Melbourne: Hitte in de stad door stedelijk warmte-eiland

Vorige maand werd Melbourne voor het eerst in de geschiedenis verkozen tot de meest leefbare stad ter wereld. De jury van de EIU roemt Melbourne om zijn verscheidenheid aan trendy cafeetjes, stijlvolle restaurants en de overal aanwezige sportcultuur in de stad. Er zijn maar enkele punten waarop de stad niet de maximale punten scoort, één daarvan is het klimaat. Want ondanks de zachte winters en de aanwezigheid van 70 stranden zijn de zomers in de stad heet en droog. De laatste decennia wordt Melbourne geteisterd door hittegolven en watertekorten. De lokale overheid staat daarom voor een uitdaging om de temperatuurstijging te beperken en de stedelijke bevolking te beschermen tegen blootstelling aan grote hitte. Gastauteur Matthias doet aan in Melbourne onderzoek naar het ’urban heat island’ van Melbourne en schrijft hierover dit interessante artikel.

Het stedelijke warmte-eiland (of hitte-eiland) is één van de meest bekendste fenomenen in de stedelijke klimatologie. Het begrip is dan ook niet nieuw, maar werd voor het eerst aangehaald in het historische werk “The climate of London” van Luke Howard, gepubliceerd in 1833. De impact van het toenmalige Londen op het omliggende klimaat merkte Howard eenvoudig op door zijn eigen temperatuursmetingen in de stad te vergelijken met de metingen gemaakt door de Royal Society nabij Somerset House met als conclusie dat de “temperatuur van de stad geen onderdeel uitmaakt van het omliggende klimaat”.  De temperatuur wordt beïnvloed door kunstmatige warmte veroorzaakt door de stedelijke structuur, de populatiedichtheid en de consumptie van grote hoeveelheden brandstof.

Wie ‘s avonds van het platteland de stad in fietst, of zelfs in een overwegend stedelijke omgeving door een park fietst heeft het ongetwijfeld al gemerkt: de temperatuur is er opvallend lager. De meeste steden ter wereld zijn warmer dan hun omringende platteland en op die manier creëren ze een warmte-eiland. De amplitude van het temperatuursverschil hangt af van een groot aantal factoren zoals de omvang en geometrie van de stad, tijdstip van de dag, aard en type van het energieverbruik en de weeromstandigheden. Er bestaan verschillende types van stedelijke warmte-eilanden, waarvan de canopy layer urban heat island het vaakst wordt gebruikt. Hierbij wordt het temperatuurverschil gemeten tussen het platteland en een referentiepunt op straatniveau, aangezien deze temperatuur van belang is voor het thermisch comfort van de mensen die zich in de stad voortbewegen.

De hogere temperaturen in de stad ten opzichte van het platteland zijn vooral te wijten aan een complexe interactie tussen de geometrische, thermische en stralingsgerelateerde eigenschappen van een stad. De geometrie wordt vaak uitgedrukt aan de hand van de Sky-View-Factor (SVF) of de verhouding van de hoogte (H) van de bebouwing en breedte (B) van de tussenliggende straten. De SVF geeft voor een bepaalde locatie de fractie van de hemel die zichtbaar is wanneer je met je rug op de grond ligt. Door meervoudige reflecties zorgt een kleine SVF (grote H/B-verhouding), vergeleken met een grote SVF, voor een sterkere absorptie van inkomende straling en kan de uitgaande infrarode straling niet goed uitstralen. Central Bussiness Districts met hoge, dicht opeengepakte wolkenkrabbers van bijvoorbeeld metropolen als New York en Tokyo worden gekenmerkt door een grote H/B verhouding (kleine SVF) wat er voor zorgt dat meer (zonne)straling wordt vastgehouden die vooral ‘s nachts wordt vrijgegeven. Het kan ook leiden tot een vermindering van ventilatie door het blokkeren van de overheersende (verkoelende) wind in de omgeving.

