Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

И.А. Литвенкова
Экология городской среды: урбоэкология

Курс лекций. – Витебск: Издательство УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005 – 163 с.

Предыдущая

Тема 2. Город как урбоэкосистема

2. Микроклимат городской среды. Образование «острова тепла»

Города, особенно крупные, имеют свой микроклимат, существенно отличающийся от окружающей среды. На метеорологический режим города влияют следующие факторы: 1. изменение альбедо (отношение отраженной радиации к суммарной) земной поверхности, которое для застроенных районов обычно меньше, чем для загородной местности; 2. уменьшение средней величины испарения с земной поверхности; 3. выделение тепла, создаваемого различными видами хозяйственной деятельности; 4. увеличение в черте города шероховатости земной поверхности по сравнению с загородной местностью; 5. загрязнение атмосферы различными примесями, образуемыми в результате хозяйственной деятельности.

Таким образом, архитектурно-планировочные и техногенные особенности городской территории способствуют формированию местного климата, отличного от климата пригородных территорий (табл. 3).

Таблица 3

Различия климата в крупных городах и прилегающей сельской местности в средних широтах

Метеорологические факторы

В городе, по сравнению с сельской местностью

Радиация общая

на 15 – 20% ниже

Ультрафиолетовое излучение зимой

на 30% ниже

Ультрафиолетовое излучение летом

на 5% ниже

Продолжительность солнечного сияния

на 5-15% ниже

Температура среднегодовая

                       средняя зимняя

на 0,5 – 1,0 ºС выше

на 1 -2 ºС выше

Продолжительность отопительного сезона

на 10% меньше

Примеси

- ядра конденсации и частицы

- газовые примеси

в 10 раз больше

в 5 – 25 раз больше

Скорость ветра среднегодовая

                           штормовая

                           штили

на 20 – 30% ниже

на 10 – 20% ниже

на 5 – 20% чаще

Осадки суммарные

              в виде снега

на 5 – 10% больше

на 5% меньше

Число дней с осадками меньше 5 мм

на 10% больше

Количество облаков

на  5 – 10% больше

Повторяемость туманов зимой

                                          летом

на 100% больше

на 30% больше

Относительная влажность

                                              летом

                                              иногда

на 8% меньше

на 11 - 20% меньше

Грозы (частота)

в 1,5 – 2 раза меньше

Радиационный и тепловой баланс. Радиационный баланс земной поверхности, представляющий собой разность между приходящей в виде радиации солнечной энергии и собственным излучением земли как планеты, составляет 29 единиц. Это и есть именно та величина, которая расходуется собственно на "тепловые нужды" планеты Земля. Из этого количества наибольшая часть уходит на испарение воды с поверхности суши и океанов — 24%, остальное тепло расходуется на нагревание поверхности земли и приземного слоя атмосферы. Принято считать, что за длительное время тепловой баланс всей системы "земля-атмосфера" равен нулю, т.е. Земля как планета находится в состоянии теплового равновесия.

Рассматривая структуру теплового баланса в городе можно выделить следующие особенности:

- тепловой баланс в городе складывается из естественной и техногенной составляющих;

- каждая из этих составляющих имеет приходные и расходные части, однако принято считать, что в годовом цикле приходная и расходная части уравновешены;

- размер приходной части техногенной составляющей теплового баланса имеет тот порядок, что и исходная часть естественного баланса, однако говорить о сравнимости этих частей можно только в холодное время года, когда приход солнечной радиации минимален в годовом ходе, а расход энергоресурсов – наоборот, максимален;

- в теплое полугодие влияние городской застройки на тепловой баланс выражается, главным образом, в увеличении поглощенной части солнечной радиации за счет снижения альбедо территории города по сравнению с незастроенными территориями.

- солнечная радиация в условиях крупных промышленных центров оказывается пониженной вследствие уменьшения прозрачности воздуха, высокой застройки в узких улицах;

снижение альбедо городской застройки увеличивает приходную часть      -- теплового баланса на величину, имеющую больший размер, чем все приходные части техногенного теплового баланса в зимнее время.

из-за уменьшения прозрачности воздуха в городах меняется его спектральный состав, который обеднен фотосинтетически активной радиацией.

Таким образом, за счет перераспределения составляющих теплового баланса в летнее время город летом оказывает более заметное, чем зимой, влияние на собственную климатическую систему. Отсюда и более заметное влияние городской застройки на основные климатические характеристики (температура воздуха и почвы, влажность воздуха, осадки) именно в летнее время, о чем будет сказано ниже.

