Articolo tratto dalla Newsletter n° 020 di dicembre 2024
Il fenomeno dell’isola di calore urbana, generalmente indicato come UHI dall’inglese Urban Heat Island, noto e studiato da quasi due secoli (Howard, 1833; Oke et al., 2017), riceve in epoca recente un rinnovato interesse specialmente nel quadro generale della resilienza ai cambiamenti climatici e per il fatto che più della metà della popolazione mondiale vive nelle città, con tendenza alla crescita.
La fenomenologia associata è essenzialmente termica, rappresentabile dalla differenza tra temperature in ambito urbano rispetto a quelle del circostante ambiente extra urbano (Indice UHI), ma presenta anche altri aspetti meteo-climatici, come quelli relativi all’umidità e alla circolazione sia orizzontale che verticale, alla nuvolosità e alla precipitazione. Il tutto è dovuto alle diverse caratteristiche radiative e termiche delle superfici urbane rispetto a quelle extra urbane, che determinano un diverso tasso orario di raffreddamento serale e riscaldamento diurno: la figura 1 illustra un episodio significativo per la città di Milano in una delle stazioni di misura della rete della Fondazione Osservatorio Meteorologico Milano Duomo ETS (FOMD: www.fondazioneomd.it). Il fenomeno UHI è specifico per ogni singola città e va quindi analizzato caso per caso. Le generalizzazioni sono possibili solo sulle metodologie utilizzate, mentre la valutazione degli aspetti urbanistici (oltre a quelli geografici e climatologici) diventa imprescindibile sia per la tipologia delle strutture (edifici, parchi, strade) che per la loro geometria e distribuzione territoriale.
Trattandosi comunque di un fenomeno meteorologico, può e deve essere trattato anche in termini climatologici. In questo caso sono rilevanti sia gli aspetti evolutivi del clima in sé, ormai diventati ineludibili con dirette influenze sul clima urbano, sia l’evoluzione urbanistica della singola città: tanto più rilevante quest’ultima in considerazione della rapida ed importante crescita urbana nell’ultimo secolo e ancora in corso specialmente in alcune aree geografiche, con conseguenze sul clima extra urbano almeno a scala regionale. Lavori recenti (Huilin et al., 2023) stanno in particolare esaminando la tendenza recente della temperatura urbana e dell’UHI, evidenziando come la prima cresca in genere molto più della media globale e regionale esaltando il fenomeno UHI specialmente di giorno: a Milano, ad esempio, il tasso di riscaldamento urbano recente risulta essere quasi 3 volte quello medio globale. Mentre la media annua dell’Indice UHI è in genere di pochi gradi, ma con ampie variazioni in funzione dell’area climatica e della tipologia e dimensione urbanistica, il suo valore medio orario può raggiungere i 10 ÷ 12°C nel caso delle città più grandi e densamente popolate e con particolari caratteristiche dell’edificato (figura 2).
La differenza tra temperatura urbana ed extra urbana dipende sia dalla climatologia locale che dalle specifiche condizioni meteorologiche a scala sinottica o mesosinottica al momento della misura. Il fenomeno è infatti favorito e accentuato da condizioni anticicloniche con cielo sereno (effetti radiativi) e scarsa ventilazione (effetti avvettivi): il valore dell’Indice UHI diventa pertanto realmente significativo solo al di sopra di una soglia che permetta di distinguere l’effetto dell’urbanizzazione dal “rumore” sinottico. In alternativa lo si può studiare filtrando i dati in funzione del tipo di tempo meteorologico (per esempio in base ad una opportuna selezione di valori di pressione, nuvolosità, precipitazione e vento). In genere l’Indice assume valori massimi dopo il tramonto del sole e minimi durante le ore diurne (quando sono possibili anche valori negativi, figura 1) ed è più accentuato nei mesi freddi rispetto a quelli caldi, ma con ampia variabilità geografica di queste caratteristiche. Inoltre il fenomeno dell’Isola di calore urbana può risultare intensificato durante le ondate di calore, specialmente nelle ore notturne.
