İstanbul İçin Şehir Isı Adası Şiddetinin Araştırılması Ve Azaltma Stratejilerinin Geliştirilmesi

Abstract

Bilinçsiz şehirleşme ve iklim değişikliği 21. yüzyılın en önemli sosyo-ekolojik sorunlarından biridir. Bu iki güncel konunun ortak sonuçları artan insan popülasyonu ile şiddetlenmekte, bune bağlı olarak da yaşam kalitesi de olumsuz etkilenmektedir. Özellikle son otuz yıldır şehirler ekolojik fenomenler olarak tanımlanmakta ve dünya nüfusunun büyük bir çoğunluğu artık kırsal alanlardansa şehirlerde yaşamayı tercih etmektedir (While and Whitehead, 2013). İstanbul şehir merkezi ve çevresinde yaşayan 14 milyon insan ile Türkiye’nin en büyük şehridir. Bu mega kentteki insan popülasyonu 1965 yılında 2 miyon civarı iken %600’lük bir artış göstererek günümüzde 14 milyona ulaşmış; hızlı nüfus artışına bağlı olarak toplumun gereksinimlerini karşılamak üzere ortaya çıkan şehirleşme de, bu belirtilen periyot süresince şiddetli bir biçimde artmıştır. Avrupa’daki birçok ülke nüfusundan fazla nüfusa sahip olan İstanbul’un konut ihtiyacını karşılayabilmek adına; birçok orman alanı, mesire yeri, yeşil alan, sit alanı yarım asırlık süre zarfında yerleşim alanine çevrilmiş, şehir dışında kalan yarı kırsal ve kırsal bölgeler de şehir sınırları içersine dahil edilmiş, şehir zaman içersinde büyümüş, daha geniş bit yüzölçümü kaplar hale gelmiştir. Bu da fiziksel, sosyal ve ekonomik süreçleri değiştirmiştir. Örneğin kontrolsüz şehirleşme trafiğin, düzensiz endüstrileşmenin ve düşük kalitede yerleşim alanlarının artışını tetiklemiş ve çevresel problemlerin ortaya çıkmasına veya şiddetlenmesine neden olmuştur. Şehir alanlarında insan etkisi ile yaratılan değişiklikler şehir ortamında sıcaklıkların daha yüksek olmasına neden olmaktadır. Yeşil arazinin ve tarım alanlarının yerini beton yapıların alması ısının daha fazla absorplanmasını ve doğal olmayan yüzeylerden buharlaşmanın azalmasına neden olmakta, kentin enerji dengesi, yıllık ortalama yağış miktarı, kentin hakim rüzgar yönü ve ortalama rüzgar şiddeti gibi bir çok meteorolojik parametreyi değiştirmekte ve şehir ısı adası yaratmaktadır. Şehir ısı adası (UHI), şehir materyelleri ve yapılaşmanın çevresindeki havanın farklı ısınma ve soğuma oranlarının, lokal yüzey enerji dengesinden dolayı şehir yapıları ile onun çevresindeki sıcaklık farkı olarak tanımlanır. Başka bir deyişle şehir ısı adası, yeşil alanların azalması ve binalaşmanın artması sonucu şehir ortamı ile kırsal alan arasındaki sıcaklık farkıdır. Şehir alanları, genellikle şehir dışı mahalleler ve kırsal alanlara göre daha sıcaktır. Şehir/şehir dışı mahalleler ve kırsal koşullarda geniş yatay sıcaklık gradyanları meydana gelir. Şehir ısı adası indeksi yoğunluğu şehir-kırsal alan sıcaklık farkına bağlıdır ve genellikle yazın en fazladır. İstanbul gibi yüksek büyüme oranları ile şehirleşen mega kentlerde şehirleşme, arazi kullanımında ve arazi örtüsünün özelliklerinde meydana gelen mevcut ağaçların kesilmesi, şehir alanlarının kenar mahallelerindeki bitki örtüsünün yok olması, yeni binaların yeni yolların yapılması ve diğer yapıların eklenmesi şeklinde önemli değişiklikler sonucunda ortaya çıkmaktadır. Bu değişiklikler şehir ısı adasının (ŞIA) şiddetini arttırabilecektir. Şehir Isı Adasının (ŞIA) belirlenmesine yönelik bilimsel yazının sistematik incelemesi ve kullanılan yöntemlerin sorgulanması Stewart (2010)’un çalışmasında yer almaktadır. Şehir ısı adasına yönelik ilk bilimsel gözlemler 1833 yılında Luke Howard tarafından yazılmıştır (Stewart, 2011). Daha yeni bir çalışma olan Santamoris (2014) ŞIA konusundaki çalışmaları derlemiştir. Son yıllarda ŞIA etkisi, gözlemler ve sayısal modeller kullanılarak dünyadaki farklı bir çok büyük şehir için incelenmiştir. Örneğin, Giannaros (2013) sayısal modelleme ile Atina’nın gece sıcaklıklarının çevresindeki kırsal alanlara göre 4°C daha yüksek olduğunu göstermiştir. Velazquez-Lozada ve diğ. (2006) tropikal sahil şehri San Juan’daki ŞIA incelemiş ve bir yıla yakın simülasyonlar gerçekleştirmiştir. ŞIA çevre ve ekosistem üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır. Sarrat ve diğ. (2006) ŞIA’nın Paris’teki bölgesel hava kirliliğine etkilerini incelemiştir. Gelişmekte olan ülkelerdeki hızlı şehirleşme ve şehir nüfusundaki artış şehir ısı adasının etkilerini arttırmaktadır. Bu etki şehir planlamasında peyzaj dizaynına dikkat edilerek kısmen azaltılabilir. Bu etkiler