Основные закономерности микроклимата в условиях  застройки.

Тепловой режим. Температура воздуха испытывает наиболее сильное влияние урбанизации территории и, несомненно, является одним из наиболее ощутимых населением метеопараметром. Температурные различия между урбанизированной территорией и окружающими ее неосвоенными или слабо освоенными ландшафтами зависят от ряда факторов. Прежде всего - это размеры города, плотность застройки его территории и синоптические условия, характер погоды в данный момент времени.  

Одной из наиболее значительных особенностей городского климата является возникновение в городе так называемого «острова тепла», который характеризуется повышенными по сравнению с загородной местностью температурами воздуха (рис. 1). Возникает это явление сразу по нескольким причинам.

Во-первых, в городах уменьшается альбедо подстилающей поверхности вследствие появления на ней зданий, сооружений, искусственных покрытий. Уменьшение альбедо в результате застройки территории приводит к более интенсивному по сравнению с незастроенными территориями поглощению солнечной радиации, накоплению конструкциями зданий и сооружений поглощенного днем тепла с его отдачей в атмосферу в вечерние и ночные часы. Кроме того, на урбанизированных территориях резко уменьшается расход тепла на испарение за счет сокращения площадей с открытым почвенным покровом и занятых зелеными насаждениями, а быстрое удаление атмосферных осадков системами дождевой канализации не позволяет создавать запас влаги в почвах и поверхностных водоемах. Городская застройка также приводит к формированию зон застоя воздуха, при малых скоростях ветра препятствует турбулентному перемешиванию приземного слоя атмосферы и выносу тепла в ее вышележащие слои. Следовательно, теплоотдача застройки за счет ухудшения условий турбулентного перемешивания в приземном слое уменьшается по сравнению с незастроенными территориями, тепло как бы накапливается внутри застройки, приводя к ее перегреву.

Во-вторых образованию "острова тепла" на территории города способствует изменение прозрачности атмосферы. Поступающие в атмосферный воздух различные примеси от предприятий и транспорта приводят к существенному уменьшению суммарной солнечной радиации. Но в еще большей степени они уменьшают встречное инфракрасное излучение земной поверхности, что в сочетании с теплоотдачей зданий и промышленных объектов приводит к появлению местного "парникового эффекта" и развитию на территории городов аномалий температуры, т.е. город как бы "накрывается" одеялом из парниковых газов и аэрозольных частиц.

Наиболее ярко контраст температуры город-пригород проявляется в ясную, безветренную погоду и исчезает в ветреную облачную погоду. В вечернее время и первые после захода солнца часы за счет особенностей процессов формирования острова тепла температурный контраст резче, чем в полдень, а летом проявляется лучше, чем зимой при аналогичных синоптических ситуациях.

Средняя температура воздуха в большом городе обычно выше температуры окружающих районов на 1—2 °С, однако ночью при небольшом ветре разность температур может достигать 6—8 °С. Над центрами крупных городов «остров тепла» возвышается на 100—150 м, а в городах меньших размеров — на 30—40 м. Закономерности изменения температуры воздуха при переходе от сельской местности к центральной части города показаны на рис. 1. На границе раздела «город – сельская местность» возникает значительный горизонтальный градиент температуры, соответствующий «утесам острова тепла», достигающий иногда 4 ºС/км. Большая часть города представляет «плато» теплого воздуха с повышением температуры по направлению к центру города. Термическая однородность «плато» нарушается «разрывами» общего характера поверхности в виде областей холода – парки, водоемы, луга и областей тепла – промышленные предприятия, плотная застройка зданиями.

Рис. 1. Сечение «острова тепла» над городом

Над центральной частью больших городов располагается «пик острова тепла», где температура воздуха максимальна. В крупных агломерациях может наблюдаться несколько таких «пиков», обусловленных наличием промышленных предприятий.  

Формирование "острова тепла" на застроенных территориях имеет целый ряд прямых или косвенных экологических и биоклиматических эффектов и последствий как положительного, так и отрицательного характера. Приведем примеры. Прямой отрицательный биоклиматический эффект "острова тепла" - снижение в летнее время комфортности условий пребывания населения на территории города в результате повышения температуры воздуха в сочетании с уменьшением скорости ветра. В холодное время года биоклиматический эффект носит позитивный характер. За счет тех же факторов, а также за счет повышения абсолютных минимумов температуры дискомфортность условий пребывания населения на открытых пространствах уменьшается.  