La figura 3 riassume alcune caratteristiche dell’Indice UHI per Milano per le stazioni di FOMD ubicate in città, calcolato come differenza rispetto alla media di cinque selezionate stazioni extra urbane di ARPA Lombardia: le 8 stazioni di FOMD hanno un comportamento molto simile essendo caratterizzate quasi tutte dalla stessa LCZ (Local Climate Zone 2, “Compact mid-rise”: Oke et al. 2017) e si distinguono principalmente per la loro distanza dal centro città. Strumenti di conoscenza e analisi del fenomeno UHI sono sia i dati delle misure (meteorologiche e urbanistiche) che i modelli in grado di descriverlo: questi ultimi devono necessariamente essere ad altissima risoluzione spaziale, contenere una dettagliata descrizione del tessuto urbano ed essere validati con le osservazioni.
Nonostante l’importanza della modellistica ed il suo crescente sviluppo per lo studio del fenomeno, le misure rimangono fondamentali: tuttavia nella letteratura scientifica recente è molto più facile trovare lavori di sperimentazione modellistica che relativi alle misure e alle loro incertezze, in particolare per quelle di natura climatologica. Queste ultime richiedono infatti non solo strumentazione dedicata e distribuita nel territorio (reti) per risolvere i vari ambiti urbanistici, ma anche il mantenimento nel tempo dell’operatività e della qualità e riferibilità del dato: un aspetto molto oneroso e impegnativo, ma in genere poco remunerativo e pertanto destinato più a un servizio che alla ricerca.
In passato un ruolo importante in questo senso è stato svolto dagli osservatori storici, quasi tutti posti al centro di grandi città, che oggi consentono la ricostruzione del clima cittadino nell’arco di molti decenni e fino a oltre due secoli (in Italia ricordiamo ad esempio almeno Roma, Milano e Firenze, ma ce ne sono molti altri: il WMO ad oggi ha riconosciuto in Italia 22 Osservatori Centenari). Tuttavia queste serie storiche non bastano a descrivere in dettaglio la complessità urbanistica delle moderne città, specialmente considerando le importanti applicazioni in campo energetico e per la resilienza climatica. Nel mondo non sono molte le municipalità che si sono dotate (e comunque solo in epoche relativamente recenti) di reti meteorologiche urbane dedicate, talvolta derivate da campagne di ricerca scientifica: tra queste basti ricordare, per essere state tra le prime a coniugare ricerca e servizio, almeno Birmingham e Hong Kong.
In Italia non esistono analoghe situazioni: in questo senso l’attività di FOMD rappresenta un caso unico, essendosi dotata a partire dal 2010 di una rete dedicata a scala nazionale, oggi forte di una cinquantina di stazioni urbane (Borghi et al., 2014; Frustaci et al., 2017): l’area di Milano in particolare rappresenta un vero laboratorio, con una ventina di stazioni omogenee che si aggiungono a quelle 4 o 5 cittadine dell’ARPA Lombardia, create però alla fine dello scorso secolo per scopi di monitoraggio dell’inquinamento urbano e pertanto con caratteristiche almeno in parte diverse.
Essenzialmente sulla base dei dati di questa rete omogenea (unica tipologia di strumentazione, stessi criteri di ubicazione), gestita con criteri “metrologici” (Meteomet : Merlone et al., 2015) per finalità di climatologia urbana applicata, FOMD sviluppa una metodologia di approfondimento del clima urbano, con particolare riguardo alla qualità del dato (Curci et al., 2017), per le applicazioni non solo in campo energetico, ma più in generale per tutte quelle attività di pianificazione e di adattamento al cambiamento climatico che riguardano la città e la sua popolazione.
