Современное изучение городской климатологии

Описаны особенности городского климата, его составляющие, важные для его комфортности или, наоборот, экстремальность для человека, рассказано об индексах, оценивающих то и другое. Обсуждается изменение климата арктических городов в связи с глобальным потеплением:...

Print Friendly Version of this pagePrint Get a PDF version of this webpagePDF

Городской остров тепла. Европейские и североамериканские острова максимальной городской температуры; график соотношения между Δ (макс) Турбан - Трурал и  количеством населения (Oke 1973); а) Северная Америка - 1 девять поселений Квебека, 2 Корваллиса, 3 Пало-Альто, 4 Сан-Хосе, 5 Гамильтон, 6 Эдмонтон, 7 Виннипег, 8 Сан-Франциско, 9 Ванкувер, 10 Монреаль; б) Европа - 1 Лунд, 2 Упсала, 3 Реадлинг, 4 Карлсруэ, 5 Утрехт, 6 Мальмё, 7 Шеффилд, 8 Мюнхен, 9 Вена, 10 Берлин, 11 Лондон (данные из литературы опубликовано между 1929 и 1972 гг.)

Городской остров тепла. Европейские и североамериканские острова максимальной городской температуры; график соотношения между Δ (макс) Турбан — Трурал и количеством населения (Oke 1973); а) Северная Америка — 1 девять поселений Квебека, 2 Корваллиса, 3 Пало-Альто, 4 Сан-Хосе, 5 Гамильтон, 6 Эдмонтон, 7 Виннипег, 8 Сан-Франциско, 9 Ванкувер, 10 Монреаль; б) Европа — 1 Лунд, 2 Упсала, 3 Реадлинг, 4 Карлсруэ, 5 Утрехт, 6 Мальмё, 7 Шеффилд, 8 Мюнхен, 9 Вена, 10 Берлин, 11 Лондон (данные из литературы опубликовано между 1929 и 1972 гг.)

Семёнова А.А.,

каф.метеорологии и климатологии, географического ф-та МГУ1

Введение

С момента своего появления несколько тысяч лет назад первые поселения и города размещались с учетом природно-климатических особенностей, наличия водных, лесных и иных ресурсов. С древности люди заметили, что климатические условия разных местностей отличаются друг от друга. К настоящему времени известно, что основными причинами формирования таких специфичных для той или иной территории климатических условий являются особенности атмосферной циркуляции, подстилающей поверхности, экспозиции, угла падения солнечных лучей, влажность, защищённость (закрытость) территории от ветра и т.д. (Kratcer, 1958)

Климатические условия отдельных местностей и целых стран отражались в конструкции и обустройстве жилищ — в преобладании заглубленных или наземных построек, использовании крытых проходов, форме и конструкции крыши, пола, остекления. Происходившие по мере увеличения и усложнения хозяйства изменения поселений заключались в их увеличении и разделении по зонам, т.е. появлении отдельных от жилья хозяйственных объектов.

Эмпирический учет природно-климатических условий привел к появлению функционального зонирования естественно сложившейся планировки городов и поселений. Учитывались преобладающее направление ветра и организацию необходимого для рассеивания в атмосфере выбросов территориального размаха до наиболее густонаселенных городских территорий (Kratcer, 1958).

В 18-20 веках по мере развития науки, и в частности, метеорологии, учёные начали обращать внимание на то, что климатические условия внутри города отличаются от условий в сельской местности. В начале 19 века учёным Люком Ховардом (Howard, 1818) были открыты городские острова тепла – особые климатические условия, заключающиеся в существовании различия температур между центром города и пригородами. Так начал формироваться большой раздел метеорологии, изучающий городской микроклимат – городская климатология. Сейчас городская климатология изучает влияние климатических условий на эксплуатацию зданий и строительство городов, влияние климатических условий города на человека и особенности его жизнедеятельности.

Городская климатология служит для удовлетворения всех требований, предъявляемых в области строительства в части обеспечения различными расчетными метеорологическими параметрами, климатическими характеристиками, специфическим климатическим зонированием, климатическими паспортами населенных пунктов. Она является основой для проектирования градостроительных комплексов и планировки жилых массивов, для обеспечения комфортных энергоэффективных зданий, потребляющих в процессе строительства и эксплуатации минимальное количество энергии.

История изучения городской климатологии

Основоположником городской климатологии принято считать Люка Ховарда (1772-1864), английского метеоролога, который в своей работе «The climate of London deduced from meteorological observations» (Hovard,1818) впервые получил количественную информацию о климате крупного города.

С 1806 по 1831 год Ховард вел ежедневные метеорологические измерения атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, количества осадков и испарения в пригородах Лондона. Главной его заслугой следует считать, его попытку сравнить данные собственных измерений с проводимыми синхронно метеорологическими измерениями Лондонского Королевского общества, наблюдательный пункт которого располагался в центральной части Лондона.

По итогам этих наблюдений и сравнений, им был открыт эффект, современными исследователями именуемый «городской остров тепла», значение которого заключается в существовании различия температур между центром города и пригородами. Уже тогда, в первой половине 19 века разница между городской и фоновой температурой достигала на месячном интервале осреднения 1-1.2 градусов Цельсия (Hovard,1818)

Рис 1. Различия в среднемесячной температуре между центром Лондона и его пригородными районами, в градусах Цельсия (Mills, 2009)

Рис 1. Различия в среднемесячной температуре между центром Лондона и его пригородными районами, в градусах Цельсия (Mills, 2009)

Так же, Люк Ховард, определил, что городской остров тепла наиболее отчетливо наблюдается в ночное время суток и в холодное время года. В качестве возможного объяснения такого контраста было предположено, что в зимний период увеличивается количество сжигаемого угля, что приводит к дополнительному нагреванию приземного слоя атмосферы. Другой из причин существования острова тепла автор признавал и влияние тепла, выделяемого в атмосферу человеческим организмом. Ховардом были упомянуты такие факторы как геометрия городской застройки и повышенная шероховатость городских ландшафтов (Hovard,1818, цит.по: Konctantinov,2011).

