B156 - Institutionen för geovetenskaper

EARTH SCIENCES CENTRE
GÖTEBORG UNIVERSITY
B156 1998
LUFTFUKTIGHETSVARIATIONER I
HÖJDLED SAMT DEN EVENTUELLA
KOPPLINGEN TILL INKOMMANDE
LÅNGVÅGIG STRÅLNING
- en studie utförd vid Skanskaskrapan i Göteborg, våren 1997
Annika Forsler
Department of Physical Geography
GÖTEBORG 1998
GÖTEBORGS UNIVERSITET
Institutionen för geovetenskaper
Naturgeografi
Geovetarcentrum
LUFTFUKTIGHETSVARIATIONER I
HÖJDLED SAMT DEN EVENTUELLA
KOPPLINGEN TILL INKOMMANDE
LÅNGVÅGIG STRÅLNING
- en studie utförd vid Skanskaskrapan i Göteborg, våren 1997
Annika Forsler
ISSN 1400-3821
Postadress
Centre Geovetarcentrum
S-405 30 Göteborg
B156
Projketarabete
Göteborg 1998
Besöksadress
Geovetarcentrum
Guldhedsgatan 5A
Telefo
031-773 19 51
Telfax
031-773 19 86
Earth Sciences
Göteborg University
S-405 30 Göteborg
SWEDEN
SAMMANFATTNING
I städer finns en värmeö och en luftfuktighetsö på natten. I det här arbetet utreds hur luftfuktigheten
varierar i höjdled samt kopplingen till den ingående långvågiga strålningen.
För att mäta luftfuktigheten på olika höjder sattes mätare ut på balkongerna på Göteborgs högsta
byggnad, Skanskaskrapan. Strålningsmätningen utfördes på husets tak samt på en öppen plats nära
Skanskaskrapan.
Resultaten indikerar att luftfuktigheten är högre på 60 och 6 meters höjd än på 30 meter. Att det blir
en sänkning av luftfuktigheten vid hustaknivå kan bero på daggutfällning på husens tak. En annan
anledning kan vara att partiklar och föroreningar från bilarna från Götaälv bron har en förmåga att dra
till sig fukt.
Något samband mellan strålning och luftfuktighet kunde inte iakttagas utan strålningen påverkas till
största delen av värme. Strålningen är avtagande under natten och är högre vid 84 meters höjd än vid
marken trots att temperaturen och luftfuktigheten är tvärtom. En teori till att strålningen är högre på 84
meters höjd än vid marken kan vara ett eventuellt partikellager ovanför 84 meters höjd, som sänder
ut mer strålning.
SUMMARY
Air humidity variations with height and the possible relationship with the
incoming longwave radiation - a study carried out at the Skanska
buildning in Göteborg, SW Sweden, spring 1997.
In cities there are a heat island and a humidity island during the night. This essay is dealing with how
the air humidity varies in height and the relationship with the incoming longwave radiation.
In order to measure the air humidity in different heights, instruments were placed on the balconies of
the highest building in Gothenburg, Skanskaskrapan. The radiation was measured on the roof of the
house and in an open place close to Skanskaskrapan.
The results indicate that the air humidity is higher on 60 and on 6 meters height than on 30 meters
height. The decreasing of the air humidity at the level of the house roofs may be explained by the dew
formation on the roofs. An other explanation can be particles and pollution from the cars crossing the
Götaälv bridge, they have the ability to absorb humidity.
No relationship between radiation and air humidity was found, the radiation instead seems to be
influenced mainly by heat. The radiation is decreasing during the night and is higher at the 84 metres
level than at the ground level. However, both the temperature and the humidity are the other way
around. A theory that the radiation is higher at 84 metres height than at the ground level may be
explained by an aerosol layer above 84 metres height, which sends out more radiation.
3
FÖRORD
Denna D-uppsats i geografi är gjord under 1997 och 1998. Mätningarna utfördes på våren 1997.
Jag vill främst tacka min handledare Dr. Björn Holmer för tid och hjälp med utformning av arbetet
samt för konstruktiva ideér när apparaterna krånglade. Jag vill också tacka följande personer:
- Dr. Manuel Nunez, för instruktioner om strålningsmätaren.
- Hans Alter, för montering av dataloggar och lagning av trasig apparatur.
- Kartriterskan Solveig Svensson, för lån av pennor och ritfilm till kartorna.
- Fastighetsskötarna Roger Sundbom och Matti Olsson på Skanska Fastigheter AB, för att de låst
upp dörrarna varje gång mätarna skulle läsas av och hjälpt till att ställa upp strålningsmätaren på taket.
- Jan Brandberg på Miljö- och Hälsoskyddsförvaltningen, som skickat värdefull information
- Jesper Lindqvist för hjälp med fish-eye fotografering.
-Sofia Thorsson och mina föräldrar för att de hållit mig sällskap under strålningsmätnigarna på
nätterna.
4
5
SAMMANFATTNING
s.4
SUMMARY
s.4
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
s.5
1. INLEDNING
s.6
Introduktion
s.6
Bakgrund
Luftfuktighet i allmänhet och i staden
Långvågig strålning - Allmänt
Ingående långvågig strålning i staden
Finns ett samband mellan en stads värmeö och dess
luftfuktighetsö samt ingående långvågig strålning?
s.6
s.6
s.8
s.8
s.9
Syfte och frågeställningar
s.9
2. OMRÅDESBESKRIVNING
s.10
3. METODIK
s.12
Luftfuktighetsmätning
s.12
Korrigering av värden
s.14
Strålningsmätning
s.15
Sky-View-Faktor
s.17
4. RESULTAT
s.18
Specifik luftfuktighetsvariation
s.18
s.18
Luftfuktighetens dygnsvariation
Luftfuktighetens variation i höjdled
s.19
Den ingående långvågiga strålningens variation
s.21
Strålningens variation i höjdled
s.22
Summering av resultat
s.24
5. DISKUSSION
s.25
6. SLUTSATSER
s.26
7. KÄLLFÖRTECKNING
s.27
6
7
INLEDNING
Introduktion
Bakgrund
Ett stadsklimat uppkommer genom att urbanisering tillsammans med människans koncentrerade
aktivitet i städerna leder till ett annorlunda klimat i staden jämfört med landsbygden.