bir çok bilimsel çalışmada değerlendirilmiştir (Susca ve diğ. 2011; Sun ve diğ., 2012). Susca ve diğ. (2011) New York şehrinde çok ölçekli yaklaşımla yeşil alanların pozitif etkilerini ortaya koymuştur. Sun ve diğ. (2012) Peking’de su alanlarının ŞIA etkilerini azaltmaya yardımcı olduğunu göstermiştir. Benzer olarak, Santamoris (2014) şehir ortamında su ile kaplı alanlara yer vermenin soğuk ada yarattığını ve bu nedenle ŞIA etkilerini azaltmak için şehir ortamında su alanların artırılmasını önermiştir. ŞIA’nın bölgesel iklime etkisi daha önce bir çok çalışmada incelenmiştir. Örneğin, Lin ve diğ. (2008) Taipei, Kuzey Taiwan’daki ŞIA’nın bölgesel iklime etkisi konusunda çalışmış, ayrıca ŞIA’nın lokal sirkülasyonu değiştirerek deniz meltemini kuvvetlendirdiğini ve kara meltemini de zayıflattığını göstermiştir. Priyadarsini ve diğ. (2008) Singapur’daki ŞIA etkisini araştırmış ve düşük albedolu materyaller ve kuleler gibi ŞIA etkisine neden olan ana faktörleri ele almıştır. Vardoulakis ve diğ. (2013) de küçük bir Akdeniz şehrindeki 6°C’ye kadar olan saatlik yaz ŞIA şiddetini belirlemiş, ayrıca ŞIA yoğunlukları ve şehir havalandırması arasındaki ilişkiyi göstermiştir. Unal ve diğ. (2013) Türkiye’nin batısı üzerindeki sıcak hava dalgası eğilimlerini incelemiş ve sıcak hava dalgası sayısı, uzunluğunun ve şiddetinin Batı Türkiye için artan eğilimde olduğunu ve bu değişimin güney enlemlerinde ve denizden uzak yerlerde kuvvetlendiğini göstermiştir. Bu, bölgedeki sirkülasyon değişiminin bir sonucu olabilir. Belirli bir tip sirkülasyon, İstanbul’daki sıcak hava dalgasının oluşumunu tetiklemiştir (Unal ve Menteş, 2006). Eğer, son birkaç yılda sirkülasyon tipinin frekansında bir artış olursa, İstanbul ŞIA etkisi ile güçlenen daha yüksek günlük sıcaklıklar ile karşılaşacaktır. Sonuç olarak da kentsel büyüme ve buna bağlı arazi yapısında gerçekleştirilen değişikler, şehirdeki lokal ve bölgesel iklim değişimine neden olmaktadır. Lokal ikliminin değişmesi sonucu yoğun yerleşimin olduğu şehir merkezi sıcaklarında artış meydana gelmekte ve bu artış ekolojik kaynakların yanında yerleşik halkın sağlını ve refahını da etkilemeye başlamaktadır. Özellikle yaz sıcaklıklarında daha net gözlenen ve her geçen yıl da eksponansiyel olarak artan bu değişimler, şehir iklim değişikliği sorununu gündeme getirmektedir. Ancak, yüksek yaz sıcaklıklarını azaltmaya yönelik yapılan çalışmalar ve geliştirilen stratejiler ile, iklim değişiliği tehdidi altındaki büyümeye devam eden mega kentler için yaşanabilir şehir ortamı sağlanabilir (Coutts et al. 2013). Bu çalışmada, İstanbul şehir ikliminde yüzey kullanım değişimi, şehir ısı adalarının mekansal dağılımı için verilen 7 değişim stratejisi ile modellenerek, şehir gelişim etkilerinin, meteorolojik değişkenlerin İstanbul’daki şehir ısı adaları üzerine olan etkisi incelenmiştir. Şehir ısı adalarının şiddetinin belirlenmesi için, şehir ve kırsal alandaki sıcaklık farklılığı 1960’dan 2013’e kadar 6 istasyon, 2007’den 2012’ ye kadar 34 istasyondaki sıcaklık gözlemlerinden hesaplanmıştır. Şehir ısı adalarının şiddetini, arazi kullanımındaki hangi değişkenlerin yükselttiğini belirlemek için, meteorolojik istasyonlardaki gözlemler ile kuru günler belirlenip, Alman Meteoroloji İşleri’nin (Deutsch Wetterdienst) geliştirdiği Mikro Ölçekli Şehir İklim Modeli olan MUKLIMO 3 ile İstanbul’daki şehir ısı adaları, yüzey kullanım değişiminin etkileri gece (minimum) ve gündüz (maksimum) sıcaklıkları için incelenmiştir. 6 meteoroloji istasyonundaki tüm verilerin yüzde 90’nı ile eşik değer 30.5°C belirlenmiş ve 5 gün süren sıcak hava dalgası için 07.08.2012 model simülasyonları için hedef gün seçilmiştir. Belirlenen tarih için yeşil çatı uygulamaları ve yüksek albedo materyelleri değiştirilerek, şehir ısı adası şiddetini düşük sıcaklıklara indirebilmek adına Maslak uygulama alanı seçilmiştir. MUCKLIMO 3 modeli seçilen 7 değişim stratejisi için şehirleşmedeki yüksek albedo yapılarını ve yeşil çatı uygulamalarını kolayca uygulanmasını sağlamıştır. Sonuç olarak, MUKLIMO_3 modelinin termodinamik versiyonu şehir iklim parametrelerinin genel paternleri olan sıcaklık, bağıl nem ve rüzgar hızını iyi bir şekilde modellemeyi başarmıştır. Isı stres potansiyelini azaltmak için gelişim stratejilerinin kullanılabilirliğinin geliştirilmesi, paydaşlar ve şehir iklimcileri için değerli bir arayüzle uygun vaadleri sonuçlar bize sunmaktadır.

