CHƯƠNG 1. Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt đô thị trên thế giới và Việt Nam 1. Tổng quan về hiện tượng đảo nhiệt trên thế giới Hiện tượng đảo nhiệt đô thị (UHI) được Luke Howard mô tả lần đầu tiên khi ông phát hiện nhiệt độ không khí tại thành phố Luân Đôn cao hơn khu vực nông thôn 3,7OF vào ban đêm và 0,34 OF vào ban ngày [23]. Hình 1 cho thấy hình ảnh điển hình mô tả hiện tượng UHI.
Sự chênh lệch nhiệt độ vào ban đêm thường lớn hơn sự chênh lệch nhiệt độ vào ban ngày và rõ ràng nhất khi tốc độ gió yếu. Hiện tượng này cũng diễn ra rõ rệt giữa mùa đông và mùa hè. Nhiệt độ không khí trung bình của thành phố có từ khoảng 1 triệu dân trở lên có thể cao hơn khu vực xung quanh từ 1-3oC; vào những đêm lặng gió và quang mây sự chênh lệch nhiệt độ này có thể lên tới 12oC. Thậm chí, hiện tượng UHI cũng có thể xuất hiện ở các thành phố và các đô thị nhỏ, mặc dù có thể không rõ rệt [13].
Hình ảnh mô tả hiện tượng đảo nhiệt đô thị [13] Hiện tượng đảo nhiệt đô thị đã diễn ra mạnh mẽ ở nhiều đô thị lớn trên thế giới như Tokyo, Thượng Hải, Lốt An-giơ-let, San Đi-ê-gô… Nhiệt độ không khí ở các đô thị này tăng khoảng 0,2 - 0,8 oC trong một thập kỷ (Hình 2). 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tốc độ phát triển nhiệt đô thị ở một số thành phố lớn trên thế giới [10] Hình 3 cho thấy kết quả nghiên cứu về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tạo Tokyo, Nhật Bản. Trung bình nhiệt độ tháng 9 trong suốt mười năm tại khu vực Kanto từ năm 1907 đến 2007 Nhật Bản [25] Theo đó, từ cuối thập niên 80, nhiệt độ không khí trung bình tháng 9 tại thành phố này đã gia tăng và cao hơn các thành phố lân cận từ 1-3 oC.
Hiện tượng đảo nhiệt đô thị đồng thời cũng làm tăng nhiệt độ của trung bình thấp nhất theo ngày. Theo nghiên cứu về UHI tại Phoenix, Hoa Kỳ, trong giai đoạn 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1950 tới 2006, nhiệt độ trung bình thấp nhất theo ngày trong năm ở khu vực đô thị tại trạm Phoenix cao hơn rất nhiều nhiệt độ trung bình thấp nhất theo ngày tại khu vực nông thôn tại trạm tượng đài Casa Grande nằm giữa hai thành phố lớn (Hình 4). Biểu đồ nhiệt độ trung bình thấp nhất hang năm tại trạm Phoenix và trạm tượng đài quốc gia Casa Grande tại bang Arizona, Hoa Kỳ [15] Ở Úc, nghiên cứu về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại khu vực Nam Victoria trong giai đoạn 1900 - 2000, cho thấy hiện tượng đảo nhiệt đô thị đã xuất hiện tại thành phố Melbourne (Hình 5). Do ảnh hưởng của hiện tượng đảo nhiệt đô thị, nhiệt độ trung bình năm tại thành phố Melbourne đã rút ngắn chênh lệch với nhiệt độ trung bình năm tại các các vùng khác thuộc khu vực Nam Victoria từ năm 1960.
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhiệt độ trung bình năm các khu vực phía nam Victoria giai đoạn 1990 – 2000 [17] 1. Phân loại hiện tượng đảo nhiệt đô thị Đảo nhiệt xảy ra cả trên bề mặt đô thị và khí quyển. Hai loại đảo nhiệt đô thị này khác nhau ở cách hình thành, các phương pháp kĩ thuật được sử dụng để xác định và đo đạc, ảnh hưởng và phương pháp để giảm thiểu chúng (Bảng 1).