Ett väldokumenterat fenomen i stadsklimatet är värmeön. Undersökningar (Chandler 1967, Hage
1975, Lee 1991) visar att även en fuktighetsö utvecklas under klara vindsvaga nätter, där det är
fuktigare inne i staden än omgivande landsbygd. Luftföroreningar spelar t ex stor roll vid förbränning
av fossila bränslen. Deras återstrålningseffekt höjer temperaturen, möjligen kan även luftfuktigheten
fungera som återstrålningseffekt och deras förmåga att fungera som kondensationskärnor minskar
luftfuktigheten över staden. Ett annat exempel är byggnadernas struktur och material. Höga
byggnader medför att vindens hastighet minskas vilket minskar borttransporten av värme (Mattson
1979). Utbytet av naturliga ytor, t ex skog, med andra, t ex asfalt, som har olika värmekaraktärer
ändrar ytans värmebalans och den i sin tur kan påverka fuktbalansen.
Högre temperatur och fuktighet i staden får en mängd följder. Det leder till att blommor och träd
blommar tidigare i staden, dessutom blir växtsäsongen längre. För människan kan ökad värme och
fuktinnehåll i luften vara stressande om man lever i ett redan varmt och fuktigt område. En viktig
aspekt är att föroreningar i luften löses i luftfuktigheten och föroreningarna kan också förändra sin
kemiska karaktär och bli skadliga för människans hälsa (Oke 1987).
Luftfuktighet i allmänhet och i staden
Vattnets kretslopp innebär att vattenmolekyler avlägsnas från marken och transporteras upp i
atmosfären - det avdunstar. Därifrån faller det sedan tillbaka till marken i form av nederbörd.
Vattenångans mängd i atmosfären är atmosfärens luftfuktighet.
Luftens halt av vattenånga påverkas av temperaturen samt möjligheter för upptagning av fuktighet från
jordytan. Vattenångan i atmosfären är den mest variabla delen av luften och innefattas därför inte i
atmosfärens så kallade fasta komponenter. Halten kan variera från 1% till 4%.
Luftens halt av vattenånga växlar såväl mellan olika delar av jorden och mellan olika höjdskikt som
från dag till dag och från årstid till årstid. Vattenångan förekommer till största delen i atmosfärens lägre
delar. Ångtrycket är högre under sommaren än under vintern då luften kan hålla mer vattenånga
eftersom temperaturen är högre. Det är högst ångtryck morgon och kväll men lägre på natten
(Liljequist 1970). Tidigt på eftermiddagen sker en liten sänkning av luftfuktigheten. Det beror p.g.a.
turbulens (Oke 1987).
8
Luftfuktigheten är annorlunda i staden jämfört med omgivande landsbygd. Chandler (1967) visar i
sina undersökningar att stadens ångtryck är högre på natten och lägre på dagen i jämförelse med
landsbygden. Andra författare kommer till samma slutsats, som t ex Hage (1975). Han utnyttjade 13
års väderobservationer i staden och på landsbygden för att se hur en snabbt växande stad förändrar
luftens relativa och absoluta fuktighet. Hage visar att Edmonton under dagtid är torrare än
omgivningen mars till och med oktober och något fuktigare under november till och med februari.
Hage hävdar att värmeön påverkar luftfuktighetsön. Den senare har dock inget samband med
värmeöns intensitet.
Vilken roll luftfuktigheten har i utvecklingen av en värmeö undersöker också Holmer och Eliasson
(1998). De har använt data från olika stationer belägna i Göteborg samt stadens omgivande
landsbygd från sex år. De kommer bland annat fram till att stora ångtryckskillnader mellan stad och
landsbygd har inflytande på utvecklingen av värmeön.
Viktigt är också att se staden i en tredimensionell bild och inte bara se de horisontala skillnaderna.
Hur förändras temperaturen och luftfuktigheten med höjden? Är värmeön och fuktighetsön fenomen
som endast förekommer mellan husen eller även ovanför? För att kunna besvara frågor som dessa
behövs bl.a. undersökningar om hur luftfuktigheten varierar med höjden i en stad. Kopplat till dessa
frågor undersöks även strålningen, eftersom strålningen i luften bl.a. påverkas av hur mycket vattenånga
som finns i den (Oke 1987).
Enligt Oke (1987) delas stadens lager in i ”Urban Canopy Layer” (UCL) som är precis vid marken
och ”Urban Boundary Layer” (UBL) som är ovanför. På landet finns ”Rural Boundary Layer”
(RBL) (figur 1).
Fig.1 Staden delas in i olika lager: UBL, UCL och RBL (Oke 1987). The city is devided in
different layers: UBL, UCL and RBL.
Tapper (1988) har gjort luftfuktighetsundersökningar i höjdled i staden Christchurchs Urban
Boundary Layer i Nya Zealand. Han samlade in värden på specifik luftfuktighet på en urban plats och
en plats på landsbygden med hjälp av ett tethersond system. Han mätte också temperaturen.
Värmeöns höjd fick han till 290 meter och under sommaren ökar stadens fuktighet mellan marken
och 50 meters höjd för att nå en maxluftfuktighetskillnad mellan stad och landsbygd på 2,0 g/kg.
Ovanför 50 meters höjd minskar det mycket sakta. Detta gäller under lugna och klara dagar. Om all
data samlas blev resultatet en ökning av stadens fukthalt upp till 100 meter med en
9
maxluftfuktighetskillnad på 1,7 g/kg. Därefter minskar fuktskillnaden mellan stad och landsbygd och
vid 350 meters höjd finns ingen skillnad.
10
Långvågig strålning - Allmänt
För att inte jorden skall öka eller minska i temperatur (under en lång tidsperiod) måste det råda en
strålningsbalans, dvs lika mycket strålning som kommer in till jorden skall också strålas bort från den.
Under dagen kommer kortvågig strålning från solen. Det kommer också en mindre mängd långvågig
strålning som har låg fotonenergi. Bort från jorden strålar värme, sådan strålning som emiteras från
jordens yta och sådan (både långvågig och kortvågig) som reflekteras mot ytan och strålas bort igen.
