Het Urban Heat Island-effect (UHI) is het klimatologische effect op de temperatuur, neerslag en windsnelheid in stedelijke gebieden. Het ontstaat door de fysieke en antropogene eigenschappen van stedelijke gebieden die afwijken van die van het omringende platteland. Die fysieke eigenschappen van steden beïnvloeden onder andere de reflectie en verdamping waardoor de energiebalans van steden afwijkt van die in rurale gebieden.
Een belangrijke oorzaak van het ontstaan van het UHI is de bebouwing. Hoogte van gebouwen en smalle straten zorgen voor meervoudige reflecties en sterkere absorptie van inkomende straling en beperking van de uitstraling van warmtestraling. Door wrijving neemt ook de windsnelheid af en vermindert daardoor de afkoeling door turbulentie. Van belang is ook de lagere verdamping in de stad: doordat neerslagwater snel en grotendeels ondergronds wordt afgevoerd is er relatief weinig water om te verdampen. Ook de vaak geringe oppervlakten met begroeiing zorgen voor een lagere verdamping. Verdamping is op aarde de belangrijkste manier om warmte aan het aardoppervlak kwijt te raken.
De antropogene invloeden betreffen warmtebronnen zoals gemotoriseerd verkeer, industrie, verwarming (’s winters) en airconditioning (’s zomers). Tenslotte hangt er over grote steden altijd een stofkoepel: luchtvervuiling zorgt voor absorptie en reflectie van de uitgaande warmtestraling, waardoor het vooral ’s nachts bijdraagt aan UHI-effect. Steden zijn door al deze factoren warmer dan hun omgeving, vooral in de zomer en meer ’s nachts dan overdag.
Fig.1 Bron: Van Hove 2011
Figuur 1 toont de temperatuurverschillen in de stad Rotterdam op de zomeravond van 6 augustus 2009 tussen 22u en 24u. Het maximale temperatuurverschil is ongeveer 6 °C, met de maximum temperaturen in het centrum gemeten. Het maximale UHI-effect van de grote Nederlandse steden wordt geschat op 4 tot 9 °C. Het gemiddelde effect op bijvoorbeeld de jaarlijkse temperatuur is uiteraard veel lager. De ruimtelijke invloed van het UHI-effect beperkt zich niet alleen tot de bebouwde omgeving van de stad. Door advectie hangt er een warmtepluim vanaf de stad over het benedenwindse omringende gebied.
In Nederland zijn de afgelopen jaren diverse pogingen gedaan om de grootte van het UHI-effect in steden vast te stellen. De gehanteerde methodiek loopt van mobiele metingen en vaste meetnetwerken tot het gebruik van modellen. Voor de metingen van figuur 1 werd door Van Hove et al gebruik onder andere gemaakt van een bakfiets, opgetuigd met allerlei meetapparatuur. Maar ook meteorologische observaties door andere onderzoekers en historisch data werden gebruikt.
Fig.2 Bron: Brandsma et al 2003
De invloed van het stedelijke UHI effect op de temperatuurmetingen van station De Bilt is door Brandsma et al (2003) bestudeerd door de temperatuurwaarnemingen van De Bilt (1993-2000) te vergelijken met die van het nabijgelegen landelijke station in Soesterberg. Daarbij moet men niet alleen denken aan invloed vanuit Utrecht maar ook vanuit de nabijgelegen (peri-) urbane kernen De Bilt/Bilthoven en Zeist. De onderzoekers schatten dat het UHI-effect gedurende de 20e eeuw de jaarlijkse gemiddelde temperaturen van De Bilt met 0,10 ± 0,06 °C heeft verhoogd.
Koopmans et al (2014) gebruikten modelsimulaties van het bodemgebruik in de jaren 1900 en 2000 om het UHI-effect op temperatuurmetingen van station De Bilt te kunnen schatten. De resultaten wijzen op een temperatuurstijging gedurende de 20e eeuw van 0,22±0,06 K. Dat is meer dan 2x zo hoog als wat Brandsma et al vonden met de vergelijking De Bilt-Soesterberg.
Fig.3 Bron: Koopmans et al 2014
Klok et al (2012) hebben als eersten voor heel Nederland een kaart gemaakt van het hitte-eiland effect (SHI) op basis van onder andere satellietbeelden van warmtestraling. Het effect is het verschil in oppervlaktetemperatuur tussen stad en het buitengebied. Overdag kan dat oplopen tot 9 °C, gemiddeld is dat voor de 73 grootste steden in ons land 2,9 °C en ’s nachts iets lager, 2,4 °C. Daarbij is het % verhard en bebouwd oppervlak een belangrijke factor.