Urbanization and climate change may be the two most significant socio-ecological issues of the 21st century. The intersection between these trends is intensified by increasing population. Thus, the quality of life is influenced negatively. Cities are the defining ecological phenomenon in the decades ahead and the majority of the population of world now lives in them (While and Whitehead, 2013). Significant urbanization has occurred in Istanbul due to incerase of the population. Urban growth and associated landscape transformation might be a major driver of local and regional environmental change in this city. Istanbul is the largest city of Turkey with the population over 14 million inhabitants and the urbanization is drastically expanded since 1965 due to the population increase from 2 million to 14 million. As cities continue to grow and develop uner climate change, in order to mitigate urban temperatures by identifying and assessing practical strategies, is critical to provide socio-ecological urban sustainability and thermal comfort (Coutts et al. 2013). Using green and cool (high-albedo material) roofs are commonly reported to provide urban heat mitigation potential; however, their performance is highly dependent upon their design, sunshine duration, and location of the built-up area. This study compares the role of land use and wind field modifications to alter the urban climate in Istanbul by modeling spatial distribution of the urban heat island given 33 mitigation strategies (including white, green and hybrid scenarios) and 10 sensitivity analyses (with wind speed and wind direction scenarios). In this study, the impacts of urban expansion on meteorological variables in relation to the urban heat island (UHI) effect in Istanbul is investigated. To estimate the strength of UHI, the temperature differences between urban and suburban stations are calculated by using temperature observations from 6 stations for 1960-2014 years, and 34 stations for 2007–2012. In order to examine what type of changes in the urban landscape elevate the intensity of UHI in Istanbul, by using the dry days which were determined with the meteorological station data, the effects of change in land use on daytime and nighttime urban heat island (UHI) of Istanbul is examined using the micro-scale climate model MUKLIMO 3. The model simulation for mitigation strategies takes place for 07.08.2012, which was the hottest day in a heat wave that lasted five days and exceeded 30.5°C (threshold value) from the 90th percentile of all six station’s data. A Case domain (Maslak) for date (07.08.2012) is selected and the implementation of green roofs and high-albedo materials are considered in order to lower the temperature. Due to the fact that MULIMO_3 provides the opportunity to implement green roofs as well as high-albedo materials in built-up areas easily, several mitigation strategies are applied. The implementation of cool (high-albedo) materials for urban structures and green roofs as mitigation strategies in general show lower temperatures throughout the whole day, while the effects of white and hybrid scenarios are much higher than green roofs. For the roof treatments explored here, results suggest that cool roofs (white scenarios), provide the greatest overall benefit in terms of urban heat mitigation and energy transfer into buildings. The high albedo of the cool roof substantially reduced net radiation, leaving less energy available at the surface for sensible heating during the day. Under warm and sunny conditions, when soil moisture was limited, evapotranspiration from the green roof was low, leading to high sensible heat fluxes during the day. Irrigation improved the performance of the green roof by increasing evapotranspiration. Consequently, the thermodynamic version of MUKLIMO_3 has decent skills to capture general pattern of urban climate parameters such as temperature, relative humidity and wind velocity. In order to evaluate the utilizability of mitigation strategies to reduce potential of heat stress, the results demonstrate suitable promise as a valuable tool for national stakeholders and urban climatologists. On the other hand, the rooftops of mega city Istanbul must be designed accordingly to target specific performance objectives, such as heat mitigation rather than receiver system or brick located roofs.