Under natten, när solen gått ner, kommer enbart långvågig strålning (L↓) ner till jorden. Bort från
jorden strålar utgående långvågig strålning (L↑), dvs den strålning som reflekteras samt den som strålas
ut från markytan (Mattson 1979).
De regionala variationerna i den långvågiga strålningen beror på olika förhållanden i atmosfären. Det blir
variationer på den långvågiga strålningen om det är olika lufttemperatur, luftfuktighet och olika mängd
med aerosoler, dvs partiklar i luften.
Ingående långvågig strålning i staden
Undersökningar om hur strålningen ser ut i staden och vad det kan bero på har utförts av Oke och
Fuggle (1971). Deras mätningar utfördes i Montreal, Kanada, från augusti 1969 till juli 1970. Deras
resultat visar att en stor stad mottager en större mängd långvågig strålning på natten i jämförelse med
det som närliggande landsbygd mottager. De hävdar att en mycket viktig orsak till att det är så är för
att staden har en urban plym av varm luft. Denna gör att strålningen blir högre i staden.
Kobayashi (1982) gjorde fältundersökningar i Tokyo, Japan under vintern 1969 -1970. Resultaten
visade att den ingående långvågiga strålningen ökar med 6,9% i genomsnitt över en stad. Ökningen
beror inte bara på vertikala temperaturer- och fuktprofiler över staden jämfört med landet utan även
på strålning från ett aerosollager över staden. Kobayashi hävdar att nästan hälften av ökningen av den
ingående långvågiga strålningen över staden beror på luftföroreningar.
Adabayo (1990) gjorde fältundersökningar dagtid i Nigeria. Han fick samma resultat som
Kobayashi.
Lindgren (1997) mätte den ingående långvågiga strålningen i Göteborg under åtta nätter på
sensommaren 1996. Hans resultat är att den ingående långvågiga strålningen visar en stabil trend under
hela natten, däremot är variationen större mellan nätterna.
Finns ett samband mellan en stads värmeö och dess luftfuktighetsö samt ingående långvågig
strålning?
Beror luftfuktighetsön och värmeön i en stad av varandra och vilken är i sådana fall den drivande?
Denna fråga har flera forskare funderat över och de har kommit fram till olika saker. Således är svaret
ännu inte funnet.
11
Chandler (1967) visar att fuktskillnaden mellan stad och landsbygd inte verkar spela någon roll i
bildandet av värmeön. Däremot visar Lee (1991) i sina undersökningar från London en god relation
mellan månadsmedelvärden vad gäller ångtryckskillnader och månadsmedelvärden för
värmeöintensitet.
Holmer och Eliasson (1998) hävdar att stadens fuktighetsöverskott höjer värmeön på grund av ökad
ingående långvågig strålning och att den effekten är starkare ju torrare luften är. Orsaken till att
strålningen är högre i staden än på landet är enligt Oke och Fuggle (1971) att staden har en urban
plym av varm luft. Kobayashi (1982) hävdar att inte bara värme och fukt i luften påverkar strålningen
över staden utan även aerosoler till stor del. Adabayo (1990) hävdar samma sak.
Syfte och frågeställningar
Mitt syfte med uppsatsen är att undersöka hur luften ser ut i en stad från marknivå och upp ovanför
husen, till 60 meters höjd, vad gäller luftfuktighet. Mitt syfte är också att undersöka strålningen i
staden och se om det finns något samband med luftfuktigheten.
Mina frågeställningar är:
* Hur varierar den specifika luftfuktigheten under dygnet i en stad?
* Hur ser den specifika luftfuktighetens höjdprofil ut i en stad?
Det finns olika möjligheter, varav någon av de schematiska linjerna 1-5 i figur 2 är mest trolig.
Fig. 2. Schematisk bild över möjligheter som luftfuktigheten kan variera på i höjdled. Schematisk
picture of the possibilities the air humidity may vary in height.
* Hur varierar strålningen mellan olika nätter och under samma natt?
* Vad påverkas strålningen av?
* Hur ser strålningen ut på 84 meters höjd jämfört med marken och vad beror det på?
12
OMRÅDESBESKRIVNING
Göteborg (57° 42’ N) är Sveriges näst största stad och ligger på västkusten, figur 3.
Göteborg
Fig.3 Sverige kartan visar Göteborgs läge. Göteborgskartan visar delar av Göteborgs centrum. The
map of Sweden shows where Göteborg is situated. The map of Göteborg shows parts of the
centre of Göteborg.
13
Staden är uppbyggd runt Göta älvs stränder. Stor-Göteborg har en befolkning på ungefär
700 000 människor. Göteborgs stadskärna är planerad av nederländska ingenjörer. De gav staden
en karaktäristisk design med ett kanalsystem och vallgravar. Klimatet i Göteborg är maritimt med
milda vintrar. Det är många regndagar, särskilt på vintern. Det är också förhållandevis blåsigt med en
medelvindhastighet omkring 7 m/s på vintern och något lägre på sommaren (Holmer och Eliasson
1998).
Undersökningen av luftfuktighet och strålning i vertikalled har ägt rum i Göteborgs högsta byggnad,
den så kallade Skanskaskrapan. Huset byggdes vid kanalen och Götaälv bron (Lilla Bommen) år
1994 av Skanska Fastigheter AB ritat av arkitekten Ralph Erskines (Skanska Fastigheter Väst AB
1994). Skanskaskrapan har 22 våningsbalkonger som vätter mot Götaälv bron. De är i första hand
till som brandbalkonger (se figur 4).
Fig. 4. Skanskaskrapan från Götaälvbron. Skanskaskrapan from the view of the Götaälv bridge.
14
METODIK
Luftfuktighetsmätning
Man kan redovisa luftfuktighet på olika sätt. Absolut fuktighet innebär gram vattenånga per
kubikmeter luft. Ångtrycket (hPa) utgör det tryck som härrör från vattenångan i luften. För att
beskriva luftfuktighetens inverkan på människans komfort använder man sig av relativ luftfuktighet.
