A városokban az emberi tevékenység környezetre gyakorolt hatása koncentráltan érvényesül: nagymértékben megváltozik a felszín arculata, módosul a légkör összetétele, s ezek következtében a helyi klíma is jelentősen eltér a természetes viszonyoktól. Az elmúlt évtizedben a városi népesség növekedésén túl a települések szerkezete is jelentősen megváltozott. Sok helyen új lakónegyedek, bevásárlóközpontok, ipari üzemek épültek, ami a mesterséges felszínek növekedését vonta maga után. E mesterséges felszínek sugárzási tulajdonságai, valamint az antropogén tevékenységek által kibocsátott többlet energia miatt a városi térség hőmérséklete számottevően nagyobb környezeténél. Ezt a városi hősziget-jelenséget leggyakrabban a városi és városkörnyéki hőmérséklet különbségeként definiálható intenzitással jellemezhetjük. A meghatározásához világszerte többféle mérési módszert alkalmaznak, pl. hagyományos, 2 méteres magasságban végzett léghőmérsékleti méréseket, műholdas felszínhőmérsékleti méréseket, gépkocsival végzett méréseket, illetve repülőgépes méréseket. Fontos hangsúlyozni, hogy a különböző módszerekkel végzett mérésekből meghatározott városi hősziget intenzitása lényegesen eltér egymástól (Voogt és Oke, 2003). A hősziget-intenzitás maximuma a földfelszíni mérések esetében napnyugta után néhány órával következik be, míg a műholdas mérések esetében ez a déli, kora délutáni órákra tehető. Az ELTE Meteorológiai Tanszékén több mint egy évtizede folyó városklimatológiai kutatások célja elsősorban a városi hősziget szerkezetének, időbeli menetének, s a helyi települési sajátosságoknak a vizsgálata (pl.: Dezső et al., 2005; Bartholy et al., 2009; Pongrácz et al., 2006; 2009; 2010) hazánk tíz legnagyobb városára (Budapest, Debrecen, Miskolc, Szeged, Pécs, Győr, Nyíregyháza, Kecskemét, Székesfehérvár, Szombathely), valamint Közép-Európa kilenc nagyvárosára (Bukarest, Varsó, Bécs, Milánó, München, Prága, Szófia, Belgrád, Zágráb) vonatkozóan. Vizsgálatainkhoz elsősorban finom felbontású műholdas felszínhőmérsékleti adatokat használunk. Budapest esetében eredményeinket összehasonlítottuk a rendelkezésre álló állomási léghőmérsékleti mérésekkel is (Lelovics et al., 2011).

Az amerikai NASA Földmegfigyelési programja keretében bocsátották kvázipoláris pályára a Terra (1999), majd az Aqua (2002) nevű műholdat, melyek mindegyikén megtalálható a 36 különböző hullámhossztartományban méréseket végző MODIS szenzor. Elemzéseinkhez az ezekből meghatározott 1 km felbontású felszínhőmérsékleti, felszín-borítottsági és vegetációs index adatsorokat használtuk fel, melyek a Land Processes Distributed Active Archive Center (Földfelszíni folyamatok adatainak aktív archiváló központja) elnevezésű adatközponton keresztül érhetők el. Vizsgálataink a Terra/MODIS adatok esetében a 2001. január 1. és 2010. december 31., az Aqua/MODIS adatok esetében a 2003. január 1. és 2010. december 31. közötti időszakra terjedtek ki. Így a 2001-2002 közötti időszakban napi kettő, ezt követően pedig napi négy mérés állt rendelkezésünkre. A műholdas felszínhőmérsékleti méréseken alapuló városi hősziget-vizsgálatoknál jelentős adathiányt eredményez az, hogy felhős időben a szenzor csak a felhőtető hőmérsékletét tudja érzékelni. Vizsgálataink során csak azokra a napokra vonatkozóan határoztuk meg a városi hősziget intenzitását, melyeken a városi képpontoknak legalább a fele felhőmentes volt a MODIS felvételeken. A magyar városok esetében az összes lehetséges nap 37-47%-án használhatók a műholdas felszínhőmérsékleti adatok a városi hősziget vizsgálatára. A használható adatok éven belüli eloszlása nem egyenletes, a téli hónapokban csupán 5-10, nyáron viszont 15-25 napon áll rendelkezésre használható műholdkép. Bár a hagyományos földfelszíni városklimatológiai mérőállomások mérései minden nap tetszőleges időpontban rendelkezésre állnak, de az állomások sűrűsége soha nem lesz olyan nagy, mint a műholdfelvételek térbeli felbontása. A földfelszíni, illetve repülőgépes mobil mérések jó térbeli felbontásúak, de nagy költségigényük miatt hosszú távon nem lehet azokat megfelelő gyakorisággal végezni. A műholdas adatok felhasználhatóságát alátámasztja az is, hogy a hősziget kialakulásának kedvez a szélcsendes, derült időjárás, így az intenzív hősziget-jelenségek is jól tanulmányozhatók e módszerrel. Vizsgálataink során az adatgyűjtést, a hibás, felhős képek kiszűrését követően meghatároztuk, hogy az egyes városok a műholdfelvételeken pontosan hol helyezkednek el, majd a teljes adatbázisból leválasztottuk a városokat és azok környékét tartalmazó kivágatokat. A kivágat mérete Budapest esetében 65x65 pixel.

