Improved understanding of factors affecting urban hydrological cycle

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4980-0
Title: Improved understanding of factors affecting urban hydrological cycle
Author: Kokkonen, Tom
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Institute for Atmospheric and Earth System Research / Physics
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The processes related to urban development (urbanisation, densification, irrigation and worsened air quality) are assumed to affect the urban hydrological cycle, but little is known about the impact of the individual processes. One of the reasons for the knowledge gaps is the lack of measurements for the needed resolution or for the period of interest. Reanalysis products can provide the needed data, but those have not been evaluated in urban areas. Furthermore, model evaluation is commonly made against eddy covariance (EC) measurements, but little is known of the uncertainties related to often non-ideal instrument location at urban areas. To answer the uncertainties in urban hydrological cycle, Surface Urban Energy and Water Balance Scheme (SUEWS) forced with the WATCH Forcing Data is used. The analyses are performed in cities located in different climate conditions (Vancouver, London and Beijing) and above varying urban land covers (dense city centre and suburban areas). To understand better the uncertainties related to model evaluation, uncertainties of EC method are analysed using two identical EC systems at the same level close to each other in central Helsinki. The most crucial reanalysis variables to correct are precipitation due to coarse spatial resolution and the incoming solar radiation due to haze. SUEWS performs well when forced with corrected WATCH data, which allows detailed analysis of urban hydrological cycle. The irrigation has the dominant effect over densification and urbanisation on suburban hydrological cycle. The densification increases the runoff as much as the initial urbanisation, even though the increase of impervious surfaces is much smaller. The haze decreases evaporation which increases runoff and soil infiltration especially at smaller daily precipitation totals. This is expected to flush pollutants from surfaces and increase the pollutant loads of urban waters. After the post-processing of the EC data, systematic uncertainties in latent heat flux originating from a single-point observation above dense city centre due to removal of large fraction of wind disturbed data are only 8%. Thus, useful and representative EC observations can be obtained from urban areas, despite the errors induced by the non-ideal location. The results of this thesis answer the uncertainties in urban hydrological cycle by bringing new knowledge of the dominant factors in the urban water balance and the representativeness of reanalysis data in urban areas. The results can help urban planners to design sustainable cities being able to mitigate and adapt to the common problems in urban hydrology.Kaupunkien kehitykseen liittyvät muutokset, kuten kaupungistuminen, kaupunkirakenteen tiivistyminen, viheralueiden kastelu ja huonontunut ilmanlaatu, vaikuttavat myös veden kiertoon kaupunkialueilla. Kuitenkin näiden muutosten vaikutuksista veden kiertoon tiedetään vain vähän, sillä kaupungeista on saatavilla rajoitetusti mittauksia, joita tarvitaan itse prosessien ymmärtämiseen ja sopivien mallien kehittämiseen. Uusanalyysit ovat mallien ja mittausten avulla tuotettuja maailmanlaajuisia aineistoja, joita voidaan käyttää hydrologisten mallien meteorologisena syötteenä, jos mittausaineistoja ei ole saatavilla. Uusanalyysit kattavat usein pitkiä ajanjaksoja, jolloin ne mahdollistavat mallinnuksen myös esimerkiksi menneisyydessä, jolloin mittauksia kaupunkialueilla on harvoin ollut olemassa. Uusanalyysien laatua kaupunkialueiden paikallisen mittakaavan hydrologisessa mallinnuksessa ei kuitenkaan ole aikaisemmin kattavasti tutkittu. Lisäksi mittausasemat, joiden tuottamalla datalla arvioidaan mallien toimivuutta, ovat kaupungeissa harvoin mittauksien laadun kannalta ihanteellisella sijainnilla ja kaupunkialueen rakenteet voivat aiheuttaa mittauksiin virhettä, joka tulee ottaa mallien arvioinnissa huomioon. Tämän työn tarkoituksena on selvittää uusanalyysien laatua kaupunkialueilla ja kehittää korjaukset niille meteorologisille suureille, joissa havaitaan suurimmat virheet. Tämän lisäksi tutkitaan kaupunkien kehitykseen liittyvien muutosten vaikutusta veden kiertoon ja kaupunkialueilla tehtävissä mittauksissa ilmeneviä harhoja. Kaupungistumisen vaikutuksia hydrologiseen kiertoon ja käytettävien uusanalyysien hyvyyttä tutkitaan vaihtelevien kaupunkirakenteiden (keskusta ja esikaupunkialue) alueilla hydrologisen mallinnuksen avulla Vancouverissa, Lontoossa ja Pekingissä. Nämä kaupungit edustavat erilaisia ilmastoja ja erilaisia kehityskaaria. Lisäksi mallien toimivuuden testaamisessa käytettävien mittausten virheitä arvioidaan Helsingissä sijaitsevan mittausaseman avulla. Uusanalyysien suurimmat virheet omaaviin suureisiin (sadanta ja auringonsäteily) kehitetään harhankorjausmenetelmät, jonka jälkeen ne toimivat hyvin tutkittujen kaupunkialueiden hydrologisessa mallinnuksessa. Epäideaalista mittauspaikasta johtuva virhe tiiviissä keskustassa on pieni, jolloin mittauksia voidaan luotettavasti käyttää vertailemaan hydrologisten mallien toimivuutta. Kaupunkirakenteen tiivistymisellä on yhtä suuri vaikutus pintavalunnan lisääntymiseen kuin alkuperäisellä kaupungistumisella, vaikka läpäisemättömien pintojen lisääntyminen on huomattavasti pienempää. Kuitenkin viheralueiden kastelulla on vallitseva merkitys esikaupunkialueiden veden kiertoon. Suurkaupungeissa usein esiintyvän ilman epäpuhtauksista johtuvan ilmakehän samentumisen johdosta auringonsäteilyn määrä maanpinnalla pienenee, joka vaikuttaa vesitaseeseen vähentämällä haihdunnan määrää, joka etenkin pienien sademäärien aikana lisää pintavaluntaa. Tämän väitöskirjan tulokset auttavat ymmärtämään uusanalyysien ja mittausten edustavuutta kaupungeissa ja tuo lisätietoa kaupunkien kehityksen aiheuttamista muutoksista veden kiertoon. Tämä auttaa kaupunkisuunnittelijoita suunnittelemaan veden kierron kannalta kestäviä kaupunkialueita, joissa tyypillisiin ongelmiin pystytään varautumaan jo suunnitteluvaiheessa ja mahdollisesti lieventämään jo olemassa olevien kaupunkialueiden ongelmia.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4980-0
http://hdl.handle.net/10138/299716
Date: 2019-03-22
Subject: Geofysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
IMPROVED.pdf 2.071Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record