Уже в наше время исследования Люка Ховарда были неоднократно подтверждены более современными методами, проведенными с использованием гораздо более точных, нежели доступные Ховарду, измерительных технологий. В начале 50-х годов 20 ХХ века местный специалист Сандборг из Швеции провел ряд исследований в городе Упсала. В этих исследованиях с помощью передвижной метеостанции впервые были изучены пространственные характеристики городского острова тепла. Экспериментально подтвердилось предположение Ховарда о возрастании интенсивность острова тепла от городских границ к центру города (Sundborg,1950).

Кроме того, была предложена первая эмпирическая формула для расчета интенсивности городского острова тепла:

|Tu-r | 2.8 — 0.10N- 0.38U — 0.03T + 0.03e (1)

где |Tu-r | разница температур между городом и сельской местностью;  N – балл облачности, U - скорость ветра, Т- температура воздуха, е - абсолютная влажность воздуха.

Рис 2. Распределение температуры воздуха 20 августа 1948 года около 20 часов, Упсала, Швеция (Sundborg,1951)

Рис 2. Распределение температуры воздуха 20 августа 1948 года около 20 часов, Упсала, Швеция (Sundborg,1951)

Åke Sundborg, шведский  климатолог

Åke Sundborg, шведский климатолог (справа)

 

Следующим важным этапом в изучении городской климатологии стали работы Тима Оке (Оке, 1968). Он занимался описанием физических предпосылок для возникновения островов тепла. После вывода уравнения теплового баланса для городских территорий, в котором учитывались такие параметры, как радиационный баланс, антропогенный приток тепла, потоки тепла в почву и турбулентные потоки, учёные предприняли попытки смоделировать особенности городского микроклимата.

Этот подход впервые был применен в работе Мирапа в 1969 году (Myrup, 1969). Для подстилающих поверхностей, имеющих простую структуру, каждое из слагаемых этого уравнения теплового баланса может быть рассчитано путем использования доступных метеорологических данных. В упоминаемой работе была впервые создана простая энергобалансовая модель подстилающей поверхности, в которой на каждом счетном шаге рассчитывалась температура подстилающей поверхности. Автор работы путем изменения параметров подстилающей поверхности получил довольно успешный инструмент для моделирования городского острова тепла. Но при этом ещё не было возможности учитывать такие параметры подстилающей поверхности как альбедо, шероховатость, теплоёмкость и теплопроводность.

В 1975 году Тим Оке в своей работе первым исследовал роль зданий и других элементов подстилающей поверхности в городах (Оке, 1975). Он рассматривал нижнюю часть атмосферного пограничного слоя (располагающаяся ниже уровня крыш зданий) как составляющую часть Городского Подслоя (Urban canopy Layer). Измерения, произведенные в этом подслое, тесно связаны с окружающей городской средой, а процессы радиационного обмена в основном зависят от геометрических характеристик городского ландшафта – улиц, площадей, стен зданий. Таким образом, основным объектом изучения городской метеорологии стал так называемый городской каньон – наиболее упрощенная геометрическая форма, характерная для застройки улицы в профиль, имеющей два борта (стены домов) и днище (сама улица). Ключевые параметры такой структуры – соотношение высоты бортов к ширине днища и азимутальная ориентация осевой линии (Konctantinov, 2011).

Рис 3. Суточный ход различных составляющих теплового баланса для восточно-ориентированной стены городского каньона, по осредненным часовым данным для 9-11 сентября 1973 года. (Nunez and Oke, 1977).

Рис 3. Суточный ход различных составляющих теплового баланса для восточно-ориентированной стены городского каньона, по осредненным часовым данным для 9-11 сентября 1973 года. (Nunez and Oke, 1977).

Первые измерения различных составляющих энергетического баланса в городском каньоне были произведены в 1977 году Тимом Оке и Марио Нуньесом (Nunez and Oke, 1977). Удалось впервые получить четкую количественную информацию о процессах энергообмена, происходящих в городском каньоне. Например, они было установлено, что в суточном ходе составляющих теплового баланса есть два пика – один связан с максимумом приходящей прямой солнечной радиации, второй – с отражением от противоположной стены. С 80-х годов ХХ века, городской каньон стал важным объектом изучения городского подслоя и процессы в нем являются объектом как численного, так и физического моделирования.

Прогресс в изучении городского острова тепла потребовал серьезного уточнения термических характеристик строительных материалов, от которых зависит внутренний теплообмен и учета геометрических характеристик городского каньона. Но на данном этапе развития науки и техники термический режим городских ландшафтов не мог быть с достаточной степенью определён и спрогнозирован, спутниковые наблюдения давали лишь информацию о крышах и поверхности улиц, игнорируя данные о вертикальных поверхностях (стенах) (Konctantinov,2011).

Рис.4 План городского каньона

Рис.4. План городского каньона

В 1987 году Оке (Оке, 1987) предложил изучать различные метеорологические эффекты как функцию от отношения высоты зданий H к ширине улиц между ними W. Было определена зависимость мощности городского острова тепла от безразмерного параметра городского застройки H/W. Параметр H/W по сути определяет интенсивность переизлучения длинноволнового излучения в ночное время, что и влияет на амплитуду температур между городскими районами и пригородами.

Помимо непосредственных измерений и изучения эффекта острова тепла, в отдельных исследованиях изучалось качественного и количественного влияния города на окружающую территорию. Например, в работе Ловри (Lowry, 1977) было исследовано влияние города на прилежащие территории, в зависимости от синоптических условий.

Это положило начало новому этапу развития городской метеорологии, продолжающемуся и сейчас, — непосредственному моделированию метеорологического режима городских ландшафтов. Для решения этих вопросов создания отдельных моделей, к которым применяются различные параметры городской среды.

Особенности городского микроклимата (Kratcer, 1958).

Основными причинами формирования специфичных для той или иной территории климатических условий являются особенности атмосферной циркуляции, определяющие сезонный ход и повторяемость синоптических ситуаций на этой территории, а также ее способность создавать собственные, более мелкие циркуляционные механизмы, трансформируя свойства приходящих на эту территорию воздушных масс.