Az adatfeldolgozás következő lépése a városi és városkörnyéki képpontok meghatározása (1. ábra). Ehhez felhasználtuk a MODIS felszíntípusok adatbázisát, a Google Earth műholdkép-adatbázist, valamint a GTOPO30 Digitális Terepmodellt. A Google Earth adatbázis műholdfelvételei lehetővé teszik a beépített és nem beépített területek vizuális elkülönítését. Ezek felhasználásával minden egyes városra lehatároltuk azt a területet, ami a város közigazgatási határán belül ténylegesen beépített. Ezt a kontúrt illesztettük rá az 1 km-es térbeli felbontású rácsra, és megszámoltuk, összesen hány képpont található e kontúron belül. Ezután meghatároztuk a város „átlagos sugarát”, amit a városhatáron belüli képpontok száma és x hányadosának négyzetgyökeként definiáltunk. Ez a mennyiség azt fejezi ki, hogy mekkora lenne a város sugara, ha a város pontosan kör alakú lenne. A GTOPO30 adatbázist a jelentős magassági különbségek kiszűrésére használtuk.

A városi képpontok közé azok a pontok tartoznak, melyek a következő három feltétel mindegyikének megfelelnek:

- a Google Earth adatbázis alapján meghatározott beépítettségi határon belül találhatók,
- a MODIS felszíntípus adatbázisban a beépített terület kategóriába esnek,
- tengerszint feletti magasságuknak az előző két feltételnek megfelelő képpontok átlagos tengerszint feletti magasságától való eltérése nem nagyobb, mint ±50 m.

A városkörnyéki képpontokhoz való tartozás feltételei:

- távolságuk a Google Earth adatbázis alapján meghatározott beépítettségi határtól nem nagyobb, mint a város "átlagos sugara",
- felszíntípusuk nem tartozik a beépített terület és a víz típushoz,
- tengerszint feletti magasságuknak a város átlagos tengerszint feletti magasságától vett eltérése nem nagyobb, mint ±100 m.

Az így kapott pontok felszínhőmérsékleti adatainak felhasználásával minden városra és időpontra meghatároztuk a városi és városkörnyéki átlaghőmérsékletet, melyek különbsége adja a városi hősziget intenzitását. E paraméterek felhasználásával tanulmányozható a hősziget, valamint a különböző felszíni és meteorológiai paraméterek kapcsolata, a hősziget napszaktól, évszaktól és városmérettől való függése, továbbá annak szerkezete és keresztmetszete.

A műholdas felszínhőmérsékleti mérések egyedülálló lehetőséget nyújtanak a városi hősziget térbeli szerkezetének és időbeli menetének együttes elemzésére. A 2. ábra Budapest ÉNY-DK-i keresztmetszete mentén mutatja be a felszínhőmérsékletnek a városkörnyéki átlaghőmérséklettől vett eltérését, illetve ennek időbeli alakulását. A délelőtti képen (az ábra felső részén) megfigyelhető a városi hősziget intenzitásának nyári maximuma, aminek értéke az egyes években különböző volt. A legtöbb évben, a belvárosban a felszínhőmérséklet városkörnyéki átlaghőmérséklettől vett eltérésének havi átlaga bizonyos nyári hónapokban a 6 °C-ot is meghaladta. Ez az állapot 2005-ben, 2008-ban és 2010-ben állt fenn a leghosszabb ideig, ekkor három hónapon keresztül haladta meg a 6 °C-ot a városi hősziget havi átlagos intenzitása a centrumban.