Det anger förhållandet mellan rådande ångtryck och mättnadstryck vid rådande temperatur. Måttet
säger alltså ingenting om det faktiska innehållet av vattenångan i luften. Ett annat sätt att redovisa
luftfuktighet på är specifik luftfuktighet. Detta måttet mäts i g/kg och är oberoende av
höjdförändringar. Om man känner till luftens temperatur och ett av fuktighetsbegreppen kan man
härleda de övriga.
För att samla in luftfuktighetsdata har jag använt mig av dataloggar av model Mikromec. Till loggarna
har en sensor kopplats som känner av temperaturen och den relativa luftfuktigheten. Tre mikromec
användes och de placerades på balkongerna på våning 2 (6 meter), 10 (30 meter) och 20 (60 meter).
Före utplaceringen tillverkade jag strålningsskydd för att förhindra direkt solstrålning och regn på
sensorn. Strålningsskydden tillverkades av två stycken avloppsrör av plast med olika diametrar.
Avloppsrören sågades i ca tre dm långa delar och placerades i varandra. Det yttre röret kläddes med
aluminiumfolie - då reflekteras strålningen så att röret inte blir varmare än omgivande luft. Trots det
upptas en liten del av strålningen av röret. Den värmen som då strålas in kommer inte på sensorn utan
på det andra röret som är placerad inuti det första. Rören är vinklade och därför leds värmen ut som i
en skorsten. Det blir då ett effektivt strålningsskydd. Sensorn placeras fritt hängande inuti det inre
röret (figur 5). På balkongen placerades strålningsskydden så att de lutar 30° mot syd - då blir det
svårt för solstrålarna att komma in i röret (figur 6).
Fig. 5. Sensorn placeras fritt hängande i det dubbla strålningsskyddet. The sensor is placed freely
hanging in the double radiation protector.
15
Fig. 6. Strålningsskydden lutar 30° mot syd. The radiation protectors are hanging 30° south.
Mikromecen programmerades på 30 minuters medelvärde. Var sjätte dag hämtades Mikromecarna
och tömdes på information med hjälp av datorprogrammet Serial. Därefter laddades de ca 6 timmar
för att sedan sättas ut igen. Mikromecen satt ute på balkongerna, med avbrott, från 20 februari till 31
maj 1997. Det blev dock en del problem med icke fungerande apparatur och korrekt insamlad data
finns därför endast för sammanlagt 20 dagar.
Molnmängden har jag själv varje dag observerat och antecknat. Uppgifter om vindhastighet,
vindriktning och partikelmängd har erhållits av Jan Brandberg som arbetar på miljö - och
hälsoskyddsförvaltningen i Göteborg. Vidhastigheten och vindriktningen är mätt vid ”Lejonet” som
ligger 1100 meter nordost från skanskaskrapan i Göteborg. Landskapet omkring är öppet.
Partikelmängden är mätt vid Femmanhuset som ligger bredvid centralstationen i Göteborg.
För att omvandla den relativa luftfuktigheten som dataloggarna mäter till specifik luftfuktighet, som är
oberoende av höjder, har jag gjort på följande sätt:
q = specifik luftfuktighet
U = relativ luftfuktighet
T = temperatur
Pv = ångtryck
P = lufttryck (8meter = 1hPa)
Pv =
U
100/(6,1·10(7,5·T/(237,3+T) )
q = 0,622·Pv
P
(Cerquetti 1988)
(Stull 1995)
16
Temperaturen och den relativa luftfuktigheten som sensorn som är kopplad till mikromecen mäter
används alltså för att räkna ut ångtrycket. Ångtrycket används sedan i sin tur för att räkna ut den
specifika luftfuktigheten med hjälp av lufttrycket på de olika våningarna. Det normala lufttrycket är på
1010 hPa och det används vid marknivån. Varje våning är på tre meter och därför blir lufttrycket på
våning två: 1010-6/8=1009,25 hPa, våning tio: 1010-30/8=1006,25 hPa, och på våning 20:101060/8=1002,5 hPa. Den specifika luftfuktigheten har räknats ut med hjälp av datorprogrammet Excel.
Korrigering av värden
Innan utplaceringen testade jag att mikromecarna visade samma värden genom att låta dem samla in
mätvärden när de står på samma ställe. Detta gjordes inomhus och även utomhus och de visade då
likadan luftfuktighet och temperatur. Trots det kan det hända att sensorerna inte mäter exakt likadant
efter utplaceringen. För att få helt tillförlitliga värden måste det därför undersökas om så är fallet och i
så fall korrigera det.
När det är blåsigt och mulet ute sker maximal omblandning av luften och de tre sensorerna borde visa
samma värden. Så är dock inte fallet. Sensorn på våning två visar hela tiden 0,3 g/kg högre specifik
luftfuktighet än våning 10 och 20, som visar lika vid sådana tillfällen (figur 7).
3,0
2,5
2,0
Spec.Luftfukt.
(g/kg)
1,5
1,0
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
Tid (h)
Fig. 7. Den 22/4 1997 är en mulen och blåsig dag (ca 6m/s). Luftfuktigheten borde vara samma på
alla tre våningarna. Våning två visar dock 0,3g/kg högre. The 22nd April 1997 is a cloudy and windy
day (about 6m/s). The air humidity should be the same on all three nights. The lowest night is,
however, 0,3 g/kg higher.
0,3 g/kg subtraheras därför från andra våningens samtliga värden, (figur 8).
17
3,0
2,5
2,0
Spec.Luftfukt.
(g/kg)
1,5
1,0
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
Tid (h)
Fig. 8. 22/4 1997. Efter korrigering visar alla tre sensorerna likadana värden. The 22nd April 1997.
After correction all three sensors record the same values.
Under de tidsperioder som regn har fallit visar den relativa luftfuktigheten på 103%. Eftersom det inte
kan vara över 100% luftfuktighet i luften måste det ha fastnat regndroppar på sensorn. Dessa värden
räknas därför bort och redovisas inte i resultatet.
