CC BY
194
Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 8 (189).
Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 15-23.
Е. Г. Кораблёва, О. Ю. Ленская ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТРОВА тЕПЛА ГОРОДА чЕЛЯБИНСКА
в зимний период
По данным измерений метеопараметров на стационарных постах мониторинга 2005 г. рассмотрены закономерности пространственного распределения городского острова тепла для холодного периода года. Показаны его характерные черты и различия для разных направлений фонового потока и устойчивой штилевой погоды. Приведён анализ внутрисуточных изменений интенсивности острова тепла и расположения зон восходящих и нисходящих движений воздуха.
Ключевые слова: городской остров тепла, мониторинг загрязнения атмосферы, климат города.
Согласно определению Всемирной метеорологической организации под климатом города понимается изменение локальных метеорологических условий, связанное с застройкой территории в сочетании с выбросами в атмосферу загрязняющих веществ: газов и аэрозолей. Городской климат относится к явлениям мезо-масштаба, которые имеют протяжённость от нескольких до десятков километров по горизонтали и до нескольких сотен метров — по вертикали. Поле температуры над городом характеризуется одной или более замкнутыми изотермами, получившими название городского острова тепла. Обобщая современные исследования этого явления, отметим, что среднегодовые температуры крупных городов превышают температуры в окрестностях в среднем на 1-2 °С [2; 4-6].
Для выявления и количественной оценки особенностей метеорологического режима и экологического состояния крупного города следует рассмотреть связанное с его жизнедеятельностью формирование острова тепла вместе с изменениями атмосферных циркуляций в пределах пограничного слоя атмосферы.
Изучению климата больших городов уделяется достаточное внимание. В России подавляющее число таких исследований посвящено Москве, поскольку здесь ведутся наблюдения в наибольшем числе пунктов (метеостанций и постов) и столь же значительно число метеостанций в её ближайших окрестностях. Ряд результатов, полученных для Москвы, подтверждает основные закономерности формирования и конфигурации острова тепла для крупных городов: форму его границ определяют особенности орографии территории, направления и скорости господствующих ветров; на его интенсивность оказывают влияние как размеры городской территории и её пространственная структура, интенсивность промышленной деятельности,
так и внутригодовой ход фоновой температуры, влажности, ветра [4]. В последние годы при изучении острова тепла рассматривают также и вертикальное распределение температуры до 1000 м с помощью приборов дистанционного зондирования: стационарных и мобильных профилеме-ров. Такое исследование даёт возможность изучить трёхмерную картину термических процессов в пограничном слое атмосферы над крупным городом.
Настоящая работа является продолжением изучения температурного режима Челябинска и острова тепла, формируемого над ним, которая была начата в работах [1; 3]. Челябинск расположен в зоне умеренно континентального климата со среднегодовой температурой +2,4 °С, рассчитанной за 1961-1990 гг. На распределение температур в приземном слое, на формирование местных циркуляций оказывает влияние рельеф территории города. В пределах городской черты рельеф слабо холмистый на западе с постепенным понижением к востоку и разрезается долиной р. Миасс и ложбинами с озёрами и болотами. Берега Миасса покрыты местами лесом и кустарником. Город окружён крупными водоёмами: на северо-востоке это оз. Первое, на юге — оз. Смолино и Синеглазово, на юго-западе — Шершнёвское водохранилище. Высота поверхности над уровнем моря варьирует в пределах 210-240 м.
В последние десятилетия в Челябинске и на территории Южного Урала в целом отмечается снижение суровости зим по причине повышения средних зимних температур, а также рост среднегодовых температур, что было показано в работе [3]. Расчёт интенсивности острова тепла Челябинска с 1987 по 2004 г. показал, что в зимние месяцы превышение средней по городу температуры варьирует от 1,4 до 4,8 °С. В летний сезон оно меньше — 0,8-1,4 °С.
Для использования полученных результатов в анализе загрязнения атмосферы города, а также для перспектив планирования городской застройки следует рассмотреть не только абсолютные превышения городской температуры, но и пространственную структуру острова тепла, его внутригодовую изменчивость.