Két olyan év is volt, amikor a műholdas felszínhőmérsékleti mérések alapján a többi évhez viszonyítva kisebb hősziget-intenzitást detektáltunk: 2003-ban és 2007-ben. Ekkor a belvárosban a városkörnyéki átlaghőmérséklethez viszonyított anomália nyáron is csak 4-5 °C körül alakult, és ez az intenzitás kisebb területen, rövidebb ideig állt fenn.

Ennek hátterében az akkori időjárási viszonyok állnak: a nyári hónapokban a hőmérséklet jóval az átlag felett, a csapadék mennyisége pedig az alatt alakult. Ez azt eredményezte, hogy a városon kívül sem állt rendelkezésre megfelelő mennyiségű nedvesség a párolgáshoz, így a városkörnyéki területek az átlagosnál jobban felmelegedtek. Tehát valójában nem a város volt hűvösebb, hanem a környék volt melegebb, ami e két térség átlaghőmérséklet-különbségének csökkenéséhez vezetett. Az esti idősor (az ábra alsó részén) kiegyenlítettebb képet mutat. Itt is megfigyelhető, hogy a hősziget a téli félévben némileg visszahúzódik, de a téli és a nyári időszak között kisebb a különbség, mint nappal.

A tanszéki kutatások keretében elvégeztük a műholdas felszínhőmérsékleti mérések és az állomási léghőmérsékleti idősorok közötti összehasonlító elemzést Budapestre (Lelovics et al., 2011). Számításainkhoz az Országos Meteorológiai Szolgálat által 2001–2010 időszakban végzett óránkénti méréseket használtuk fel, melyek négy budapesti mérőállomásról (Újpest, Kitaibel Pál utca, Lágymányos, Pestszentlőrinc), valamint a Pest megye délkeleti, illetve északkeleti részén található Kakucsról és Pencről állnak rendelkezésre. Általánosságban elmondhatjuk, hogy a műholdas felszínhőmérsékleti mérések nappal meghaladják az állomási léghőmérséklet értékeit, éjszaka viszont fordított a helyzet (Lelovics et al., 2011) – s ez egyértelműen a két mérési módszer közötti különbség eredménye.

Vizsgálataink alapján a fővárostól valamelyest távolabb fekvő két mérőállomás idősorából képzett átlag jól reprezentálja a városkörnyéki térség hőmérsékleti viszonyait. Ezért a városi hősziget intenzitásának jellemzésére alkalmazott definícióban a négy budapesti mérőpont hőmérsékleti értékének átlaga, valamint Kakucs és Penc hőmérsékleti értékének átlaga közötti különbséget tekintettük. A műholdas felszínhőmérséklet esetén a hat felszíni mérőállomáshoz legközelebb eső egy-egy rácsponthoz tartozó távérzékelési méréseket vettük figyelembe a számítások során. A két módszerrel kapott havi átlagos intenzitás-idősorok összehasonlítása a 3. ábrán látható. A felső grafikonról leolvasható, hogy nappal az állomási mérésekből meghatározott intenzitás értékek 0 °C és 2 °C között mozognak, a teljes 2001-2010 időszakra vonatkozó átlagos érték 0,6 °C. A legnagyobb értékek télen és nyáron fordulnak elő. A műholdas mérések felhasználásával kapott hősziget-intenzitás változékonysága nagyobb, a nyári hónapokban az intenzitás értéke meghaladhatja akár a 3-4 °C-ot, míg a teljes 10 évre időszakra vonatkozó átlagérték 1,6 °C. A legkisebb intenzitás értékek tavasszal és ősszel jelentek meg, olyan évek (pl.: 2002, 2003, 2006) is előfordultak, amikor az intenzitás negatív volt ezekben a hónapokban, mely a városkörnyéki felszín gyorsabb melegedésére utal. A 3. ábra alsó grafikonja azt jelzi, hogy az éjszakai időszakra vonatkozóan a két módszer közötti eltérések sokkal kisebbek, mint a nappali időszakban. A korrelációs együtthatók is ezt igazolják (0,7 az éjszakai idősorok esetén, s 0,5 nappalra). A teljes 2001-2010 időszakra számított átlagos intenzitás a műholdas mérések alapján 3,2 °C, az állomási mérések alapján 3,4 °C – vagyis a hagyományosnak tekinthető, léghőmérsékletből számított hősziget nagyobb intenzitású, mint a távérzékelt felszínhőmérséklet által meghatározott hősziget.