Strålningsmätning
För att se hur strålningen varierar i relation med luftfuktigheten och temperaturen i luften utfördes
mätningar med en strålningsmätare (Swissteco Model S-1). Mätaren placerades ca 150 meter från
Skanskaskrapan i västlig riktning. De klara och lugna nätterna 23/5, 28/5, 30/5, 31/5, 2/6, och 3/6
mättes. Den 7/5 och 8/5 mättes strålningen på Skanskaskrapans tak samtidigt som den mättes vid
marken. En mikromec placerades på taket och en vid marken. En datalogger saknades till den
strålningsmätare som var placerad på marken, varför dessa värden avlästes och antecknades
manuellt. Därför är de två nätternas strålningsvärden inte kontinuerliga. Endast lugna och klara
förhållanden valdes för att då påverkas inte strålningen av störande moln som minskar strålningen eller
av vind som blandar om luften. Anledningen till att mätning skedde på natten och inte på dagen är att
vid mätning på natten erhåller man endast den långvågiga strålningen. Skulle mätningarna utförts på
dagen skulle den långvågiga strålningen adderas till den stora mängd kortvågig strålning som finns då
solen är uppe. Värdet på strålningen skulle då bli mycket högt och de små skillnader som beror på bl.a.
luftfuktigheten och temperaturen i luften ovanför skulle inte synas i resultatet.
Strålningsmätaren fästes på en ställning 1,5 meter ovanför marken. Strålningsmätaren sticker ut som en
arm och överst längst ut finns en plastbubbla, som skyddar mot vind och underst finns en liten burk
som på insidan är absolut svart (figur 9).
18
Fig. 9. Strålningsmätaren uppmonterad på sin ställning på Skanskaskrapans tak. The radiation
recorder is placed on its frame on the roof of Skanskaskrapan.
För att det inte skall bildas imma på insidan eller utsidan av plastbubblan på strålningsmätaren leds torr
luft in i bubblan och även till utsidan av bubblan (se figur 10).
Fig.10. Torkningsystemet för strålningsapparaten. The drying system of the radiation recorder.
Ett batteri (a) kopplas tillpumpen (b) som pumpar luft in i en tub (c) som är fylld med kiselgel. Detta
är blå kristaller som torkar luften, dvs de tar åt sig vattnet i luften och färgas då rosa. När kristallerna
är rosa måste de därför torkas innan de kan användas på nytt. Den torra luften leds till en reglerare
(d) som gör att endast lite luft leds in i plastbubblan (e) - annars sprängs den. Från plastbubblan leds
luften ut igen genom en slang (f). Med den slangen kan man se hur mycket luft som kommer in i
plastbubblan genom att det kommer luftbubblor i ett glas med vatten (g). En bubbla i sekunden är
lagom. Från luftregleraren (d) leds resten av den torra luften till utsidan plastbubblan (e) så att det inte
heller där skall bildas någon imma.
Burken är kopplad till en kopparledning som leds till en logger av modell CR 10 och en termos med
krossad is i vattenbad. Termosen används som referens (0°C) för att få fram ett millivoltvärde från
den absolut svarta kroppen. Detta voltvärde kan omvandlas till den svarta kroppens temperatur
genom att använda formeln:
19
Temperaturen (Tc) = Voltvärdet
40,1
40,1 µV°C-1 är kopparledningens elektropotentiala konstant (Lindgren 1997).
Strålningsmätaren är kopplad till samma logger (CR 10) som burken. Loggen noterar netto
strålningen L* i volt. Kalibrationskonstanten (k) är 1mV= 20,76 Wm-2 för strålningsmätaren NO
8250 och 1mV=20,8 5Wm-2 för strålningsmätaren NO 8241 (Lindgren 1997). L* räknas ut genom
att multiplicera konstanten från den mätare som använts med voltvärdet som loggern ger från
strålningsmätaren.
L* = k·V
Burkens temperatur Tc används för att räkna ut den utgående långvågiga strålningen L↑. Eftersom
burken är absolut svart på insidan har den emmissiviteten 1. Stefan Boltzmanns lag ger då uttrycket:
L↑ = σTc4
Tc = temperaturen i burken
σ = 5,67·10-8
Under natten är det mer utgående strålning än ingående och därför ger strålningsmätaren ett negativt
värde. Genom att man nu vet den totala strålningen och den utgående kan den ingående långvågiga
strålningen beräknas:
L↓ = k·V+σTc4
Sky-View-Faktor
Sky-View-Faktor (SVF) är en parameter som används för att uttrycka förhållandet mellan strålning
som är mottagen av en plan yta från himlen med det som är mottaget från hela hemisfäriska
strålningsomgivningen (Eliasson 1993).
Strålningsmätaren mäter strålningen från hela himlen. Om det står hus i vägen blir det mer strålning som
kommer in i strålningsmätaren än vad det skulle gjort om himlen var helt fri. För att ta hänsyn till detta
kan man räkna ut SVF för platsen. Det kan man göra genom att ta ett fotografi taget med en
”fisheye” lins. Metoden utvecklades av Steyn (1980) och den modifierades av Holmer (1992) för att
förenkla uträkningen.
20
RESULTAT
Specifik luftfuktighetsvariation
Luftfuktighetens tidsvariation i en stad beror till störst del på molnmängden och vindhastigheten. När
det är liten molnmängd blir det stabil skiktning på natten och labil på dagen och vid låg vindhastighet
står luften nästan still och ingen omblandning sker.
Vid mulet och blåsigt väder är luftfuktigheten i det 60 meter höga luftpaketet lika hög (figur 8 sidan
15). Därför undersöks de perioder som har helt klart väder och låg vindhastighet ur all insamlad data.
Som gränsvärde för låg vindhastighet valdes 3,3m/s. Anledningen till att just detta gränsvärde valdes
är för att SMHI:s benämning för ”svag vind” är från 0 till 3,3m/s.
Luftfuktighetens dygnsvariation
Hur luftfuktigheten varierar vid 6 meters höjd vid dygn med klart väder och en medelvindhastighet
under dygnet på mindre än 3,3m/s visar figur 11.