L’isola di calore di Milano ne risulta pertanto descritta in maniera molto più dettagliata di quanto non risulti dalla lunga serie storica di Palazzo Brera (con dati risalenti al 1763: Maugeri et al., 2002) e dagli ormai datati lavori di Santomauro (1957), Bacci e Maugeri (1992), Borghi et al. (2000). Le misure su cui si basa questa migliore conoscenza del termoclima urbano pongono una serie aggiuntiva di problemi rispetto alle più classiche misure meteorologiche eseguite di routine per la scala sinottica o mesosinottica. Innanzitutto si pone la questione della definizione del misurando, dovuta alla più complessa stratificazione dello strato limite atmosferico in ambito urbano (figura 4): sensori posti a diverse altezze rispetto al suolo misurano in strati diversi non ben correlati tra loro e variabili in funzione della struttura verticale, oltre che orizzontale, degli edifici.
Un esempio è la differenza tra temperatura a livello strada e quella alla sommità degli edifici più alti di una città, da cui consegue anche la diversa rappresentatività in senso spaziale: una misura a livello strada è rappresentativa solo di quella strada (o addirittura solo di un particolare lato e tratto della stessa), mentre una misura alla sommità della canopea urbana (UCL: Urban Canopy Layer) è rappresentativa delle caratteristiche medie della zona circostante. Per studiare l’isola di calore urbana questa tipologia di misura è preferibile a quella molto meno spazialmente rappresentativa eseguita in una piazza o in un viale.
Si pone poi il delicato e duplice aspetto dell’ubicazione e dell’esposizione dei sensori: con la prima si intende la zona della città in cui si vuole misurare (per esempio per caratterizzare le diverse zone urbanistiche: residenziali, commerciali, industriali, centrali o periferiche), con la seconda l’esatto posizionamento del singolo sensore nel variegato contesto urbanizzato, dove effetti molto locali e indesiderati possono falsare significativamente le misure del misurando prescelto (ad esempio la vicinanza di un camino in funzione o di edifici circostanti molto più alti).
È evidente pertanto la necessità di una vera e propria rete di stazioni di misura, le cui caratteristiche dipendono da scelte fatte a priori sulle finalità della stessa: il monitoraggio meteorologico per l’inquinamento atmosferico è diverso dal monitoraggio termico ai fini dell’efficientamento energetico cittadino, ad esempio, o per il benessere e la salute degli abitanti nell’ambiente esterno agli edifici.
Essendo attualmente gli aspetti ambientali ed energetici di primario interesse, la rete di FOMD a Milano è stata progettata con lo scopo di misurare la canopea urbana e principalmente il suo comportamento termico sia per il monitoraggio che a fini climatologici: di conseguenza le stazioni, in numero sufficiente per caratterizzare i diversi ambiti della città, sono ubicate alla sommità di edifici di media altezza tipici (ove possibile) dell’area circostante e posizionate con le cautele del caso per evitare disturbi localizzati. In questo modo hanno una rappresentatività relativamente ampia ed è sufficiente un numero di stazioni contenuto e quindi sostenibile per caratterizzare spazialmente oltre che temporalmente l’isola di calore urbana.
L’adozione di rigidi protocolli gestionali in senso “metrologico” ha poi lo scopo di mantenere costante nel tempo la qualità, la riferibilità e la rappresentatività delle misure e creare un affidabile database climatologico. Inoltre l’impiego delle tecniche di co-kriging applicato alle misure di superficie così ottenute e a quelle di telerilevamento dallo spazio, in particolare nell’infrarosso termico (Montoli et al., 2021), ha permesso di superare le differenze e i limiti delle misure da satellite (solo temperatura della superficie del suolo, forti limitazioni temporali) e delle misure al suolo (temperatura dell’aria ma con forti limitazioni spaziali) creando mappe ad alta risoluzione spaziale di temperatura dell’aria mediate per situazioni meteorologiche e stagionali (Frustaci et al., 2022): la figura 5 ne presenta un esempio.