В городах трансформация воздуха связана, с изменением структуры теплового баланса, приводящего к поступлению в приземный слой атмосферы определенного количества тепловой энергии. Поэтому достаточно большие по площади застроенные территории формируют особые климатические условия, отличные от климатических условий окружающих их природных ландшафтов. Важнейшими с точки зрения архитектурно-климатического анализа климатическими характеристиками являются: солнечная радиация (прямая и рассеянная); температурно-влажностный режим; облачность и количество осадков; направление и скорость ветра, характер его порывистости и повторяемость штилей. Эти климатические параметры в комплексе и каждый сам по себе влияют на режим и условия эксплуатации зданий, сооружений, инженерной и транспортной инфраструктуры города. В этой главе и расскажу про каждый, из этих климатических параметров.

Структура теплового баланса

Аномалии в структуре теплового баланса подстилающей поверхности являются основными причинами формирования специфических мезо- и микроклиматических условий. На территории городов такие изменения выражены особенно сильно и имеют свою специфику по сравнению с естественными природными ландшафтами. Количественные характеристики этих изменений зависят от размера города, преобладающих типов застройки и природно-климатических условий, в которых город расположен. Поскольку для различных городов упомянутые характеристики могут различаться, ведущие причины изменения теплового баланса также могут быть различными. Схематическая структура теплового баланса деятельного слоя (ДС) представлена в общем виде может быть записана в виде уравнения:

Вт = Bр + Еа – Ез ± Р ± LE + QА ± а, (3.1), где

В — тепловой баланс всех тепловых потоков на поверхности ДС (итоговый); Bр — баланс коротковолновой радиации; Ед — встречное длинноволновое излучение атмосферы; Ез — длинноволновое излучение поверхности; Р — контактный теплообмен деятельного слоя земной поверхности (ДС) с атмосферой; LE — скрытый теплообмен, обусловленный фазовыми переходами воды (испарение и конденсация) на поверхности ДС; QA — техногенный тепловой баланс; а — теплообмен с нижележащими слоями почвы (воды, грунта и т.д.).

В среднем за год величину теплового баланса для участка суши в естественных условиях можно считать равной нулю, т.е. количество накопленного за год тепла в теплый период равно количеству тепла, переданного в окружающее пространство в холодный период года. В границах территорий, вовлеченных в хозяйственную деятельность, поступление тепла происходит не только за счет притока солнечной радиации, но и за счет антропогенного фактора — использования энергоресурсов. В городах это использование тепла, электроэнергии и топлива на отопление и водоснабжение.

  1. Радиационный баланс.

Важнейшим фактором, определяющим климатические условия является радиационный баланс. Для поверхности деятельного слоя на радиационный баланс влияют: прямая и рассеянная солнечная радиация, приходящая на поверхность ДС, альбедо; эффективное излучение Земли.

В течение большей части года (за исключением ноября—февраля) на широте Московского региона радиационный баланс положителен. Это означает, что в целом земная поверхность получает лучистого тепла больше, чем отдает его атмосферу и мировое пространство. На территории города все составляющие радиационного баланса изменяются под воздействием естественных причин (рельефа, характера подстилающей поверхности) и хозяйственной деятельности — прямая солнечная радиация ослабляется за счет увеличения содержания в воздухе аэрозолей, химического загрязнения атмосферы и увеличения общей облачности; рассеянная солнечная радиация, напротив, увеличивается за счет тех же факторов.

В городской климатологии используют данные о суммарной, прямой и рассеянной радиации. По данным многолетних наблюдений, прямая солнечная радиация, измеренная в центре города при диске Солнца, не закрытом облаками, в суточном ее ходе в среднем на 10% меньше, чем за городом. Зимой суммы прямой солнечной радиации при ясном небе в городе меньше, чем в пригороде, на 20%.

  1. Альбедо и поглощенная радиация

Свойство деятельной поверхности поглощать приходящую к ней солнечную радиацию— альбедо является фактором, определяющим размер тепловых ресурсов деятельного слоя и влияющим на размер потоков явного и скрытого тепла и собственное излучение земной поверхности. В архитектурной климатологии воздействие на альбедо является одним из эффективных способов регулирования теплового ре я жима городской территории. Для определения альбедо городской застройки требуется расчет альбедо отдельных его частей. Каждая из таких частей состоит из разнородных по отражательной способности элементов. Например, для стен зданий это различные по характеру отделки и окраски участки фасадов, остекление. Поступающая внутрь городской застройки солнечная радиация, падая на различные поверхности (грани), последовательно отражается и передается на другие ее грани, теряя при каждом переотражении часть своей энергии. В результате при каждом переотражении дополнительно поглощается какая-то часть этой радиации и общее поглощение радиации каждой из граней становится больше, чем у аналогичной по отражательной способности грани в случае, если бы она была расположена на открытом пространстве.

Альбедо поверхности изменяется в результате строительства искусственных поверхностей, применения кровельных материалов с поглощающими и отражающими свойствами, отличающимися от естественных поверхностей.

  1. Затраты тепла на испарение.

В естественных условиях затраты тепла на испарение являются одной из основных расходных частей теплового баланса земной поверхности. Городская застройка воздействует на испарение вследствие нарушения естественного водного баланса поверхности водосборов, уменьшая величину слоя испарения за счет сокращения испаряющих площадей и отвода части поверхностного стока сетями ливневой канализации. Изменение уровня и режима питания грунтовых вод происходит за счет перераспределения площадей водосбора с различными коэффициентами стока.

Около 40% от годового количества осадков, выпадающих в крупном городе на канализованную территорию, перехватываются ливневой канализацией и, таким образом, изымаются из величины естественного водного баланса. Уменьшение слоя испарения и транспирации с этой территории за теплый период, по сравнению с естественными условиями, составляет примерно треть.

4. Техногенный тепловой баланс

Коммунальное хозяйство, промышленность и транспорт создают колоссальную электрическую и тепловую нагрузку на топливно-энергетическое хозяйство городов. Покрытие этой нагрузки требует расхода огромного количества топлива, что, в свою очередь, приводит к масштабному воздействию на состояние городской среды — в частности, к ее химическому и тепловому загрязнению и, как следствие, изменению микроклимата города. Считается, что в крупных городах, расположенных в средних и высоких широтах, потоки тепла техногенного происхождения по своим размерам сопоставимы с радиационным балансом.