Fig. 11. Diagrammet visar den specifika luftfuktighetens variation vid 6 meters höjd under följande
dygn: m - 6/4, u - 16/4, t - 16/5, › - 28/5, l - 3/6. Data saknas fram till klockan 9.30 den 16/5
och 28/5. The diagram shows the variation of the specific humidity at 6 meters height during
the following days: m - 6/4, u - 16/4, t - 16/5, › - 28/5, l - 3/6. Data is missing before 9.30
the 16/5 and 28/5.
Ur figuren kan man se att dygnen har olika luftfuktighet trots att samma förhållanden vad gäller
molnmängd och vindhastighet råder. Luftfuktigheten stiger på kvällen fram till natten den 6/4, 16/5 och
den 3/6. Även de andra två nätterna har en ökning i luftfuktigheten, den inträffar dock inte förrän
längre fram på natten och syns därför inte i diagrammet. Vidare kan man utläsa att det är högre
luftfuktighet på morgonen än mitt på dagen då det oftast sker en minskning. Den 3/6 har en kraftig
21
minskning av luftfuktigheten ca 19.00, luftfuktigheten stiger sedan igen. Denna avvikelse kan ha flera
orsaker, en kan vara att det blåst förhållandevis mycket några timmar innan 19.00 (3 - 4 m/s), efter
19.00 sjunker vindhastigheten till nära 0. Vinden kan således ha transporterat bort fukten vid marken.
Fuktvariationerna följer varandra över dygnet även ovanför hustaken i en stad. Den specifika
luftfuktigheten varierar på samma sätt vid marken som 60 meter upp i luften över dygnet enligt de
resultat jag erhållit.
Luftfuktighetens variation i höjdled
Ur all insamlad data väljs de perioder som har helt klart väder och en vindhastighet som
genomgående är mindre än 3,3m/s. Detta inträffar nattetid under sex nätter. Den specifika
luftfuktigheten undersöks på 6, 30 och 60 meters höjd för att se hur fukten varierar i höjdled över en
stad. De sex nätterna är uppdelade på två diagram, figur 12 och 13, för att variationerna skall vara
lättare att urskilja.
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
Spec.Luftfukt.
(g/kg)
1,5
1,0
0,5
0,0
21.00
01.30
06.30
21.00
01.30
06.30
21.00
01.30
06.30
Tid (h)
Fig. 12. Luftfuktighetens variation på olika höjd: l - 6 meter, – - 30 meter, - 60 meter, under
nätterna 6/4, 15/4 och 16/4. The variation of air humidity at different heights: l - 6 meter, – 30 meter,
- 60 meter, during the nights 6/4, 15/4 and 16/4.
I figur 12 och 13 kan man urskilja hur den specifika luftfuktigheten varierar över natten. Samtliga
nätter utom den 3/6 har en snabb ökning av luftfuktighet med ett maximum runt 01.30. Den minskar
sedan igen för att öka en gång till framåt morgonen. Anledningen till att den 3/6 inte följer detta
mönster kan vara att vindhastigheten före 19.00 var förhållandevis hög (ca 3-4 m/s) och kan således
ha blandat om luften, innan nattens inträde. Den 3/6 har också en mycket kraftig ökning av
luftfuktigheten på morgonen. Det beror förmodligen på att solen gått upp och temperaturen är så hög
som 19° C klockan 9.00. Värmen gör att det blir avdunstning från marken. Luften är dock stabilt
skiktad så fukten kan inte transporteras bort. Värdena från de sex dagarna tyder på att luftfuktigheten
är som lägst vid 30 meters höjd, detta gäller inte för den 6/4. Den specifika luftfuktigheten i höjdled
har alltså en profil som mest liknar linje 4 i figur 2 sidan 9.
22
9,0
8,5
8,0
Spec.Luftfukt.
7,5
(g/kg)
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
21.00
01.30
06.00
21.00
01.30
06.00
21.00
01.30
06.00
Tid (h)
Fig. 13. Luftfuktighetens variation på olika höjd: l - 6 meter, – - 30 meter, - 60 meter, under
nätterna 16/5, 2/6 och 3/6. The variation of air humidity at different height: l - 6 meter, – 30 meter,
- 60 meter, during the nights 16/5, 2/6 and 3/6.
Partikelmängden i luften kan ha viss betydelse för luftfuktigheten. Partiklar i luften drar till sig fukt och
luften borde därför bli mer torr. De sju nätterna har ungefär samma partikelmängd, mellan 10 20µg/m3. På morgonen (8.00 - 9.00) ökar dock partikelmängden drastiskt, särskilt den 15/4 och
den 16/4 med upp till 62µg/m3. Den ökning kommer med all sannolikhet från alla de bilar som körs
över Götaälvbron på morgonen, när människor skall till arbetet. Bilar släpper dock inte bara ut
partiklar utan även vattenånga, vilket leder till högre luftfuktighet. Det kan vara anledningen till
fuktökningen som kan urskiljas den 15/4 och 16/4, på morgonen.
Vindriktningen kan också ha en del inverkan. Om vindens riktning är från citykärnan mot
Skanskaskrapan borde luften som den för med sig vara varmare och fuktigare p.g.a. all den aktivitet
som finns i staden. Alla ovanstående undersökta dagar har en vindriktning från älven mot
Skanskaskrapan, utom den 16/5 vars vindriktning är från citykärnan mot Skanskaskrapan. Denna
natt är fukten vid 60 meters höjd högst jämfört med 30 och 6 meters höjd. Alla de andra undersökta
nätterna (utom den 6/4) har högst luftfuktighet vid 6 meters höjd.
En anledning kan alltså vara att vinden, trots att den är mycket svag, har fört fuktig luft upp i luftlagren
från citykärnan. Avvikande vindriktning ger alltså avvikande resultat.
Perioder då det inte är helt klart eller vindhastigheten är högre än 3,3 m/s, har inte
luftfuktighetsprofilen samma tendenser som de ovan presenterade. Då varierar höjden för det högsta
luftfuktighetsvärdet och det förändras också snabbt under dygnet. Vid hög vind finns endast ytterst
små skillnader i höjdled vad gäller den specifika luftfuktigheten. Det är alltså viktigt med svaga vindar
för att kunna se skillnader.