 Bouwmaterialen hebben de neiging meer straling te absorberen (ze zijn vaak donkerder dan grasland, akker of bos), zodat dit leidt tot een toename van de oppervlaktetemperatuur. Een tweede belangrijke categorie is de ondoorlatendheid van het stedelijk oppervlak, wat aanleiding geeft tot een beperkte verdamping. Een hoog percentage aan verharde oppervlakken zorgt voor een snelle afvoer van het regenwater zodat overdag minder inkomende zonne-energie kan omgezet worden in verdamping, zoals het geval is in rurale gebieden. De overtollige energie wordt in plaats daarvan opgeslagen in materialen en constructies en komt ‘s nachts vertraagd vrij. Waterrijke parken, meren en moerasgebieden vormen juist de koele plekken in de stad.

Verder dragen ook antropogene warmtebronnen als verkeer, verwarming en airconditioning bij tot een kunstmatige opwarming van stad die in gematigde streken het hoogst is in de winter. Tot slot speelt ook luchtvervuiling een rol. Luchtvervuiling zorgt voor absorptie en reflectie van de uitgaande infrarode straling en voor vermindering van de inkomende straling. Met name ’s nachts draagt het bij aan de opwarming van steden.

Het belang van onderzoek naar het stedelijk warmte-eiland ligt voor de hand. Momenteel leeft 50% van de globale bevolking in de stad, een aantal dat volgens het UN zal oplopen tot boven de 70% tegen 2050. Recente analyses naar aanleiding van de hittegolven in bijvoorbeeld 2003 en 2006 hebben aangetoond dat de recordtemperaturen (en ermee gepaard gaande daling van de luchtkwaliteit) in tal van steden in Centraal en West-Europa hebben geleid tot een sterke toename van de mortaliteit en morbiditeit, vooral bij de oudere bevolking. In dit geval is het niet zozeer een verhoging van de maximumtemperatuur die een doorslaggevende rol speelt, maar vooral een sterke toename van de minimumtemperatuur. Deze laatste zorgt ervoor dat het menselijk lichaam niet voldoende tijd krijgt de overtollige hitte kwijt te raken.

Melbourne als voorbeeld

Melbourne is de hoofdstad van de staat Victoria, en met 4 miljoen inwoners de tweede grootste stad van Australië. De uitgestrektheid van de stad zorgt voor een relatieve lage bevolkingsdichtheid van 1600 inw/km² ten opzichte van bijvoorbeeld 4700 inw/km² voor Amsterdam, 7000 inw/km² voor Brussel, 10600 inw/km² voor New York of ongeveer 30000 inw/km² voor Mumbai. Door de natuurlijke aanwas en het grote aantal immigraties verwacht men in Australië een bevolkingsaangroei van 20 miljoen inwoners tegen 2050. Dit zorgt voor een enorme druk op de bestaande infrastructuur waarbij in de komende 40 jaar ter vergelijking 59 Canberra’s, tien Brisbanes of vijf Melbournes moeten worden aangelegd.

Het klimaat in Melbourne wordt gekenmerkt door warme tot hete zomers (gemiddelde zomertemperatuur van 28°C), milde herfsten en lentes en koele winters (gemiddelde temperatuur van 8°C). Op 7 februari 2009 werd Melbourne getroffen door een hittegolf, met een record maximumtemperatuur van 46.4°C  in het centrum van Melbourne. Hiermee werd het vorige record van 45.6 °C uit 1939 verbrijzeld. De hittegolf ging gepaard met verwoestende bosbranden rond Melbourne (vaak naar gerefereerd als “Black Saturday”), sterke winden en stofstormen. Naast de vaak verkomende hittegolven wordt Melbourne (net als andere steden in Australië) de laatste 1,5 decennia geteisterd door enorme watertekorten. Zo daalde de gemiddelde instroom van water in de periode 1997-2009 met 207 gigaliter per jaar ten opzicht van het langdurig gemiddelde over de periode 1913-2009. Onderzoek heeft aangetoond dat de daling in neerslag in Zuid-Oost Australië een gevolg is van een verhoogde intensiteit van de rug van een subtropische hoge druk onder een veranderend klimaat, hetgeen ook in de toekomst kan leiden tot een groeiend watertekort.