В техногенном тепловом балансе города можно условно выделить 3 основные приходные части, связанные с прямым выделением тепла в окружающее пространство:

1) прямое энергопотребление, состоящее в сжигании органического топлива для выработки тепла и электроэнергии, а также получения механической энергии;

2) метаболическое тепловыделение;

3) термическое уничтожение органической части отходов товарно-сырьевой массы, используемой городом в хозяйстве и промышленности. Среди перечисленных приходных частей теплового баланса прямое энергопотребление играет доминирующую роль.

В тепловом балансе системы «город—атмосфера» участвует не только явное тепло, выкатываемое объектами теплоэнергетики, но и скрытая теплота конденсация и кристаллизации водяного пара, являющегося одним из основных продуктов сгорания природного газа. Теплота конденсации массы пара составляет более 10% тепла, выделяющегося при сжигании газа.

5. Ветровой режим

Ветер возникает в результате различий атмосферного давления в разных точках земной поверхности. Изменение ветрового режима под влиянием городской застройки подчиняется довольно сложным законам термодинамики. Влияния городской застройки не одинаковы на разных участках и зависят от плотности застройки, ее высотности, контрастности и других морфометрических показателей.

Сама по себе городская застройка, имея более высокий коэффициент шероховатости, чем большинство природных ландшафтов, снижает скорость воздушного потока у земли, хотя за счет повышенной теплоотдачи в атмосферу город создает мезомасштабную термическую конвекцию, что может усиливать скорость ветра на фоне штилевых условий.

Есть и более сложные механизмы косвенного влияния городов на скорость ветра, например — стимулирование образования кучевой облачности за счет эмиссии ядер конденсации и, как следствие, усиление скорости ветра при прохождении этих облаков над городскими районами. Таким образом, нельзя говорить только о снижении скорости ветра в городах. Сравнение характеристик скорости ветра, по данным наблюдений в городах и их пригородах, показывает, что средние значения в городе, как правило, ниже. В среднем за год снижение скорости ветра в крупных городах по сравнению с их окрестностями составляет 30%, а количество штилей возрастает на 20% .

Ветровой режим — из важнейших климатических характеристик, определяющих размер, форму и композицию зданий и сооружений и жизнедеятельности людей. С градостроительной точки зрения ветровой режим определяет ширину и направление улиц, взаиморасположение функциональных зон относительно друг друга, размещение предприятий относительно жилых районов и мест организованного отдыха и т.д. Обеспечение ветрового комфорта городской территории является одной из основных задач городской климатологии. Существенное экологическое и архитектурно-строительное значение имеет вертикальный профиль скорости ветра, который отражает зависимость скорости от высоты над поверхностью земли. За счет сил трения с элементами рельефа, зелеными насаждениями, зданиями и другими искусственными сооружениями в приземном слое скорость ветра всегда ниже, чем на высоте, в свободной атмосфере.

Ещё одна интересная особенность: за счет образования на территории города «острова тепла» город формирует свою мезомасштабную атмосферную циркуляцию по циклоническому типу. За счет этого на фоне размытого барического поля над территорией больших городов, летом может образовываться барическая депрессия, в которой скорость ветра может быть выше (1—3 м/с), чем на окружающих город территориях. На окраинах города также может наблюдаться мезомасштабная циркуляция «бризового» типа: днем и вечером ветер дует из пригородов к центру города за счет возникающей над городом термической конвекции.

Факторы, влияющие на тепловой баланс и  микроклимат города

Факторы, влияющие на тепловой баланс и микроклимат города

Значение «Островов тепла»

Выделяют следующие причины возникновения островов тепла:

1. Поступающие в атмосферный воздух различные примеси от производственных объектов, транспорта и других источников загрязнения атмосферы снижают прозрачность атмосферы, что приводит к уменьшению прямой солнечной радиации. В то же время увеличивается рассеянная радиация, что в сочетании с техногенной эмиссией тепла приводит к появлению местного «парникового эффекта».

2. В результате застройки интегральное альбедо территории городов, как правило, уменьшается и, следовательно, увеличивается доля поглощенной солнечной радиации по сравнению с фоновыми территориями.

3. В городах на нужды теплоснабжения, транспортное обслуживание и технологические процессы расходуется большое количество энергоресурсов. Большая часть вырабатываемого техногенного тепла на территории города попадает в окружающее пространство, приводя к их нагреванию.

4. За счет сокращения площадей с открытым почвенным покровом и зелеными насаждениями снижается расход тепла на испарение, что приводит к росту теплового баланса.

5. Внутри застроенных территорий формируются зоны застоя воздуха, которые препятствуют турбулентному перемешиванию приземного слоя атмосферы и выносу избыточного тепла в ее вышележащие слои. За счет ухудшения условий турбулентного перемешивания теплоотдача застройки уменьшается по сравнению с незастроенными территориями.

Интенсивность островов тепла, зависит от их размеров, количества жителей, плотности застройки и естественных природно-климатических условий местности, на которой расположены эти города. Чем больше город, тем значительнее в нем положительная аномалия температуры воздуха. В климатическом выражении для малых и средних городов умеренной зоны контраст температуры город- пригород составляет величину 1-2°С в среднем за год. Для крупных и крупнейших городов, таких как Москва или Лондон интенсивность островов тепла увеличивается, и может достигать 10°С

Особенности развития острова тепла имеют города, расположенные в различных географических зонах. Эти особенности обусловлены как природно-климатическими факторами, так и преобладающим типом застроек, уровнем потребления энергоресурсов. Говоря о суточной изменчивости максимальная разница температур между городом и фоновой территорией, как правило, наблюдается около полуночи, минимальная — в утренние дополуденные часы.