Các đặc điểm cơ bản của hiện tượng đảo nhiệt đô thị bề mặt và khí quyển [13] Đặc điểm UHI bề mặt UHI khí quyển Biểu hiện - Xuất hiện ở tất cả các thời - Có thể không rõ ràng hoặc theo thời gian trong ngày, cả ban ngày không xuất hiện vào ban ngày gian và ban đêm - Rõ rệt nhất vào ban đêm hoặc - Rõ rệt vào ban ngày và mùa trước khi mặt trời mọc và mùa hè đông. Cường độ Nhiều biến động về không gian Biến động: lớn nhất và thời gian: Ban ngày: 10 - 15 oC Ban ngày: 1 - 3 oC Ban đêm: 5-10 oC Ban đêm: 7 - 12 oC Phương Đo đạc gián tiếp: Đo đạc trực tiếp: pháp Viễn thám - Các trạm quan trắc thời tiết nghiên cứu - Trạm di động Phương Hình ảnh nhiệt - Biểu đồ đẳng nhiệt pháp mô tả - Biểu đồ đường nhiệt độ 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đảo nhiệt đô thị bề mặt: Vào mùa hè, ánh mặt trời làm khô nóng bề mặt các đô thị như mái nhà, vỉa hè… làm nhiệt độ bề mặt tại các khu vực không thấm nước của đô thị có thể cao hơn không khí khoảng từ 27 - 50°C, trong khi nhiệt độ bề mặt của các khu vực cây xanh, thảm cỏ, bề mặt thấm ướt hay có bóng râm – thường ở khu vực ngoại ô xung quanh – xấp xỉ bằng nhiệt độ không khí. Đảo nhiệt đô thị bề mặt thường xuất hiện đặc trưng vào cả ban ngày và đêm, nhưng hiện tượng này được nhìn thấy rõ ràng nhất vào ban ngày khi có mặt trời chiếu sáng. Đảo nhiệt đô thị bề mặt có thể xác định và đo đạc gián tiếp qua ảnh vệ tinh bằng phương pháp viễn thám, ghi lại năng lượng được phản chiếu và phát thải ra từ mặt đất bao gồm bề mặt mái nhà, vỉa hè, thảm thực vật, mặt đất và nước.
Tất cả các bề mặt tỏa ra năng lượng nhiệt được phát sinh từ bước sóng dài. Các công cụ trên ảnh vệ tinh hay các loại viễn thám khác có thể xác định và đo đạc những bước sóng dài đưa ra biểu thị của nhiệt độ. Một vài thành phố ở khu vực Atlanta, Hoa Kỳ cũng đã sử dụng ảnh vệ tinh Lansat (Hình 6) để phân loại bề mặt đất và xác định đảo nhiệt. Ảnh vệ tinh Lansat của các điểm đảo nhiệt tại Atlanta [14] Tuy nhiên, đo đạc bề mặt nhiệt độ bởi phương pháp viễn thám có một vài giới hạn.
Thứ nhất là do không chụp được các bức xạ phát thải theo chiều dọc tường của tòa nhà, bởi vì các thiết bị hầu hết chỉ quan sát được những phát thải theo chiều ngang của bề mặt như mặt đường, mái nhà hay ngọn cây. Thứ hai, dữ liệu viễn thám đại diện cho bức xạ đã xuyên qua không khí hai lần, bước sóng dài từ 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mặt trời tới trái đất sau đó là từ trái đất đến khí quyển. Như vậy, dữ liệu phải được hiệu chỉnh để ước tính chính xác tính chất bề mặt bao gồm cả phản xạ năng lượng mặt trời và nhiệt độ. Đảo nhiệt đô thị khí quyển: Đảo nhiệt đô thị khí quyển thường yếu vào cuối buổi sáng và suốt cả ngày và trở nên mạnh sau khi mặt trời lặn bởi sự tỏa nhiệt từ bề mặt cơ sở hạ tầng đô thị.