23
Den ingående långvågiga strålningens variation
Platsen där strålningsmätaren var placerad ligger ca 150 m norr om Skanskaskrapan på en öppen
plats. Ett ”fisheye” foto togs på det ställe som mätaren stod för att kunna räkna ut SVF på platsen
(figur 14). SVF räknades ut till 0,95 vilket betyder att den ingående långvågiga strålning som mäts i
stort sett endast kommer från himlen.
Fig. 14. Fisheye foto taget på platsen där strålningsmätaren placerades. A fisheye photo on the spot
where the radiation recorder was placed.
Hur strålningen varierar vid marken under klara lugna nätter visar figur 15.
320
310
300
290
Strålning (Wm
-2 )
280
270
260
250
21.35
22.00
22.25
22.50
23.15
23.40
00.05
00.30
00.55
01.20
Tid (h)
Fig. 15. Variationen av strålningen under de fem nätterna. m 23/5, s 28/5, G 31/5, 2/6, l 3/6.
The variation of the radiation during the five nights. m 23/5, s 28/5, G 31/5, 2/6, l 3/6.
24
Ur diagrammet kan man se att strålningen är olika under olika nätter. Alla nätter utom 28/5 har en
avtagande trend. En del plötsliga ökningar i strålningen förekommer, som t.ex. runt 23.15 den 23/5.
Det beror förmodligen på att det då kom två stora bussar och ställde sig runt om mätaren. SVF blir då
mycket högre under den perioden. Andra stora ökningar beror på att nyfikna grupper av människor
ställde sig och tittade över mätaren, enstaka personers närvaro har dock inte gett något utslag.
Kraftiga minskningar den 28/5 runt 22.00 tiden samt den 23/5 ca 00.30 beror på mätfel. Anledningen
till att den 28/5 inte följer mönstret kan vara att förhållandena den natten inte är perfekta, på himlen
finns en tunn slöja och det finns också en liten vind. Parallellt med strålningen mättes temperaturen och
den specifika luftfuktigheten vid marken. De resultaten visar att temperaturen sjunker precis som
strålningen under natten och att den specifika luftfuktigheten ökar något under natten. Självklart är det
skillnad mellan olika nätter vad gäller temperatur och specifik luftfuktighet.
Strålningens variation i höjdled.
För att få en inblick i hur strålningen varierar i höjdled i en stad mättes strålningen den 7/5 och 8/5 på
84 meters höjd, parallellt med mätning vid marken. Viktigt att påpeka är att detta resultat bygger på
endast två mättillfällen samt att tillfällena följer direkt på varandra. Dessutom finns, vad gäller den här
mätningen, en del andra felkällor: De två strålningsmätarna står inte precis ovanför varandra och även
om de justerades för att mäta exakt likadant före utplaceringen kan inställningen ha ändrats lite när
instrumentet bars upp på Skanskaskrapans tak samt att SVF inte är exakt samma på de två platserna.
Hur strålningen varierar med tiden på 84 meters höjd samt vid marken visar figur 16.
Fig.16. Strålning vid 84 meters höjd jämfört med marken. 7/5 m - taket, l - marken. 8/5 - taket,
t- marken. Radiation at 84 meters height compared with the groundd level. 7/5 m - roof, l ground. 8/5 - roof, t- ground.
25
Ur figur 16 kan man utläsa att strålningen genomgående är högre på 84 meters höjd än vad den är vid
marken. Figur 17 och 18 visar hur temperaturen och den specifika luftfuktigheten varierar under de
två nätterna vid de två höjderna.
11
10
9
o)
Temperatur (C
8
7
6
21.15
22.05
22.55
23.45
00.35
01.25
Tid (h)
Fig.17. Temperaturens variation under nätterna 7/5 och 8/5. 7/5 m - taket, l - marken. 8/5 taket, t- marken. The variation of the temperature during the nights 7/5 and 8/5. 7/5 m - roof,
l - ground. 8/5 - roof, t- ground.
Figur 17 visar att temperaturen genomgående är högre vid marken än på 84 meters höjd. Detta
resultat är naturligt eftersom temperaturen avtar med höjden. Figur 18 visar att den specifika
luftfuktigheten den 7/5 är högre vid marken än på 84 meters höjd. Den 8/5 är det i stort sett nästan
lika fuktigt vid marken som på 84 meters höjd. Temperaturen är den avgörande faktorn vad gäller
strålningens mängd i stort samt hur den skall variera under tiden. Luftfuktigheten inverkan i detta
sammanhang verkar inte vara stor. Vad gäller små ändringar i strålningen i höjdled måste dock någon
annan faktor ha betydelse, t ex ett partikellager.
26
5
4
3
Spec.Luftfukt.
(g/kg)
2
1
0
21.15
22.05
23.45
22.55
00.35
01.25
Tid (h)
Fig. 18. Den specifika luftfuktighetens variation under nätterna 7/5 och 8/5. 7/5 m - taket, l marken. 8/5 - taket, t- marken. The specific humidity variation during the nights 7/5 and
8/5. 7/5 m - roof, l - ground. 8/5 - roof, t- ground.
Summering av resultat
Luftfuktighetens dygnsvariation varierar i stort på det vis som är allmänt vedertagna och tidigare
publicerats av författare som Liljequist och Oke: Luftfuktigheten är högst morgon och kväll och lägre
på natten. Tidigt på eftermiddagen sker en liten sänkning av luftfuktigheten.
Luftfuktighetens höjdvariation har en minskning vid 30 meters höjd, med högre fuktvärden vid 6 och
60 meters höjd. Under natten ökar fukten på alla höjdnivåer.
Strålningen har en avtagande trend under natten och det är olika strålning olika nätter. Detta beror till
största del av temperaturen. Luftfuktighetens eventuella inverkan har inte kunnat urskiljas.
Strålningen är högre på 84 meters höjd än vid marken. Detta till trots att både temperaturen och
luftfuktigheten är högre vid marken än uppe i luften. Andra faktorer måste således påverka strålningen i
höjdled.