Остров тепла

Остров тепла. Максимум аномалии температур наблюдается в центре города, минимум — на наветренной периферии. Максимум –в полночь, минимум— утром; Максимум весна, осень, минимум — в начало зимы; Есть различие по географическим зонам. Интенсивность «острова» зависит от плотности застройки, количества жителей

В годовом ходе остров тепла получает максимальное развитие в весенние месяцы, минимальное — в конце осени и начале зимы. Рост аномалий температуры в весенние месяцы связан с более ранним сходом снежного покрова в городах по сравнению с естественными ландшафтами и, как следствие, более ранним и интенсивным прогревом подстилающей поверхности. В предзимье на фоне сезонного похолодания разность температур город—пригород нивелируется активностью синоптических процессов, в которых температура воздуха определяется, в основном, адвективными факторами и, в меньшей степени, разницей в величине радиационного и теплового балансов. В Москве, например, по данным наблюдений МО МГУ, в весенние месяцы среднесуточная температура воздуха на 1°С превышает температуру воздуха в областных районных центрах (Дмитров, Можайск, Серпухов), а в ноябре — лишь на 0,3°С при средней за год положительной аномалии 0,67°С.

Пространственная неоднородность температуры воздуха в пределах территории города связана с неоднородностью распределения по его территории факторов, определяющих характер и интенсивность трансформации приземного слоя воздуха — неоднородностью тепло физических свойств подстилающей поверхности и процессов, на ней протекающих. В большинстве городов к центру увеличивается плотность застройки, а следовательно, и плотность потребителей тепловой и других видов энергии. Площадь зеленых насаждений — наоборот, снижается. Поэтому типичным считается распределение положительных аномалий температуры воздуха, при котором максимум наблюдается в центре, минимум — на наветренной периферии. На подветренной периферии, куда шлейфом распространяется нагретый в центре города воздух, температура несколько выше.

Экономическое значение острова тепла. Экономия на отоплении разных районов города

Экономическое значение острова тепла. Экономия на отоплении разных районов города

Изучение микроклимата Арктических городов

На фоне глобального изменения климата Арктический регион выделяется особенно ярко: согласно оценочным докладам IPCC [Межправительственной группы экспертов по изменению климата] скорость повышения температуры в этом регионе выше, чем в среднем по Земному шару [а также зимы становятся мягче много быстрей, чем теплеет летом, лишь в последнее время всё чаще случаются летние «волны жары», исследованные автором. Прим.публикатора] (IPCC, 2001 г.; IPCC, 2013 г.).

и1

IPCC, 2013

и2

Доклад Росгидромета, 2008

Температура как климатический ресурс во многом определяет условия жизни человека и возможность хозяйственного освоения территорий. Но на самочувствие каждого индивидуума влияет не только температура, а весь комплекс метеорологических факторов окружающей среды, поэтому для оценки ее воздействия на человека, его здоровье и продолжительность жизни используют так называемые биоклиматические индексы термического комфорта. Это климатические показатели, характеризующие состояние комфортности, при котором складывается оптимальный уровень физиологических функций организма, в то время как человек не ощущает ни жары, ни холода (Исаев, 2003).

Согласно Исаеву,

«термический комфорт возникает тогда, когда складываются такие метеорологические условия, при которых терморегуляторная система организма испытывает наименьшее напряжение, то есть имеет место физический покой».

Помимо общеизвестных проблем (таяние морских льдов, вечной мерзлоты и т.д.) изменение климата в Арктике приведёт к изменению комфортности среды, которое во многом определяет условия жизни человека и возможность хозяйственного освоения территорий.

Исследованные города

Исследованные города

В России в городах проживает около 74% населения, в Арктической зоне из-за специфики её освоения эта цифра доходит до 85%. Поэтому актуальным вопросом в прикладной биоклиматологии можно считать оценку условий термического комфорта не только в среднем для территории, но и для урбанизированных территорий отдельно, где помимо общего потепления климата, сильно сказывается действие городских островов тепла, а также проживает большая часть населения региона.

Это тем более важно, поскольку для Арктического региона на настоящий момент не существует никаких данных о современной климатологии комфортности непосредственно в городах: подобные исследования проводились лишь в середине ХХ века при районировании Арктики и Крайнего Севера. Но для оценки изменения климата и термического комфорта Арктических городов существует проблема того, что почти во всех городах метеостанции находятся вне городской черты и не могут характеризовать метеорежим всего города полностью. Проще говоря, из-за расположения метеостанций в Арктике почти не существует надежных данных о климате именно городских территорий.

Места получения климатических данных Роскомгидрометом в 1966-2017 (все вне городов)

Места получения климатических данных Роскомгидрометом в 1966-2017 (все вне городов)

Изучение разных аспектов термической комфортности в Арктическом регионе позволит получить данные о современной климатологии комфортности, о тенденциях её изменения и спрогнозировать характеристики среды в будущем климате. Эти данные могут быть использованы для климатической и экономической оценки региона и для планирования новых и перепланировки уже существующих населенных пунктов Арктической зоны РФ в условиях изменившегося климата.

Снимок экрана от 2020-11-17 17-28-21салехард

Комфортность климата и методы её оценки

Погодно-климатические условия природной среды продолжают оставаться среди факторов окружающей среды, во многом определяющих условия проживания, характер хозяйственной деятельности людей и комфортность пребывания человека на протяжении всей его жизни.

На самочувствие каждого индивидуума влияет не только температура, а весь комплекс метеорологических факторов окружающей среды, поэтому для оценки ее воздействия на человека, его здоровье и продолжительность жизни используют так называемые биоклиматические индексы термического комфорта. Это климатические показатели, характеризующие состояние комфортности, при котором складывается оптимальный уровень физиологических функций организма, в то время как человек не ощущает ни жары, ни холода. (Исаев, 2003). Согласно Исаеву [2],

«термический комфорт возникает тогда, когда складываются такие метеорологические условия, при которых терморегуляторная система организма испытывает наименьшее напряжение, то есть имеет место физический покой».