Данные и методы. В качестве источника данных о распределении температуры возду-
ха, направления и скорости воздушных потоков в приземном слое атмосферы Челябинска были использованы метеорологические наблюдения, производимые на восьми стационарных постах мониторинга загрязнения атмосферы сети Челябинского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, распределённых по территории города (рис. 1, табл. 1).
Таблица 1
Расположение постов
№ поста Местоположение Характеристика
17 ул. Румянцева, Металлургический р-н в жилой застройке
22 ул. Трудовая, Металлургический р-н граница промышленной зоны
18 ул. Захаренко, Курчатовский р-н граница жилой зоны и лесной, граница города
23 пр. Победы, 198а, Калининский р-н в жилой застройке, вблизи крупной автомагистрали, центр города
27 ул. Российская, Калининский р-н граница жилой застройки, пойма р. Миасс, центр города
20 перекр. ул. Горького и 5 Декабря, Тракторозаводской р-н жилая застройка, центр города
28 ул. Сони Кривой, 65а, Центральный р-н жилая застройка, центр города
16 ул. Новороссийская, Ленинский р-н граница жилой и промышленной зоны
90 пос. Шершни, метеостанция лесная зона, западная окраина города
Рис. 1. Расположение постов мониторинга на территории Челябинска. Оттенками серого цвета выделены зоны с различными тепловыми свойствами
Такое расположение постов мониторинга позволяет получить достоверную картину поля температур и ветра, в пределах четырёхугольника, ограниченного постами 18, 22, 16 и метеостанцией Челябинск-Шершни (пост 90).
В соответствии с методическими указаниями при отборе проб воздуха одновременно производятся замеры температуры воздуха, а также скорости и направления ветра в приземном трёхметровом слое. Замеры осуществляются три раза в сутки: в 7:00, 13:00 и 19:00 по местному времени. В работе использованы данные постов мониторинга за 2005 г. Для расчёта интенсивности острова тепла в качестве фоновых использовались результаты измерений пригородной метеостанции, расположенной на западной окраине Челябинска в пос. Шершни. Интенсивность определялась как разность температур воздуха в определённый срок на стационарном посту и на пригородной станции.
Данные климатического справочника о повторяемости направлений ветра на территории Челябинска показывают преобладание западных ветров (табл. 2). Для февраля 2005 г., по данным ЧЦГМС, наблюдались примерно равные повторяемости направлений за исключением восточного и юго-западного. Повторяемость скоростей ветра по градациям показывает, что в этот месяц преобладали слабые ветра и штили: 0-1 м/с — 76 %; 2-3 м/с — 23 %; 4-5 м/с — 1 %.
Для расчёта пространственного распределения приземной температуры и ветра использованы только полные ряды данных, то есть когда значения этих метеопараметров были замерены
на всех девяти постах и во все сроки наблюдения (07:00, 13:00, 19:00 ч). В течение исследуемого 2005 г. полные ряды данных присутствуют для 59 дней, из них в январе — 15 дней, в феврале — 16 и в августе — 10. По этим рядам были рассчитаны среднемесячные значения температуры и ветра за каждый срок наблюдения. Математическая обработка результатов измерений выполнена в программе Surfer, с помощью которой построены изоплеты разности температур на территории города и на пригородной станции, распределение вектора скорости приземного ветра, а также расположение зон дивергенции и конвергенции приземного ветра, с которыми связаны нисходящие и восходящие потоки воздуха.
Результаты. 1. Распределение среднесуточных температур по территории города. Отличия среднесуточных температур в разных районах города обусловлены неоднородными тепловыми свойствами подстилающей поверхности. Наиболее заметное превышение температуры наблюдается над жилой застройкой и промышленными площадками. Это связано с лучшими условиями поглощения солнечной радиации и перегревом поверхности. В табл. 3 представлены линейные уравнения, с помощью которых можно оценить, насколько температура воздуха в районе расположения пункта наблюдения отличается от температуры на метеостанции, по данным которой уточняется ежесуточный прогноз погоды. Судя по величине коэффициента детерминации, можно сделать вывод о том, что существует весьма высокая связь между этими
Таблица 2
Повторяемость направлений ветра в г. челябинске, %
Период С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Штиль**
Год* 11 7 4 6 13 26 15 18 2
Февраль* 9 7 7 в 15 27 11 16 4
Февраль 2005 г. 13 13 4 15 15 6 17 17 54
* Данные, осреднённые за многолетний период (по климатическому справочнику).