Een mogelijke strategie voor stedelijke groei

De centrale vraag voor een stadsbestuur als die van Melbourne is dus tweeledig: welke strategie moet in de toekomst gevolgd worden om enerzijds de bevolkingsgroei op te vangen en anderzijds ervoor te zorgen dat de stad leefbaar blijft onder een verwachte toename van hittegolven en een afname van beschikbaar water.

Een van de mogelijke antwoorden op de eerste vraag is de visie van Prof. Rob Adams, die de bevolkingstoename in Melbourne wil opvangen binnen de bestaande stedelijke structuren, door een verhoging van de bevolkingsdichtheid. Hij neemt de campus van de universiteit van Kaapstad in Zuid-Afrika als voorbeeld. De campus wordt omgeven door de Tafelberg en omliggende nationale parken, waardoor een uitbreiding zo goed als onmogelijk is. Daarom werd een gedetailleerde studie gemaakt van de bestaande infrastructuur, waaruit bleek dat deze voor minder dan 25% van de tijd werd gebruikt. Een herziening van de tijdsindeling en de aanleg van een beperkt aantal nieuwe gebouwen op braakliggende terreinen hebben geleid tot een minieme verandering in het uitzicht van de campus ten opzichte van 40 jaar geleden, ondanks een verdrievoudiging van het aantal studenten.

In Melbourne woont 90% van de bevolking in “Suburbia”, wat verwijst naar de uitgestrekte residentiële gebieden rondom het centrum van de stad. De Australische droom van eigen huis met een stukje grond drijft de mensen steeds verder weg van de stad. Toch hebben recente inspanningen in het centrum geleid tot een heropleving van de binnenstad. Bestaande commerciële gebouwen zijn getransformeerd tot woningen, het openbaar vervoer is verbeterd en de auto is waar mogelijk verbannen uit het centrum. De openbare ruimte is aangepast met bredere voetpaden, bomen langs de weg, kleine openbare voorzieningen zoals banken en kiosken, kunst in de stad en goed uitgewerkte fietsvoorzieningen. Zo maakte in 2002 slechts 1% van de forenzen gebruik van de fiets om op het werk te komen, vandaag de dag is dit gestegen naar 11%.

Een verdere verhoging van de bevolkingsdichtheid kan plaatsvinden in de zogenaamde “activiteitencentra”, gebieden langs de grote uitvalswegen die al voorzien zijn van alle mogelijke stedelijke voorzieningen en daarbij een centrale hub zijn met betrekking tot het openbaar vervoer-netwerk. Deze activiteitencentra beslaan vandaag de dag slechts 3% van stedelijk Melbourne en bieden een enorm potentieel om de verwachte bevolkingstoename op te vangen. Rekening houdend met de bestaande ruimtelijke plannen met betrekking tot speciale zones, parken, afstand tot de weg, beschermde gebouwen en recente ontwikkelingsprojecten wordt geschat dat ongeveer 34000 percelen in aanmerking komen voor verdichting, wat kan leiden tot een netto populatietoename tussen de 1 en 2,5 miljoen inwoners, op slechts 3% van de bestaande verstedelijkte oppervlakte. Dit komt overeen met de populatiedichtheid in deze activiteitencentra van ongeveer 20000 inw/km² en gebouwen van 4 tot 6 verdiepingen hoog. Het huisvesten van meer mensen binnen de al bestaande stedelijke infrastructuur heeft ook interessante financiële gevolgen. Zo wordt de kostprijs van de bouw van 1000 huizen aan de rand van een stad €200 miljoen hoger ingeschat dan deze te bouwen binnen de bestaande stadsgrenzen.