В ХХ веке учёными были открыты законы оптимальных критериев для существования человека в окружающей среде, то есть критерии комфортности. Они характеризуют состояние ощущения комфортности, при котором терморегуляционная система человека находится в состоянии покоя. В качестве основных факторов, влияющих на ощущение комфортности человека выступают такие параметры, как энергобаланс человека с окружающей средой, определяемый различными видами теплообмена: турбулентный, лучистый и конвективный теплообмен, теплоотдача испарением, и критерии микроклимата окружающей среды: температура и влажность воздуха, скорость ветра, содержание кислорода в воздухе, определённый уровень физиологической активности человека т.д. (Исаев, 2003)

Для того, чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и как следствие к потере трудоспособности, быстрой утомляемости, потери сознания (Исаев, 2003). Доказано, что нахождение при некомфортной температуре, то есть перегревание и переохлаждение организма ведут к нарушениям в работе его жизненных функций, например, терморегуляции (Исаев, 2003)

Были рассчитаны диапазоны комфортных температур для многих ситуаций и для многих живых организмов. Эти диапазоны были подтверждены с помощью социологических опросов и экспериментальных опытов. Знание этих диапазонов позволило изучить карту мира с точки зрения термического комфорта. Зоной климатического комфорта принято считать довольно узкий интервал температур порядка 15—23° С, который несколько различен в странах с разным влажностным и ветровым режимом. Наиболее благоприятный климатический эталон соответствует среднегодовой температуре воздуха 10° С. Проживание при температуре ниже и выше этих величин связано с определенными дополнительными условиями (утепление или охлаждение организма и помещений) (Борисенков, 1982).

Было установлено, что зона комфорта по метеорологическим параметрам не стандартна для всех людей, она зависит от ряда условий, таких как время года и климатический пояс, определяющие ход метеоэлементов, пол и возраст человека, его индивидуальные физиологические и психоэмоциональные характеристики, определяющие скорость его метаболизма и количество энергии, необходимое для поддержания им постоянной температуры внутренних органов, количество одежды на нём и уровне физической нагрузки.

Во второй половине ХХ века начали появляться математические модели для расчёта индексов показателей физиологической комфортности (Matzarakis, 1999). В качестве входных параметров они используют физиологические и метеорологические параметры, рассчитывая энергетического баланса человека и комфортность микроклимата среды вокруг человека. Возможности таких моделей довольно велики: от расчёта самых простых индексов до ответа на вопрос, комфортно ли будет человеку при заданных параметрах на определённой улице при различной физической нагрузке.

Сейчас наиболее часто используемым и наиболее компетентным методом оценки комфортности является расчёт показателей и условий термической комфортности для разных категорий людей в разных районах города с разным характером застройки вплоть до расчета комфортности внутри жилых дворов, учитывая потоки тепла и энергии между человеком и средой, все основные метеопараметры и физиологические параметры людей.

По данным Всемирной организации здравоохранения и Всемирной продовольственной организации 10% населения Земли проживает в экстремальных климатических условиях (Борисенков, 1982). При изменении климата Арктического региона изменяется и его комфортность: при улучшении комфортности Арктического региона улучшится условия проживания и возможность хозяйственного освоения обширных территорий, которые сейчас по большей части почти не используются. Но при этом в регионе может увеличиться повторяемость тепловых волн и тропических ночей, к чему население Арктики может быть физиологически не готово.

Как уже было сказано, нельзя судить о климате всего города по данным с одной пригородной метеостанции, и для этого нужно иметь хотя несколько метеостанций внутри города. Объективно говоря, мы не можем восстановить изменение метеопараметров в городе за последние пол века. Поэтому мы переходим к оценке изменения условий термической комфортности, как изменения совокупности метеопараметров в городах Заполярья.

Биоклиматические индексы термического комфорта

Для оценки влияния воздействия окружающей среды на человека, его здоровье и продолжительность жизни используют биоклиматические индексы. Они необходимы, так как метеорологические и климатические показатели влияют на эту оценку не по отдельности, а в совокупности. За последние полтора века были разработаны около 100 таких индексов, большинство из которых учитывают только 2 — 3 параметра состояния окружающей среды. Наиболее современные и компетентные индексы основаны на представлении об энергетическом балансе человека и влиянии на него метеорологических факторов (Мягков, 2007).

В зависимости от сочетания элементов, входящих в биоклиматические индексы, их условно можно разделить на температурно — влажностные, температурно-ветровые и температурно-влажностно-ветровые типы (Исаев, 2003). Целью большинства из них является определение тепловых ощущений, которые возникают у человека под воздействием тех или иных значений метеорологических факторов при различной физической нагрузке. Также существует классификация индексов по местоположению человека в пространстве и уровню воздействия на него метеорологических параметров.

К первой группе, относятся индексы, описывающие теплоощущения человека, находящегося в здании. Для этих индексов стандартными являются параметры человека в возрасте около 35 лет, находящемуся в состоянии легкой физической нагрузки и одетому на уровне 1 Кло (легкий костюм или платье). «Работают» данные индексы при скоростях ветра, в основном, до 0,3—0,5 м/с и предназначены для создания оптимально комфортных условий внутренней среды (Мягков, 2007)

Вторая группа описывает индексы, характеризующие теплоощущения человека, находящегося на открытом пространстве. Как правило, это показатели условий комфортности, которые применяются в архитектурно-климатическом анализе. Особенность таких показателей состоит в том, что они выражаются не через некоторую «приведенную» температуру, характеризующую тепловые ощущения человека, а определяют диапазон значений метеорологических факторов, при комплексном воздействии которых человек будет чувствовать себя относительно комфортно на открытом пространстве застройки или в условиях естественного ландшафта. Такие показатели преимущественно распространены в архитектурной климатологии (Мягков, 2007).

Третья группа включает в себя индексы экстремального воздействия, которые идентифицируют сочетания метеорологических параметров, воздействующих на организм человека не просто дискомфортно, а являющихся опасными для здоровья и жизни. Эти индексы считаются самыми упрощенными из всех индексов. Как правило, они учитывают не более двух параметров (Мягков, 2007).

В данной работе использованы наиболее современные, наиболее корректные и полные и физиологически обоснованные индексы. Ниже приведено их описание.

Физиологическая- эквивалентная температура – PET Универсальный индекс теплового комфорта – UTCI Модернизированная физиологическая - эквивалентная температура – mPET Жёсткость погоды – Wind chill

Физиологическая- эквивалентная температура – PET
Универсальный индекс теплового комфорта – UTCI
Модернизированная физиологическая — эквивалентная температура – mPET
Жёсткость погоды – Wind chill

Эквивалентно-физиологическая температура

Эквивалентно-физиологическая температура (PET) — температура воздуха, при которой для обычных комнатных условий тепловой баланс человеческого тела остается неизменным со значениями температуры внутренних органов и температуры кожи для данной ситуации (Константинов, 2014). За обычные комнатные принимается следующая совокупность условий:

  • средняя радиационная температура, равная температуре воздуха (Tmrt=Ta),

  • скорость ветра – 0,1 м/с,

  • парциальное давление водяного пара – 12 гПа.