27
DISKUSSION
Enligt figur 12 (sidan 19) och 13 (sidan 20) kan man dra slutsatsen att den specifika luftfuktighetens
höjdprofil liknar den schematiska linjen fyra i figur 2 sidan 9. Viktigt att ha i tankarna när man tolkar
detta resultat är att figur 12 och 13 inte visar hela höjdprofilen utan bara tre ställen i den och bara
upp till 60 meters höjd. I verkligheten kan kurvan se ut på flera olika sätt, varav två exempel visas i
figur 19.
Fig. 19. Den verkliga fuktvariationen i höjdled kan se ut på en mängd olika sätt. The humidity
variation in height can be in many different ways in reality.
Helt klart är dock att den specifika luftfuktigheten är mindre vid 30 meters höjd än vad den är vid 6
och 60 meters höjd. Det kan bero på flera anledningar. Wallberg och Wänström (1996) har utfört
mätningar vad gäller daggutfällningen i stadsmiljö samt landsbygdsmiljö. Deras resultat är att
daggmängderna är större utanför värmeön än i den. Deras resultat visar dock samtidigt att även om
det är liten mängd dagg i staden bildas det mest på hustaken och endast en mycket liten del bildas på
asfalten på marken. När dagg bildas sjunker luftfuktigheten och om utfällningen sker på hustaken (som
i en stad ofta är höghus) borde luftens halt av fukt sjunka vid denna nivå. Daggutfällning kan vara en
möjlig anledning till luftfuktighetens höjdprofil. En annan anledning kan vara att Götaälv bron ligger
precis bredvid Skanskaskrapan en bit ovanför marknivå. Bilarnas avgaser innehåller partiklar och
ämnen som drar till sig vatten och därmed minskar luftfuktigheten på den höjden.
Finns någon koppling mellan luftfuktighet och strålning?
Jag fann inget belägg för att strålningen är starkt kopplad till luftfuktigheten. Istället verkar
temperaturen ha störst betydelse för strålningen. Hög temperatur ger också hög strålning. Denna
slutsats kom också Oke och Fuggle (1971) fram till. Deras slutsats är att staden har en urban plym av
varm luft. Den gör att strålningen blir högre i staden. Om temperatur och strålning är starkt kopplade
till varandra är det inte konstigt att strålningen sjunker under natten.
Strålningen är högre på 84 meters höjd än vid marken, trots att temperaturen och luftfuktigheten är
högre vid marken än på 84 meters höjd. Karlsson (1996) mätte kolvätehalten i luften vid
Skanskaskrapan 1992 och 1995. Han fann att det är en förhöjning av aerosoler vid 85 meters höjd.
Partiklar sänder ut strålning och således kan de vara anledningen till att strålningen är högre på 84
meters höjd än vid marken. Kobayashi (1982) hävdar att nästan hälften av ökningen av den ingående
långvågiga strålningen över Tokyo beror på luftföroreningar.
28
SLUTSATSER
Den specifika luftfuktighetens höjdprofil vid lugna klara nätter har lägre luftfuktighet vid 30 meters
höjd än vid 6 och 60 meters höjd.
Något direkt samband mellan strålningen och den specifika luftfuktigheten kunde inte hittas.
Strålningen beror mest på luftens temperatur. Den har en avtagande trend under lugna klara nätter.
Strålningen är högre på 84 meters höjd än vad den är vid marken. Detta trots att temperaturen och
luftfuktigheten är högre vid marken än 84 meter upp i luften.
29
KÄLLFÖRTECKNING
Adabayo Y R (1990) Aspects of variation in some characteristics of radiation budget within
the urban canopy of Ibadan, Atmospheric Environment, Vol 24B, No 1, s. 9-17.
Cerquetti F (1988) Acquisition, checking and management of meteorological data,
Meteorological Magazine 117, s. 341 - 346.
Chandler T J (1967) Absolute and relative humidities in towns, American Meteorological Society
48, s.394 - 399
Eliasson I (1993) Urban Climate Related to Street Geometry, Vasastaden bokbinderi AB,
Göteborg GUNI Rapport 33
Hage K D (1975)Urban - Rural Humidity Differences, Journal of Applied Meteorologi, Vol 14, s.
12277 - 1283.
Holmer B (1992) A simple operative method for determination of sky view factors in a
complex urban canyons from fisheye photographs, Meteorol. Zeitschrift N. F. 1, s. 236 - 239.
Holmer B och Eliasson I (1998) Urban-rural vapour pressure differences and its signinficance
to the urban heat island development, Manuskript.
Karlsson B (1996) Mätning och analys av några olika kolvätens vertikala fördelning vid
framför allt stabila förhållanden, Manuskript.
Kobayashi M (1982) Influence of urbanized atmosphere on long-wave radiation field at night,
Geographical Review of Japan 55-6, s. 421 - 444.
Lee D O (1991) Urban - Rural Humidity differences in London, International Journal of
Climatology, vol 11, s. 577 - 582.
Liljequist G (1970) Klimatologi, Generalstabens Litografiska anstalt, Stockholm, 527 sidor.
Lindgren J (1997) Nocturnal incoming radiation in and around Göteborg, Sweden, Department
of Physical Geography, Göteborg, 44 sidor.
Mattsson J O (1979) Introduktion till Mikro - och Lokalklimatologin, Liber Läromedel, Malmö,
198 sidor.
Oke T R (1987) Boundary layer climate, The University press, Cambridge, 435 sidor.
Oke T R och Fuggle R F (1971) Comparison of urban/rural counter and net radiation at night,
Boundary - Layer Meteorology 2, s.290 - 308.
Skanska Fastigheter Väst AB (1994) Lilla Bommen, Göteborg Fälthus, Värnamo.
30
Steyn D G (1980), The calculation of view factors from fisheye lens photographs, Atmosphere
- ocean 18, s. 254 - 266.
31
Stull R B (1995), Meteorology Today for Scientists and Engineers, West Publishing co, USA.
Tapper N J (1988) Urban influences on boundary layer temperature and humodity: Results
from Christchurch, New Zealand, Atmospheric Environment Vol 24B, No 1, s.19-27.
Walllberg M och Wänström C C (1996) Dagg- och rimfrostutfällning i staden och på
landsbygden, Naturgeografiska Institutionen, Göteborgs Universitet.
32