Fig.4 Bron: Klok et al (2012)
Het voordeel van de gebruikte methode is dat het een gebiedsdekkende methode is, in tegenstelling tot het gebruiken van data van weerstations en mobiele metingen zoals hiervoor beschreven. In het algemeen zijn de gemeten temperaturen bij deze methode ook iets lager dan bij de andere beschreven methodes. Klok et al maakten gebruik van de oppervlaktetemperaturen gemeten door satellieten van NOAA (figuur 4), de andere papers van de instrumenteel gemeten luchttemperaturen. Bij die laatste methoden (UHI) zijn de temperatuurverschillen ‘s nachts vaak hoger dan overdag.
De gebruikte satellietopnames in figuur 4 zijn van 16 juli 2006 om 14:07 uur en 17 juli 2006 om 4:04 uur lokale tijd. Er was toen sprake van een hittegolf in Nederland en de hemel was onbewolkt. Het onderzoek toonde onder andere aan dat steden op hogere zandgronden overdag een hogere SHI vertoonden, terwijl steden op klei- en veengronden juist ’s nachts een hogere SHI vertoonden. Ik vermoed dat dat te maken heeft met het watergehalte van de bovenste deel van de bodem, waardoor er in natte bodems een groter verticaal warmtetransport kan plaatsvinden. Warmtetransport in zandgronden is veel kleiner doordat de lucht tussen zanddeeltjes vooral isoleert.
Op basis van de digitale topografische kaart van Nederland (TOP10NL) is voor elke gridcel van 1×1 km bepaald wat het overheersend bodemgebruik was (water, stedelijk gebied, niet-stedelijk gebied). Zo ontstond de kaart van figuur 5.
Fig.5 Bron: Klok et al (2012)
Opvallend is dat Den Haag overdag hogere temperaturen had dan Rotterdam en Amsterdam. Een mogelijke oorzaak daarvan is het feit dat Den Haag deels op droog zand (strandwallen en oude duinen) gebouwd is. Die strandwallen hebben hier een ZW-NO strekkingsrichting, zie figuur 6. Tussen die hogere en droge strandwallen zijn de tussenliggende laagtes in de loop van de tij opgevuld met veen (nat). Als je goed kijkt naar het rechter kaartje van figuur 5 dan is die ZW-NO strekking in de kleuren te zien.
Fig.6 Bron: Gemeente Den Haag
Rotterdam en Amsterdam hebben binnen hun stedelijk gebied veel meer oppervlaktewater dan Den Haag, wat hoge temperaturen overdag verhindert en ’s nachts stimuleert. Voor Rotterdam spelen waarschijnlijk de vele hoge gebouwen met deels glazen puien in het centrum voor een wat hogere SHI ’s nachts.
Beide kaartjes van figuur 5 laten goed zien dat de ruimtelijk verspreide verstedelijking die zo kenmerkend is voor ons land ook tot gevolg heeft dat stedelijk hitte-eiland effect ook een sterke ruimtelijke spreiding kent. Zelfs kleine steden vertonen extra opwarming. De tabel in figuur 7 toont de gegevens voor de 73 grootste steden in Nederland.
Fig.7 Bron: Klok et al (2012)
Alles wijst er dus op dat vanwege de sterke verstedelijking van Nederland en de ruimtelijke versnippering van die verstedelijking veel gebieden in Nederland beïnvloed zijn door het UHI. Dat toont ook de kaart “Stedelijk hitte-eiland effect (UHI) in Nederland” uit 2017 die het RIVM en VITO (Vlaams Instituut voor Technologisch Onderzoek) gezamenlijk hebben uitgegeven. De kaart kunt u vinden in de Atlas Natuurlijk Kapitaal.
Fig.8 Bron: RIVM
De kaart met cellen van 10x10m geeft het stedelijk hitte-eiland effect (UHI) weer, het gemiddelde luchttemperatuurverschil tussen de stedelijke en omliggende landelijke gebieden in °C Uit onderzoek blijkt dat het UHI-effect op stadsniveau op basis van twee variabelen goed te voorspellen is: bevolkingsdichtheid in de stad en binnen een straal van 10 km rondom de stad, en de windsnelheid op 10 meter hoogte. Op basis van deze twee variabelen werd in een model gemaakt om de maximale UHI in een stad te bepalen.
Daarna werden de effecten van omgevingsfactoren in het model gebracht. Verharding (bebouwing), groen (vegetatie) en blauw (water) hebben op kleinere schaal invloed op de windsnelheid en de hoeveelheid warmte die wordt vastgehouden. Op basis van verharding en de mate van groen en blauw in een straal van 1km om een locatie werd dan de maximale UHI naar beneden bijgesteld. Voor deze berekening werd gebruik gemaakt van de landgebruikskaart van het CBS op 10m resolutie en de groenkaarten die door RIVM zijn ontwikkeld (% groen per 10m cel). Groen heeft op lokale schaal nog een extra verkoelend effect. Op basis van lokaal groen in een straal van 30m om een locatie is de actuele UHI per locatie bepaald.