** Повторяемость от общего числа наблюдений, %.
Таблица 3
уравнения линейной регрессии для пересчёта среднесуточной температуры воздуха на стационарных постах (х — температура на метеостанции)
№ поста 16 17 18 2G 22 23 27 28
Уравнение G,93x + 2,5 G,94x + 1,5 G,93 x +1,8 G,94x + 2,3 G,96x + 1,4 G,94x + 1,8 G,97x + 2,3 G,95x + 1,3
R2 G,981 G,98G G,975 G,978 G,986 G,986 G,981 G,98G
метеовеличинами и температуры в разных районах города определяются значениями коэффициентов уравнений регрессии.
2. Суточные изменения полей температуры воздуха и ветра. Как было сказано выше, остров тепла имеет большую интенсивность в зимний период. Поэтому в данной работе представлены результаты, относящиеся именно к холодному сезону. На рис. 2 представлены суточные изменения полей температуры и ветра в феврале 2005 г. Поле температур показано изоплета-ми разности температур внутри города и в пригороде. Поле ветра представлено направлениями ветра в узлах расчётной сетки, длина стрел-
ки пропорциональна величине скорости ветра. Для выделения зон сходимости-расходимости воздушных потоков строились поля дивергенции приземного ветра.
Как видим, приземные поля имеют сложную структуру, связанную с орографией местности и распределением застройки. Выделяется прибрежно-склоновая зона поймы р. Миасс, которая обусловливает излом изолиний на западе города и их вытянутость вдоль реки в центральной и северной его частях. На температуру этого участка территории города может оказывать влияние ветер, имеющий большую скорость в связи с орографическими особенностями поймы.
Рис. 2. Поля изоплет разности внутригородской и пригородной температуры, приземного ветра (вверху), а также положение зон дивергенции и конвергенции приземного ветра (внизу), осреднённые по разным срокам наблюдения за февраль 2005 г.
Область с конвергентными движениями отмечена штриховкой.
Максимальная длина стрелки соответствует скорости 5 м/с.
Треугольниками отмечено положение постов мониторинга
Для Челябинска эта зона достаточно узкая и может служить границей между отличающимися от неё по тепловым свойствам зон промышленной и жилой застройки. Это обусловливает формирование двух максимумов острова тепла, разделённых долиной р. Миасс: один из них располагается в центральной, наиболее возвышенной части города, над пр. Победы, Комсомольским и Свердловским, а другая — в восточной и юговосточной частях — над Тракторозаводским и Ленинским районами. Такое распределение прослеживается во внутрисуточном ходе температур и ветра, наиболее отчётливо проявляясь в утренние часы, когда интенсивность турбулентного перемешивания воздуха наименьшая.
Интенсивность острова тепла изменяется во времени суток. Для зимнего периода в утренние предрассветные часы (рис. 2а) наиболее высокие температуры отмечаются в зоне промышленной застройки и в восточной, подветренной части города: на 2,0-5,0 °С выше пригородной. На момент измерений в 07:00 зона конвергенции располагается над северо-западным районом и «повторяет» конфигурацию поймы реки. Ветер, дующий с западного, северо-западного направления возле центра города поворачивает в меридиональном направлении с юго-запада на северо-восток. В приземном слое в утренние часы над городом в преобладающем фоновом потоке существует циклоническая циркуляция, следовательно, над центральной частью города в ночные и предутренние часы формируется область пониженного давления. В восточной части города циклоническая циркуляция ослабевает, направление ветра следует фоновому потоку.