Это показатель, характеризующий комплексное воздействие на человека температуры, влажности воздуха, скорости ветра и учитывающий степень физиологической активности. Он рассчитывается на основе уравнения теплового баланса человека, характеризующего потоки тела, действующие на человека и коэффициентов, характеризующих параметры человека. Показатель выражается в градусах Цельсия.

Иллюстрация действия индекса РЕТ в сборнике Innova Air Tech Instruments A/S

Иллюстрация действия индекса РЕТ в сборнике Innova Air Tech Instruments A/S. Физиологическая- эквивалентная температура (PET) — температура воздуха, при которой для обычных комнатных условий тепловой баланс человеческого тела остается неизменным со значениями температуры внутренних органов и температуры кожи для данной ситуации.

Вычисление индекса PET состоит из следующих шагов:

1) расчёт термических параметров тела человека с помощью модели MEMI для рассматриваемых метеорологических параметров (Höppe, 1999);

2) подстановка получившихся значений средневзвешенной температуры кожи и внутренней температуры и решение системы уравнений, состоящей из уравнения теплового баланса человека (3):

Где M – скорость обмена веществ (внутренняя выработка энергии), W – теплоотдача при физической работе, R – радиационный баланс тела, C – конвективный поток тепла, ED – скрытый поток тепла, расходуемый на потоотделение, ERe – сумма тепловых потоков для нагревания и увлажнения вдыхаемого воздуха, ESw – поток тепла, расходуемый на испарение пота, S — поток тепла, который сохраняется для нагревания или охлаждения масса тела.

mPET – самый современный тепловой индекс, основанный на физиологических параметрах человека.   Он преобразован из индекса РЕТ, но основан на другом уравнении теплового баланса человека. Сейчас это самый универсальный индекс, который лучше всего оценивает термический комфорт  в разных климатических зонах и           в разные  периоды года

mPET – самый современный тепловой индекс, основанный на физиологических параметрах человека.
Он преобразован из индекса РЕТ, но основан на другом уравнении теплового баланса человека. Сейчас это самый универсальный индекс, который лучше всего оценивает термический комфорт в разных климатических зонах и в разные периоды года

У отдельных параметров в данном уравнении есть положительные знаки, если их результатом является выработка энергии для тела и отрицательные знаки в случае энергетической потери (M — всегда положительное, а W, ED и ESw всегда отрицательны). Единицей измерения всех потоков тепла является Ватт.

Индивидуальные потоки тепла в уравнении контролируются следующие метеорологическими параметрами:

  • Температура воздуха: С, ERe;

  • Влажность воздуха: ERe, ED, ESw;

  • Скорость ветра: ESw, С;

  • Радиационная температура: R.

Дополнительные термо-физиологические параметры:

  • Термостойкость одежды (CLO);

  • Деятельность человека (Ватты) (Höppe, 1999).

Уравнение, описывающее поток тепла , направленный через слой одежды от кожи тела к поверхности одежды:  Снимок экрана от 2020-11-16 18-23-44

Получившееся значение температуры воздуха эквивалентно PET.

Эквивалентно-физиологическая температура является наиболее подходящим индексом для оценки теплового комфорта в уличных условиях: в нем учтено полное уравнение теплового баланса, температура внутренних органов, интенсивность потоотделения, влажность кожи, а также метеорологические параметры. Данный индекс является универсальным, он может быть использован для всех типов климата и как для каждого индивидуума в отдельности, так и для среднестатистического человека. Также этот индекс широко применяют для оценок рекреационного потенциала и городского планирования в целом.

Градации индексов

Градации индексов

На рисунке 6 показаны градации индекса РЕТ и уровней физиологического воздействия для среднестатистического мужчины, по характеристикам которого вычисляются значения индекса РЕТ по умолчанию.

Рис.6. Градации индекса РЕТ и уровней физиологического воздействия для среднестатистического европейского мужчины РЕТ – это мера теплового ощущения находящегося в покое человека.  Индекс рассчитывается с учётом уравнения теплового баланса человека:  +++++++=0   M - скорость обмена веществ (внутренняя выработка энергии),  W – теплоотдача при физической работе,  R – радиационный баланс тела,  C - конвективный поток тепла,   ED- скрытый поток тепла, расходуемый на потоотделение, ERe - сумма тепловых потоков для нагревания и увлажнения вдыхаемого воздуха, ESw – поток тепла, расходуемый на испарение пота  	S - поток тепла, который сохраняется для нагревания или охлаждения масса тела

Рис.6. Градации индекса РЕТ и уровней физиологического воздействия для среднестатистического европейского мужчины
РЕТ – это мера теплового ощущения находящегося в покое человека. Индекс рассчитывается с учётом уравнения теплового баланса человека:
+++++++=0
M — скорость обмена веществ (внутренняя выработка энергии),
W – теплоотдача при физической работе,
R – радиационный баланс тела,
C — конвективный поток тепла,
ED- скрытый поток тепла, расходуемый на потоотделение,
ERe — сумма тепловых потоков для нагревания и увлажнения вдыхаемого воздуха,
ESw – поток тепла, расходуемый на испарение пота
S — поток тепла, который сохраняется для нагревания или охлаждения масса тела

В 2018 году медиками и математиками было проведено исследование, в результате которого оказалось, что именно этот индекс наиболее хорошо коррелирует со смертностью (Shartova et.al, 2018).

Относительные риски смертности (RR) во время аномально-жаркой погоды, идентифицированной по различным биоклиматическим индексам  (Shartova et al., 2018)

Относительные риски смертности (RR) во время аномально-жаркой погоды, идентифицированной по различным биоклиматическим индексам (Shartova et al., 2018)

Этот индекс был выбран, так как он хорошо характеризует комфортность среды в тёплый период года: в Арктическом регионе важно оценить вклад летних температур в общее потепление климата, и может выявить уровни теплового воздействия среды (теплового стресса), если они существуют.