Quanto sopra è stato sviluppato in particolare nell’ambito del Progetto ClimaMi (www.progettoclimami.it: Lavecchia et al., 2021), in un’originale ottica di costruttiva collaborazione con i principali attori di una auspicabile e possibile resilienza urbana al cambiamento climatico in corso, in particolare tra i professionisti dell’architettura e dell’ingegneria (tramite le rispettive fondazioni milanesi FOAM e FOIM) e le istituzioni (tramite la Fondazione Lombardia per l’Ambiente: FLA). L’esperienza, che si è concretizzata in un portale dedicato ricco di dati e informazioni direttamente utilizzabili da amministratori pubblici e professionisti (https://www.progettoclimami.it/si-cu), continua tramite il Progetto IndicaMI (attualmente in corso: www.progettoindicami.it) orientato specialmente a coinvolgere le amministrazioni locali (in particolare la Città Metropolitana di Milano e alcuni comuni afferenti) nello sviluppo di buone pratiche di adattamento e fornendo utili strumenti di pianificazione urbanistica nel rispetto dello sviluppo sostenibile (gli SDGs dell’ONU).
I campi di applicazione di queste informazioni spaziano dalla gestione dell’energia per riscaldamento e raffrescamento, al verde pubblico, alla sanità e più in generale alla progettazione urbanistica: ne è testimone l’elevato numero di indicatori derivati dai dati climatici e messi a disposizione di tutti i potenziali utilizzatori finali. A puro titolo d’esempio vale la pena segnalare come il valore dei Gradi Giorno indicato dalla legge del 1993, che rappresenta il riferimento legale cui devono attenersi le amministrazioni locali, sia ampiamente corretto e superato dalle misure climatiche di FOMD in Milano, che ne descrivono anche la forte variabilità in ambito comunale (figura 6). I dati di misura sono poi già stati utilizzati e restano disponibili per la validazione di modelli meteorologici ad alta risoluzione per l’ambito urbano.
Le metodiche applicate e le esperienze maturate da FOMD a Milano sarebbero facilmente ed utilmente replicabili in qualunque altra città d’Italia (e non solo). A tal fine richiedono tuttavia non solo investimenti per la specifica strumentazione da installare e specialmente per la sua corretta e duratura gestione, ma anche un’attenta pianificazione caso per caso ed un coordinamento nazionale per la definizione di adeguati protocolli: almeno quest’ultimo sicuramente nelle possibili competenze di ItaliaMeteo, l’Agenzia nazionale per la Meteorologia e la Climatologia di recente istituzione e attivazione. I beneficiari diretti sono principalmente le amministrazioni comunali e provinciali il cui coinvolgimento attivo è indispensabile ma in buona parte ancora da avviare. I beneficiari indiretti sono invece numerosi, prevalentemente nel settore produttivo e di servizio. Un’opportuna sinergia tra privato e pubblico, da tempo auspicata e incoraggiata dagli enti sovranazionali come ONU, WMO, IPCC ed EU, a livello locale potrebbe costituire una efficace modalità per avviare a soluzione la carenza nazionale in questo settore, tanto più rilevante a fronte delle indispensabili e urgenti misure di adattamento sostenibile al cambiamento climatico in corso.
Oltre agli aspetti organizzativi, di non facile e comunque non immediata soluzione, va anche ricordata l’opportunità del ricorso a strumenti e metodi di osservazione integrativi e innovativi, tra cui basterà qui citare i profilatori verticali (Sodar, Lidar) e orizzontali (Radar, Lidar), i sensori iperspettrali in orbita e quelli a basso costo e larga diffusione (specie se integrati nell’impiantistica e nei servizi). La loro adozione in reti urbane dedicate contribuirebbe significativamente al miglioramento della quantità e qualità dei dati osservativi e delle conoscenze dello strato limite e della fisiologia urbana.
Un sentito ringraziamento al personale della Fondazione Osservatorio Meteorologico Milano Duomo per i dati e parte delle elaborazioni utilizzate nell’articolo.
Bibliografia
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Vedi anche: Mills, Gerald: Luke Howard and The Climate of London. Weather. 63. 153 – 157. 10.1002/wea.195, 2008
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Oke, T.R.; Mills, G.; Christen, A.; Voogt, J.A. Urban Climates; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2017
Santomauro L.: Lineamenti climatici di Milano. 1763-1955, Comune di Milano – Osservatorio di Brera, 1957
Autore
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| Giuseppe Frustaci |