После восхода солнца с началом рабочего дня и увеличением транспортного движения растут, с одной стороны, техногенные выбросы тепла, с другой, усиливается турбулентное перемешивание. На рис. 2б заметно увеличение температурного контраста и небольшое понижение температуры над возвышенной частью города по левому берегу р. Миасс, что, по-видимому, связано с усилением ветра вдоль поймы реки. К 13:00 скорости ветра в среднем возрастают; усиливается конвергенция ветра в пойменной зоне р. Миасс, в то время как в восточной части города, по-видимому, формируется циклоническая циркуляция.
Вечером после захода солнца (рис. 2в) интенсивность острова тепла уменьшается, что, с одной стороны, является результатом вертикаль-
ного выравнивания температур приземного слоя как внутри города, так и в пригороде, а с другой — начинающимся сразу после захода солнца выхолаживанием земной поверхности, что регистрируют термометры на постах, расположенные на высоте всего 1,5 м от поверхности. К 19:00 конвергенция ветра составляет порядка 10-4 с-1 в центре города в пойме и на излучине р. Миасс, но на западном его берегу формируется область нисходящих потоков, связанная, по-видимому, с понижением температуры приземного воздуха в этой части. Расширяется циклоническая циркуляция в южной, юго-восточной частях города.
Таким образом, в результате осреднения данных за февраль 2005 г. была получена конфигурация острова тепла за этот месяц и выделены два максимума температур, связанные с орографией местности и характером промышленной и жилой застройки.
По данным регистрации ветра на постах мониторинга можно сделать несколько выводов. Для Челябинска характерно существование фонового потока, который в феврале 2005 г. имел в среднем северо-западное направление. По мере проникновения такого потока в город в приземном слое локальные циркуляции формируют циклоническую завихрённость, заметную особенно в утренние часы, когда вертикальные движения воздуха ещё слабы. В вечерние часы область пониженного давления смещается в южную и юго-восточную часть города. Над северо-западной частью города, обозначенную пересечениями пр. Свердловского, Комсомольского и Победы, над промышленной зоной по левому берегу р. Миасс и севернее неё формируется зона дивергенции, связанная с опусканием воздуха в приземном слое, что может усиливать загрязнение воздуха и снегового покрова.
3. Изменение скорости ветра в городе. В целом скорость ветра в приземном слое города ниже, чем в пригороде, что связано со степенью урбанизированности территории, с увеличением шероховатости подстилающей поверхности, причём тем большее будет отличие, чем крупнее город. В Челябинске среднегодовое количество дней со штилем в зависимости от района города составляет 12-32 % от общего числа наблюдений (табл. 3). Безветренная погода наиболее характерна для утренних часов. В дневные часы повторяемость тихой погоды уменьшается, к вечеру снова возрастает. Таким образом,
суточный ход повторяемости штилей в городе и пригороде совпадают, что в целом соответствует суточному ходу скорости ветра в приземном слое: утренние минимумы, дневные максимумы, связанные с турбулентным обменом с более высокими слоями, и вечерний спад, связанный с выравниванием скоростей ветра по вертикали в результате перемешивания.
Однако, из табл. 4 видно, что повторяемость слабых ветров и штилей в черте города меньше, чем в пригороде во все сроки наблюдения. Это можно объяснить тем, что посты мониторинга, на которых измеряется скорость ветра, расположены среди застройки на более или менее открытых участках, где могут возникать градиенты давления, вызванные температурными различиями микромасштаба, связанными с ориентацией улиц и зданий. Это может приводить к локальному усилению потоков, то есть «сквозняков» даже в условиях штилевой погоды. По данным метеостанции Шершни в 2005 г., среднемесячные скорости ветра не превышали 4 м/с, в единичных случаях составляли 6-7 м/с.
Таблица 4 Повторяемость дней со штилем
в разные часы суток в городе и пригороде за 2005 г., %
№ поста 07:00 13:00 19:00 Среднесуточная
16 42 12 25 26
17 55 14 27 32
18 29 5 2 12
20 48 16 33 32
22 45 8 19 24
23 35 9 14 19
27 52 12 18 27
28 52 9 16 26
Пригородный п. № 90 59 28 30 39
Пространственное распределение скорости ветра показывает, что в дневные часы чаще всего скорость ветра в городе превышает пригородную (табл. 5), что можно объяснить усилением вертикального обмена в районах застройки, связанного с большей шероховатостью поверхности. Среди всех пунктов выделяется № 18, расположенный на границе жилой зоны и лесной, на западной окраине города. Для него отмечается наименьшая повторяемость штилей и наиболь-
шее превышение скорости ветра относительно пригорода.