Wind chill или «Охлаждение ветром» - показатель, отражающий ощущения человека при одновременном воздействии на него ветра и пониженной температуры. Оценивается субъективное ощущение человеком температуры воздуха на открытом участке кожи c учетом скорости ветра

Wind chill или «Охлаждение ветром» — показатель, отражающий ощущения человека при одновременном воздействии на него ветра и пониженной температуры. Оценивается субъективное ощущение человеком температуры воздуха на открытом участке кожи c учетом скорости ветра

Универсальный индекс теплового комфорта

Следующий выбранный индекс это UTCI, то есть универсальный индекс теплового комфорта. Упрощенно говоря, индекс UTCI может быть определен в качестве концепции эквивалентной температуры для данной комбинации ветра, радиации, влажности и температуры воздуха – как совокупности базовых условий, с которыми впоследствии сравнивается температура воздуха в эталонных условиях влажности, радиации и скорости ветра. При сравнении получается значение «индекса деформации» или шкалы ощущений (Jendritzky et al., 2009).

Рис 3.3. Иллюстрация модели индекса UTCI. UTCI – это универсальный индекс теплового комфорта.  Это концепция «эквивалентной температуры»: он включает определение базового условия, с которым будут сравниваться все другие климатические условия.

Рис 3.3. Иллюстрация модели индекса UTCI. UTCI – это универсальный индекс теплового комфорта.
Это концепция «эквивалентной температуры»: он включает определение базового условия, с которым будут сравниваться все другие климатические условия.

Шкала оценки для этого индекса была разработана на основе смоделированных физиологических реакций и включает 10 категорий, которые варьируются от экстремального холодового стресса до экстремального теплового стресса (Табл. 1).

Таблица 1 Градации индекса UTCI

Значение индекса UTCI

Класс физиологического воздействия

более +46

экстремальный тепловой стресс

+38…+46

очень сильный тепловой стресс

+32…+38

сильный тепловой стресс

+26…+32

умеренный тепловой стресс

+9…+26

отсутствие стресса

(комфортное состояние)

0…+9

слабый холодовой стресс

0…-13

умеренный холодовой стресс

-13…-27

сильный холодовой стресс

-27…-40

очень сильный холодовой стресс

менее -40

экстремальный

холодовой стресс

 Этот индекс универсальный, так как может объективно оценивать и тепловой, и холодовой стресс. Благодаря ему можно изучать динамику разных показателей дискомфорта в арктическом регионе.

Заключение

Сейчас основными направлениями развития городской климатологии являются моделирование воздействия синоптических условий на микроклимат города, расчёт метеорологических характеристик, влияющих на эксплуатацию зданий и городов и на их эффективное функционирование. Так же в последние десятилетия активно развивается такое направление, как биометеорология, изучающая влияние метеорологических параметров на продолжительность жизни людей, термический комфорт, и т.д.

Индекс UTCI в Салехарде и Воркуте

Индекс UTCI в Салехарде и Воркуте

Можно сделать следующие выводы об островах тепла. Острова тепла представляют собой образование аномальных высоких температур внутри городов, по сравнению с фоновыми территориями. Это сложные системы, зависящие от многих природно — климатических и антропогенных факторов. Появление островов тепла неизбежное следствие влияния урбанизации, которое нужно изучать, так как его наличие влияет на здоровье и жизнедеятельность людей.

Знание об островах тепла можно применять. Например, в экономике: знание о наличии аномально высоких температур может помочь сэкономить немалое количества топлива, которое идёт на обогрев зданий.

Приложение.

Изменения биоклиматических индексов в северных городах: холодовой стресс дополняется тепловым (не везде, в некоторых городах сменяется)

Распределение приземной температуры в Апатитах

Распределение приземной температуры в Апатитах

Снимок экрана от 2020-11-17 18-00-57Снимок экрана от 2020-11-17 18-01-17Снимок экрана от 2020-11-17 18-01-32Снимок экрана от 2020-11-17 18-03-08Снимок экрана от 2020-11-17 18-02-46Снимок экрана от 2020-11-17 18-03-28Снимок экрана от 2020-11-17 18-03-51Снимок экрана от 2020-11-17 18-04-10Снимок экрана от 2020-11-17 18-04-32Снимок экрана от 2020-11-17 18-04-55Снимок экрана от 2020-11-17 18-05-34Снимок экрана от 2020-11-17 18-05-50

Выводы

1. По изменению комфортности все города можно разделить на 2 группы: там, где тренды индексов РЕТ, mPET и UTCI растут быстрее, чем температура воздуха, и там, где этого не происходит.

2. Во всех городах наблюдается уменьшение количества дней с сильным холодовым воздействием и увеличение дней с  умеренным и сильным тепловым воздействием.

3. Максимум дней с холодовым стрессом приходится на январь.

4. Максимум количества дней с тепловым воздействием приходится на июль.

Список литературы:

  1. McCarthy, James J.Climate Change 2001: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.— New York Cambridge University Press, 2001.—ISBN 0-521-80768-9

  2. Oke TR. City size and the urban heat island. Atmos Environ 1973; Pp. 769–779.

  3. МГЭИК, 2013 г.: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Пятый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата, 2013 г
  4. А. А. Исаев «Экологическая климатология», 2003 г

  5. Белкин В.Ш. Экологические аспекты градостроительства / В.Ш. Белкин, Г.И. Полторак, В.И. Чикатунов. Душанбе, 1983. 35 с.

  6. Кратцер П. А., Климат города, пер. с нем., М., 1958

  7. Константинов П.И. Изменение летних условий микроклимата Московского мегаполиса в условиях глобального потепления, 2011

  8. Ландсберг Г.Е. Климат города. — Л.: Гидрометеоиздат. — 1983. — С. 248

  9. Мягков М.С., Губернский Ю.Д., Конова Л.И., Лицкевич В.К. Город, архитектура, человек и климат. — М.: Архитектура-С, 2007

  10. Ревич Б.А. Изменение здоровья населения России в условиях меняющегося климата // Проблемы прогнозирования. 2008. № 3. С. 140–150

  11. Ткачук С.В., Обзор индексов степени комфортности погодных условий и их

Примечания

1Реферат по МФК «Экология и устойчивое развитие города». Публикуется с любезного разрешения автора.

Об авторе Редактор