gagge AP, Fobelets AP, Berglund LG, 1986: A standard predictive index of human response to the thermal environment. ASHRAE Trans 92, Givoni Β, 1969: Μan, Climate and Architecture. Elsevier, Amsterdam. Höppe P, 1984: Die Energiebilanz des Menschen. Wiss. Mitt. Meteorol. Inst. Univ. Monchen Nr 49. Höppe P, 1999: The physiological equivalent temperature a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment. International Journal of Biometeorology, 43, Jendritzky G, 1990: Bioklimatische Bewertungsgrundlage zur Beschreibung des thermischen Milieus in der Stadt- und Landschaftsplanung. ARL Beitrdge Nr Matzarakis A, Mayer H and Iziomon MG, 1999: Applications of a universal thermal index: physiological equivalent temperature. International Journal of Biometeorology, 43, Matzarakis A and Rutz F, 2005: Application of RayMan for tourism and climate investigations. Annalen der Meteorologie, 41(2), Matzarakis A and Nastos PT, 2006: Heat waves in Athens. Πρακτικά 8ου Πανελληνίου Συνεδρίου Μετεωρολογίας - Κλιματολογίας - Φυσικής της Ατμόσφαιρας, Θεσσαλονίκη (υπό εκτύπωση). Matzarakis A, Rutz F and Mayer H, 2007: Modelling Radiation fluxes in simple and complex environments Application of the RayMan model. International Journal of Biometeorology, 51, Nastos PT and Matzarakis A, 2006: Weather impacts on respiratory infections in Athens, Greece. International Journal of Biometeorology, 50, Thom E, 1959: The discomfort index. Weatherwise, 12, VDI, 1998: VDI 3787, Part I: Environmental Meteorology, Methods for the human biometeorological evaluation of climate and air quality for the urban and regional planning at regional level. Part I: Climate. Beuth, Berlin, 29 pp. 932