Таблица5
Повторяемость превышения скорости ветра в городе над пригородом (пост № 90) за 2005 г., %
№ поста 16 17 18 20 22 23 27 28
07:00 24 24 40 25 23 31 24 15
13:00 28 56 45 30 40 35 34 34
19:00 18 40 34 19 27 28 29 22
4. Пример аномальной конфигурации острова тепла. Распределение изоплет разности температуры по территории города существенно зависит от направления фонового воздушного потока. Как было показано выше, для г. Челябинска характерны юго-западные и северо-западные ветра. Однако приблизительно в 20 % случаев в течение года наблюдаются ветра восточной составляющей. При этом происходит перестройка атмосферных циркуляций и на территории города, а с нею — перераспределение загрязняющих веществ в выбросах предприятий и автотранспорта.
Такой случай, имевший место 17 марта 2005 г., представлен на рис. 3. Синоптическая ситуация характеризовалась как размытое поле повышенного давления с тенденцией формирования области пониженного давления над Башкирией. Метеостанции в Челябинске регистрировали слабые ветры 3-5 м/с восточного и юго-восточного направления. Как видно из рисунка, максимумы острова тепла, по данным измерений в 13:00, отмечалось на северо-западе города: превышение над пригородной температурой более 4 °С, а также в его восточной части — превышение в 3,5 °С (рис. 3б). Область вечернего выхолаживания распространилась более обширно на всю западную и северо-западную часть города (рис. 3в). Изоплеты температур во все три срока отражают конфигурацию участка поймы р. Миасс. Направления воздушных потоков показывают формирование в дневные и вечерние часы антициклонической циркуляции, при этом область конвергенции приземного ветра (восходящих движений) интенсивностью >10-4 с-1 располагается в пойме реки, а также в южной и юго-восточной части города (рис. 3б, в). Зоны дивергенции >10-4 с-1 (нисходящих движений) формируются в северо-западной, а в дневные часы и в юго-западной частях Челябинска, спо-
Рис. 3. Поля изоплет разности внутригородской и пригородной температуры; приземного ветра (вверху), а также положение зон дивергенции и конвергенции приземного ветра (внизу) в различные сроки наблюдения 17 марта 2005 г.
Область с конвергентными движениями отмечена штриховкой.
Максимальная длина стрелки соответствует скорости 4 м/с
собствуя опусканию загрязняющих веществ выбросов предприятий и автотранспорта.
Таким образом, на данном примере показано, как слабые ветра восточной четверти влияют на форму острова тепла Челябинска, фактически смещая максимум температур на запад, что ведёт к перераспределению воздушных потоков внутри города. Тем не менее орография города с выделением поймы реки проявляется независимо от направления фонового ветра.
Один максимум острова тепла, не разделённый поймой р. Миасс, отмечается в штилевую погоду. Например, 14 января 2005 г., по данным ЧЦГМС, над Челябинском располагалась цент-
ральная часть антициклона, повышенное давление достигало 1028 гПа. В течение всех суток отмечалось полное безветрие и пониженные дневные температуры около -11 °С, по данным метеостанции. В таких условиях практически отсутствует вертикальное перемешивание и горизонтальный перенос, а значит, загрязняющие вещества от источников выбросов накапливаются в приземном слое, создавая повышенный уровень загрязнения. В данной синоптической обстановке остров тепла имел один максимум и его изотермы простирались с северо-запада на юго-восток города (рис. 4). Интенсивность острова тепла в этот день достигла 15 °С!