Mogelijke mitigatiestrategiën voor het stedelijk warmte-eiland

Zoals gezegd staan steden nu en in de toekomst voor de bedreiging van een toename in de temperatuur door zowel klimaatverandering als stedelijke ontwikkeling. Als de gemiddelde temperatuur in de steden verder stijgt en de grootte en dichtheid van de steden blijft groeien, moeten maatregelen worden genomen om de temperatuurstijging te beperken en de stedelijke bevolking te beschermen tegen blootstelling aan grote hitte. Onderstaande tabel geeft aan welke toename de Australische steden kunnen verwachten van het aantal dagen met een maximum temperatuur hoger dan 35°C. Deze cijfers zijn uitsluitend gebaseerd op basis van klimaatveranderingen zonder daarbij rekening te houden met een mogelijke toename van de temperatuur als gevolg van een verdere stedelijke ontwikkeling. Dit verhoogt de bezorgdheid over de kwaliteit van de stedelijke omgeving en vraagt om drastische maatregelen om de stedelijke omgeving leefbaar te houden in de toekomst.

Tal van mitigatiestrategiën zijn mogelijk om de stedelijke omgeving zo koel mogelijk houden en vaak kunnen ze gelijktijdig geïmplementeerd worden. Een goede keuze aan bouwmaterialen zorgt ervoor dat het stedelijk oppervlak overdag minder opwarmt, zodat ‘s avonds minder warmte wordt vrijgegeven. Lichtere oppervlakken (bijvoorbeeld witte daken) leiden tot een hogere reflectie van de inkomende zonnestraling en een daling van de beschikbare energie. Maar ook de implementatie van nieuwe technologiën in het ontwerp van gebouwen kan bijvoorbeeld leiden tot een natuurlijk in stand houden van het klimaat binnenshuis zodat verwarming/air conditioning niet langer nodig is. Een mooi voorbeeld hiervan is de bibliotheek in East Melbourne, die zowel voor zijn verwarming als afkoeling gebruik maakt van geothermische warmte en luchtcirculatie op basis van strategisch geplaatste ventilatieschachten.

Bovenstaande elementen lichten slechts een tipje van de sluier van de mogelijke strategiën die gebruikt kunnen worden ter mitigatie van het stedelijk warmte-eiland. Toch is het opportuun nog één groep van strategiën meer in detail te bespreken, namelijk de “Water Sensitive Urban Design (WSUD)”. Zoals gezegd staan Australische steden onder grote druk vanwege de beperkte waterbeschikbaarheid. In een stedelijke omgeving gekenmerkt door grote ondoorlaatbare opperlaktes wordt water snel en efficiënt verwijderd via rioleringsystemen en lokale kreken, beken en rivieren. Het resultaat is een droger stedelijk landschap dat wordt gecompenseerd door het importeren van hogekwaliteits drinkwater van buiten de stadsgrenzen voor bijvoorbeeld irrigatie van vegetatie en gazons. Maar door de snelle daling van de spaarbekkens rondom Melbourne heeft de overheid van Victoria de beslissing genomen waterrestricties in te voeren (bijvoorbeeld een maximum verbruik van 155 liter per dag per huishouden) alsook de goedkeuring te geven voor de bouw van een ontziltingsinstallatie die na voltooiing einde 2011 per jaar 150 gigaliter zeewater kan omzetten naar drinkwater. Ondanks de goede intenties zorgen de restricties ook voor het afsterven van groenzones in de stad,wat weer een directe impact heeft op de stedelijke leefbaarheid.