Fig.9 Bron: Roy Remme
Figuur 9 toont het model dat is toegepast voor de afkoelende effecten van vegetatie en water. Voor een gedetailleerde omschrijving van de toegepaste methode zie hier. De waarden op de kaart zijn jaargemiddelden. Het temperatuurverschil tussen stad en omringend gebied blijft daardoor onder de 3°C. Op hete zomerdagen kan het verschil echter beduidend verder oplopen dan de waarden in de kaart, zoals we al zagen in eerder onderzoek.
Het mooie van de UHI kaart van het RIVM is dat de kaart voor geheel Nederland het stedelijk eilandeffect in kaart brengt in jaargemiddelden. Dat kan ik gebruiken om te bezien in welke mate het UHI effect van invloed is op de temperatuurmetingen van het KNMI. Daarvoor gebruik ik de exacte ligging van de 34 KNMI weerstations die op onderstaande KNMI-kaart zijn weergegeven als groene vierkanten:
Fig.10 Bron: KNMI
De exacte ligging van elk station is bepaald met behulp van de metadata van het KNMI, foto’s van weerstations en Google Earth. Die laatste twee bronnen waren nodig omdat de coördinaten in de metadata onvoldoende exact zijn om de ligging op de 10x10m grid van de kaart te bepalen. Daarna heb ik met behulp van de UHI kaart voor elk station de grootte van het UHI-effect bepaald in °C. Voor stations met een UHI van < 0,2 °C (de donkerste kleur blauw op de kaart) is het effect kleiner dan 0,2 °C.
Fig.11 Data: KNMI en RIVM
De kleuren in de tabel van figuur 11 corresponderen met de kleurstippen in de groene stationsvierkanten van figuur 10. De tabel in figuur 11 laat zien dat 5 stations (De Bilt, Amsterdam/Schiphol, Hoek van Holland, Rotterdam/The Hague en Eindhoven) een UHI-effect vertonen van 0,4 – 0,6 °C. Verder vertonen 9 stations een UHI-effect van 0,2 – 0,4 °C. De rest, 20 stations, valt in de laagste categorie van 0 -0,2 °C en vertoont dus geen of bijna geen UHI-effect. Het verbaast niet dat de stations met het grootste UHI-effect alle in sterk verstedelijkte gebieden liggen.
Fig.12 Data: RIVM
Van het RIVM kreeg ik de aantallen gridcellen (10x10m) per UHI-klasse, zie de tabel in figuur 12. De 34 KNMI weerstations bevinden zich alle in de bovenste 3 klassen. Dat betekent dat geen enkel station een UHI-effect van 0,6 °C of hoger vertoont. De gemiddelde temperatuur op hoofdstation De Bilt in de meeste recente klimaatperiode 1991 – 2020 was 10,6 °C. Corrigeer je dat getal voor het UHI-effect op station De Bilt dan wordt de gemiddelde temperatuur in de laatste klimaatperiode 10 °C tot 10,2 °C.
Bedenk wel dat de cijfers hier het UHI-effect op jaarbasis betreffen. Met name op warme zomerdagen en –nachten kan het UHI-effect op de thermometers van De Bilt veel groter zijn. Er zijn op etmaalbasis temperaturen gemeten die tot 9 °C hoger zijn dan referentiewaarden op de omringende landelijke gebieden.
Om te achterhalen of bovenstaande verdeling van het UHI-effect over de 34 KNMI stations overeenkomt met de ruimtelijke spreiding van het UHI-effect over het landoppervlak van Nederland heb ik de cijfers in een tweetal cirkeldiagrammen weergegeven.
Fig.13 Data: RIVM
Figuur 13a laat zien dat 9,8 % van het Nederlandse landoppervlak sterk door het stedelijk hitte-eilandeffect verwarmd wordt, van 0,6 °C tot meer dan 2 °C op jaarbasis. Die cellen bevinden zich alle in de centra van de grotere steden in ons land (figuur 8), waar zich geen meetstations (meer) bevinden. Bekijken we de percentuele verdeling van de 3 laagste klassen (tot 0,6 °C) in figuur 13a en vergelijken we die met de percentuele verdeling van de stations in figuur 13b, dan is te zien dat de weerstations oververtegenwoordigd zijn in de gebieden met 0,2 – 0,4 °C en 0,4 – 0,6 °C stedelijke opwarming, ondervertegenwoordigd zijn in de gebieden met geen tot weinig UHI-effect en afwezig zijn in gebieden met het sterkte UHI-effect.
Alles valt of staat natuurlijk met de kwaliteit van het model dat het RIVM en VITO hebben gemaakt en op basis waarvan de kaart “Stedelijk hitte-eiland effect (UHI) in Nederland” gemaakt is. Wellicht dat er hier en daar nog wat verbeterd kan worden door het team van het RIVM. Wetenschap is nooit ‘af’, gelukkig.