Рис. 4. Поля изоплет разности внутригородской и пригородной температуры; приземного ветра в различные сроки наблюдения 14 января 2005 г. в условиях штиля. Максимальная длина стрелки соответствует скорости 2 м/с
Заключение. Пространственная структура и интенсивность изменения тепловых свойств приземного слоя крупного города определяется его географическим положением, степенью урбанизированности территории, а также имеет внутригодовой ход. На примере города Челябинска рассмотрены положение и интенсивность острова тепла, которые, по предварительным исследованиям [3], более отчётливо проявляются в холодное время года. При использовании имеющихся в распоряжении измерений приземной температуры и ветра на постах мониторинга и пригородной метеостанции, а также карт погоды, характеризующих синоптическую ситуацию, было проанализирована пространственная структура острова тепла в холодный период 2005 г.
В работе показано, что при преобладающих ветрах западной четверти остров тепла Челябинска имеет два максимума, положение которых обусловлено орографией города. Во внутрисуточном ходе интенсивность этого явления увеличивается в дневные часы, а в вечернее время в области максимумов температуры в приповерхностном слое, наоборот, формируются участки пониженных температур, связанные с выхолаживанием поверхности после захода солнца. В течение суток нисходящие движения воздуха, которые возникают во взаимосвязи со структурой температурного поля территории Челябинска, в среднем наблюда-
ются над северо-западной частью города, обозначенной пересечениями пр. Свердловского, Комсомольского и Победы, над промышленной зоной по левому берегу р. Миасс и севернее неё, что может способствовать усилению загрязнения в этих частях города.
В условиях направлений фонового ветра восточной четверти максимумы острова тепла смещаются в западную часть города, что приводит к перераспределению воздушных потоков внутри города. Однако и в таких, более редких случаях розы ветров Челябинска долина реки продолжает оказывать влияние на конфигурацию острова тепла. И только в условиях устойчивой штилевой погоды остров тепла имеет один купол и наибольшую интенсивность.
В целом за счёт увеличения шероховатости скорость ветра в приземном слое города уменьшается, но микроциркуляции непосредственно вблизи поверхности возникают, и их регистрируют посты наблюдения даже во время устойчивой штилевой погоды.
Отметим, что поля температуры и ветра, представленные на рис. 2-4, относятся к холодному периоду одного года. Роза ветров февраля 2005 г. показывает, что в этот месяц повторяемость направлений ветра значительно отличается от средней многолетней. Таким образом, возможно, что общая конфигурация острова тепла из года в год сохраняется, поскольку распределе-
ние тепловых свойств поверхности существенно не изменяется, но положение и интенсивность изолиний испытывает как сезонные, так и меж-годовые вариации. В связи с этим для получения более полной информации о форме и размерах острова тепла г. Челябинска данные исследования должны быть продолжены для других сезонов и лет.
Список литературы
1. Абдуллаев, С. М. Оценка жизненного цикла природно-антропогенных систем / С. М. Абдуллаев, Е. Г. Кораблёва, Ю. А. Сапельцева, А. В. Егорова, В. А. Бабинцева, Е. А. Неверова // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2008. № 17. Экология. Вып. 3. С. 41-53.
2. Кондратьев, К. Я. Основные факторы формирования острова тепла в большом городе /
К. Я. Кондратьев, Л. Т. Матвеев // Докл. РАН. 1999. Т. 367, № 2. С. 253-256.
3. Кораблёва, Е. Г. Локальное и региональное потепление на Южном Урале / Е. Г. Кораблёва // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2007. № 6. Экология. Природопользование. С. 56-65.
4. Матвеев, Л. Т. Влияние большого города на метеорологический режим / Л. Т. Матвеев // Изв. РАН. Сер. геогр. 2007. № 4. С. 97-102.
5. Матвеев, Л. Т. Формирование и особенности острова тепла в большом городе / Л. Т. Матвеев, Ю. Л. Матвеев // Докл. РАН. 2000. Т. 370, № 2. С. 249-252.
6. Рубинштейн, К. Г. Оценка изменения температуры воздуха и количества осадков в крупных городах (на примере Москвы и Нью-Йорка) / К. Г. Рубинштейн, А. С. Г инзбург // Метеорология и гидрология. 2003. № 2. С. 29-38.