Waterrestricties en hun indirecte impact op de bomen in de stad (Government Victoria, 2010)Schematische voorstelling van een bio-infiltratie systeem (links) en een toepassing in Lynbrook Boulevard, Melbourne (Bron: T. Wong)

Recent is men gaan inzien dat het probleem ook vanuit een ander standpunt kan bekeken worden. Waar in een natuurlijke (niet-verstedelijkte) omgeving slechts 145 gigaliter per jaar rechtstreeks afstroomt  is dit voor een stedelijke omgeving 608 gigaliter, terwijl het totale jaarlijkse waterverbruik van de inwoners in Melbourne zo’n 435 gigaliter/jaar bedraagt, minder dus dan hetgeen verloren gaat aan directe afstroming. Uit deze cijfers blijkt dat er in principe voldoende water beschikbaar is mits het op een strategische manier wordt gebruikt. Zodoende is men gaan nadenken over WSUD strategiën die allen als primair doel hebben het water in de stad vast te houden. Op deze manier kan het oogsten van regenwater, gecombineerd met het filteren, infiltreren en irrigeren de afvoervolumes verminderen tot het niveau van voor de verstedelijking, terwijl de ontwikkeling ook de baseflows kan herstellen en het natuurlijke bodemvocht terug gebracht wordt naar de stedelijke landschappen.

Het oogsten van overtollig regenwater en watergevoelig stedenbouwkundig ontwerpen zorgen voor een middel is om regenwater te reïntegreren in het stedelijk landschap. Het herontwerpen van de infrastructuur om overtollig regenwater langzaam te laten infiltreren en water vast te houden binnen stedelijke bodems, of op te slaan in gedistribueerde opvangsystemen stelt water ter beschikking dat later gebruikt kan worden ter irrigatie in de stedelijke omgeving. Herstellen van de natuurlijke stedelijke waterhuishouding moedigt een hogere evapotranspiratie aan en is een belangrijk instrument om het stedelijke landschap te koelen zodat de blootstelling van de stedelijke bewoners aan extreme hitte en ongemakkelijk klimaten geminimaliseerd wordt.

Een mooi voorbeeld is de Cheonggyecheon rivier in Seoul, Zuid-Korea. Waar de rivier voorheen overdekt was met een snelweg heeft de overheid in 2003 besloten de rivier in ere te herstellen. De stroom is in september 2005 voor het publiek geopend en wordt geprezen als een groot succes in de stedelijke vernieuwing. Onderzoek heeft aangetoond dat de rivier bijdraagt tot een daling van de gemiddelde temperatuur in de omgeving met 3.6° C. Verder herstelt de rivier de natuurlijke habitat voor vele vogels, vissen en insecten en is het aantal voertuigen in het centrum van Seoul gedaald met 2,3%, wat heeft geleid tot een toename in het aantal gebruikers van de bussen (met 1,4%) en metro’s (met 4,3%).

Natuurlijk hoeven niet alle projecten zo grootschalig te zijn. Ook kleine aanpassingen in de stedelijke infrastructuur kunnen zorgen voor het opvangen, opslaan, filteren en opnieuw beschikbaar stellen van regenwater, zoals het plaatsen van regentanks, groendaken -en muren, begroeide bio-infiltratie systemen en open water. Tal van technieken zijn voorhanden en onderzoek moet aantonen welke strategieën het best van toepassing zijn.

Dergelijk onderzoek vraagt een geïntegreerde aanpak van stedebouwkundig ingenieurs, planologen, klimatologen, bio-ingenieurs, beleidsmakers, IT-ers, hydrologen en mobiliteitsmedewerkers. De verschillende doelen en instrumenten zullen gebundeld moeten worden om de transitie mogelijk te maken. Albert Einstein formuleerde ooit dat “we geen problemen kunnen aanpakken door gebruik te maken van hetzelfde soort denken dat we gebruikten toen we ze aanlegden”. Dit moeten we ter harte nemen en werk maken van een stedelijke transformatie, de enige levensvatbare strategie om om te gaan met een toenemende verstedelijking in een veranderend klimaat.

Coutts et al., 2010, Changing Urban Climate and CO2 Emissions: Implications for the Development of Policies for Sustainable Cities. Urban Policy and Research, 28, 27 – 47

CSIRO, 2008, ‘Regional temperature projections in Australia to 2100 for three climate cases’, data prepared for the Garnaut Climate Change Review, CSIRO, Aspendale, Victoria.