Экологические последствия эффекта "острова тепла":

- "Смещение" территории города по своим климатическим характеристикам в южном направлении: увеличиваются безморозный и бесснежный периоды на территории города, более раннее наступление вегетационного периода.

- Увеличение числа дней с оттепелями. В холодное полугодие переход температуры воздуха через 0°С создает проблемы не только хозяйственным, дорожно-эксплуатационным службам города, но и состоянию компонентов его природной среды, в первую очередь – зеленой растительности.  

Влажность воздуха, туманы и атмосферные осадки также изменяются под влиянием городской застройки, однако эти изменения носят менее очевидный характер и являются звеньями боле сложной цепи причинно-следственных связей.

Влажность воздуха в городе изменяется (на застроенных участках понижается абсолютная и относительная влажность воздуха) под действием нескольких факторов, перечислим основные из них:

-  существование на территории города «острова тепла» (с данной анамалией связывают примерно половину величины снижения относительной влажности воздуха);

- снижение проницаемости для осадков подстилающей поверхности и создание инженерных сетей по отводу поверхностного стока с территории города;

-    уменьшение испарения в условиях городской среды.

Снижение значения абсолютной влажности воздуха, наблюдается в теплое полугодие на большей части территории городов, расположенных в умеренной климатической зоне. В холодное время года абсолютная влажность в черте города, наоборот, - выше, чем за городом. Это  объясняется повышенной температурой воздуха в городе и, как следствие, повышением испарения снежного покрова, а также техногенной эмиссией водяного пара в процессе сжигания органического топлива (конечным продуктом которого является водяной пар).

Образование туманов имеет целый ряд физических причин. По генетической классификации выделяют туманы испарения, охлаждения, туманы смешения и туманы восхождения. Для большинства городов умеренной зоны, расположенных на равнинах, наиболее характерны туманы охлаждения, которые подразделяются на:

-  адвективные;

-  радиационные.

Адвективные туманы возникают при адвекции теплых воздушных масс на холодную подстилающую поверхность, что приводит к охлаждению воздуха и конденсации влаги. Эти туманы характерны для холодного полугодия. Продолжительность таких туманов может составлять от нескольких часов до суток и более. Радиационные туманы связаны с понижениями температуры в ее суточном ходе, чаще всего наблюдаются в теплое полугодие при спокойной ясной погоде в вечерние и утренние часы.

Повторяемость и продолжительность туманов в естественных условиях определяется ходом температуры, количеством влаги в атмосфере, атмосферными процессами и рельефом местности. В городских условиях эта связь осложняется еще несколькими факторами антропогенного характера, прежде всего - "островом тепла", антропогенной эмиссией водяного пара и наличием в воздухе ядер конденсации. За счет "острова тепла" к центру города повторяемость (число дней с туманами) и продолжительность туманов уменьшается. Опасность туманов для экологии городской среды заключается в том, что капли тумана растворяют находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества, которые, взаимодействуя друг с другом и солнечной радиацией, способны образовывать химические соединения, более сложные и опасные для здоровья населения и растений, чем исходные загрязнители атмосферного воздуха (например SO3 + Н2О —> H2SO4).

Своеобразие формирования облачности и осадков над городом (по сравнению с аналогичной по остальным параметрам незастроенной территории) определяется двумя антропогенными факторами:  

Более развитой конвекцией. Данный фактор играет главную роль летом, стимулируя образование внутримассовых кучевых и кучево-дождевых облаков.

Огромным количеством выбрасываемых в атмосферу гигроскопических ядер конденсации. Присутствие в воздухе ядер конденсации антропогенного происхождения настолько стимулирует процесс осадкообразования в возникающих облаках, что с подветренной стороны может даже наблюдаться заметное (на 2-3 мкм) уменьшение диаметров облачных и дождевых капель, т.е. образование облаков и дождя над городом "опережает" естественное развитие событий.

Второй фактор доминирует над первым зимой, способствуя более быстрой конденсации влаги в слоях, характеризуемых инверсией температуры, поскольку зимой влаги в городском воздухе больше, чем в сельской местности. Для обоих сезонов отмечается увеличение осадков с наветренной стороны городов.