Nhiệt độ trung bình năm của một thành phố với từ một triệu dân trở lên có thể ấm hơn khu vực xung quanh khoảng 1 - 3°C. Tuy nhiên, vào những ngày trời quang, lặng gió, sự chênh lệch nhiệt độ có thể lên đến 12°C. Nhiệt độ khí quyển thường được đo ở độ cao cách mặt đất 1,5 m đó là điểm tiêu chuẩn đo đạc thời tiết. Tất cả các nguồn dữ liệu đều có thể sử dụng cho việc nghiên cứu đảo nhiệt khí quyển bao gồm các trạm quan trắc thời tiết quốc gia, trạm thời tiết quân đội, mạng lưới các trạm quan trắc ở đô thị và các vùng miền, hay các dữ liệu đo đạc thực tế, các dữ liệu trên một số thiết bị máy móc trên ô tô hoặc máy bay.
Tương tự như những đo đạc bề mặt, đo đạc nhiệt độ không khí cũng có những hạn chế. Mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt và không khí giảm khi độ cao tăng. Do đó, khả năng nhiệt độ không khí phản ánh tin cậy nhiệt bề mặt phụ thuộc vào độ cao của vị trí đo đạc. Sử dụng phương pháp đo đạc không khí để đánh giá đảo nhiệt cũng bị ảnh hưởng bởi vài yếu tố: - Dữ liệu nhiệt độ cần phải có được từ các trạm quan trắc cả các vùng đô thị và khu vực lân cận gần đô thị; - Các nghiên cứu phải cân nhắc những sự thay đổi của thiết bị đo đạc, mẫu chọn, phương pháp ghi nhận dữ liệu và các trạm vi khí hậu; - Việc so sánh giữa nhiệt độ đô thị và các vùng lân cận trở nên ít có giá trị như các khu vực xung quanh sân bay bị đô thị hóa, bởi vì sân bay thường được coi như một nguồn khu vực lân cận đô thị.
7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nguyên nhân của hiện tượng đảo nhiệt đô thị Mức độ che phủ thực vật thấp ở khu vực đô thị: Thực vật và không gian mở là dạng cảnh quan nổi bật ở khu vực nông thôn. Cây cối và các loài thực vật tạo bóng mát giúp giảm nhiệt độ bề mặt, chúng cũng giúp nhiệt độ không khí giảm xuống nhờ quá trình bốc hơi nước. Ngược lại, bề mặt của khu vực đô thị khô, không thấm nước như mái nhà, đường hố, khu đỗ xe [13].
Tại các thành phố phát triển, thảm thực vật dần bị thay thế bởi các bề mặt vỉa hè, đường phố và những tòa nhà. Sự thay đổi bề mặt che phủ này là nguyên nhân dẫn đến các khu đô thị bị mất bóng mát và độ ẩm. Điều này làm giảm khả năng bốc hơi nước dẫn đến gia tăng nhiệt độ bề mặt và không khí. Hình 7 cho thấy sự khác biệt về khả năng bốc hơi nước và thấm nước giữa khu vực có mức độ che phủ thực vật cao và khu vực không có cây xanh tại đô thị.
Hình ảnh đặc điểm độ thấm nước và thoát hơi nước của bề mặt [13] Thành phần vật liệu bề mặt đô thị Thành phần vật liệu bề mặt đô thị ảnh hưởng đến mức độ phản xạ, hấp thụ hay phát xạ của năng lượng mặt trời vì mức độ phản xạ ánh sáng mặt trời, phát thải nhiệt và nhiệt dung sẽ ảnh hưởng tới mức độ đảo nhiệt đô thị. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tương quan cường độ năng lượng mặt trời và các bước sóng tới bề mặt [13] Ánh sáng mặt trời đến Trái đất có 5% tia cực tím, 43% ánh sáng nhìn thấy từ ánh sáng đỏ đến tím, 52% tia hồng ngoại. Hình 8 cho ta thấy sự tương quan của các sóng và cường độ năng lượng.