С точки зрения экологических последствий влияния городов на выпадение осадков следует отметить, что зимой отмечается снижение до 5% в выпадении снега, летом наибольшие суммы осадков выпадают над городом, но не в центре, а на окраине.  

Движение воздушных масс. Поле скорости ветра в условиях города находится под влиянием  двух основных факторов: шероховатости подстилающей поверхности (городской застройки) и городских «островов» тепла.  

Следует отметить, что влияние городской застройки на среднюю скорость ветра не однозначно. С одной стороны, это связано с тем, что очень часто влияние застройки "маскируется" особенностями рельефа города. С другой стороны, пространственная структура в застройке такова, что не дает возможности говорить о "непрерывности" ветровых полей, характеризуется их сильной контрастностью. Так, например, зоны застоя воздуха, формирующиеся в периметрально-замкнутой застройке или в отдельных дворах чередуются со струйными течениями вдоль застроенных сплошным фронтом "каньонов" городских магистралей, а "погашенная" у поверхности земли скорость ветра может компенсироваться усилением скорости ветра, обтекающего высотные здания. Многоэтажная застройка вдвое и более уменьшает скорость ветра. Но в некоторых случаях возможно усиление ветра, например, в городах, располагающихся на холмистой местности или при совпадении направления ветра с направлением улицы («эффект аэродинамической трубы»). Высокие здания могут способствовать образованию нежелательных вихревых потоков, обтекающих стены здания.

Суммарный эффект воздействия урбанизированной территории на скорость ветра в большинстве случаев выражается в увеличении числа безветренных (v<2 м/с) дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10-30% по сравнению с пригородной незастроенной территорией. Причем чем больше площадь города и чем выше плотность застройки, тем устойчивее ее влияние на скорость ветра.

С эффектом «островов тепла» связано локальное увеличение интенсивности циркуляции конвекционных потоков воздуха. При этом значительно — на 20% по сравнению с сельской местностью — уменьшается горизонтальное движение воздушных масс, и усиливается восходящее движение над городом, напоминающее бриз. Восходящие токи воздуха над городом вызывают в тихую погоду приток прохладного воздуха от периферии к центру, получившего название «сельского бриза».       Движению воздуха способствует и различное нагревание городских улиц, зданий, обуславливающее местную циркуляцию воздуха. В ней восходящий поток образуется над поверхностью освещенных стен, а нисходящий – над затененными стенами и частями улиц или дворов. В результате по ночам (максимум развития "острова тепла") ветер в городе ослабляется не так сильно, как днем, и временами может быть даже больше, чем в пригородной зоне, со всеми вытекающими из этого последствиями: уменьшение вероятности утренних туманов, повышение ночных минимумов температуры воздуха и уменьшение повторяемости приземных инверсий.

С учетом реально сформировавшихся климатических условий города и условий природно-климатической зоны проводят мероприятия по улучшению городского климата, которые условно могут быть разделены на следующие группы:

1) Мероприятия по регулированию скорости ветра и вентиляции города (планировка городской застройки и улиц, ориентация зданий, создание древесно-кустарниковых и травянистых насаждений различного типа, систем водоемов и т.д.).

2) Мероприятия по уменьшению потерь тепла зданиями (конструкция окон, ориентация зданий, планировочные решения, касающиеся взаимного расположения зданий и групп зеленых насаждений).

3) Мероприятия по регулированию относительной влажности воздуха (создание водоемов и водотоков, увеличение площади поверхности с естественным проницаемым покровом, полив зеленых насаждений, мойка улиц и площадей и т.п.).

4) Мероприятия по борьбе с загрязнением воздушного бассейна путем расположения загрязняющих объектов вне городской черты или с подветренной части городов,  переходом на менее токсичные виды топлива, использованием более экономичных установок для сжигания топлива, регулированием или прекращением выбросов вредных веществ при неблагоприятных метеоусловиях вплоть до приостановки работы предприятий, переходом на безотходные или замкнутые циклы производства, предотвращением пыления в промышленности, строительстве, транспорте.

5) Мероприятия по регулированию поступления солнечной радиации (планировка улиц и кварталов, зеленых насаждений, использование разноуровневой застройки, окраска стен, крыш и мостовых, конструкция зданий и их элементов и т.п.).

Все эти мероприятия должны использоваться интегрировано. Использование лишь отдельных элементов не может значительно улучшить условия проживания людей в городах.

Предыдущая