Что такое городской тепловой остров
Городской остров тепла: что это такое?
Характернымпризнаком завершения жаркого лета является увеличение суточного ходатемпературы. Днем все еще по-летнему тепло, тогда как ночью воздух ужепо-осеннему остывает. Однако в отличие от сельской местности, в крупных мегаполисахночи остаются «субтропическими» (минимальная температура +15 и выше). Возникаетвопрос: почему минимальная температура ведет себя так по-разному при одинаковыхначальных условиях?
shutterstock.com
Дело в том, что городская инфраструктура более эффективно сохраняет тепло. При благоприятных условиях разница температуры между городом и окрестностями может достигать 10—15 градусов. Чтобы понять это явление, давайте рассмотрим, как работает городской остров тепла.
Главным источником тепла является солнце. На открытых участках (например, на лугах) в течение дня земля получает тепло (поглощает), а ночью его отдает (излучает). Это работает тем эффективнее, чем чище небо и прозрачнее воздух.
Кроме того, растения создают свою комфортную среду. С их поверхности всегда испаряется влага, что способствует понижению температуры (на испарение затрачивается тепло) — аналогично тому, как мы потеем в жару. Это немного понижает температуру в течение дня и способствует ночному охлаждению. Другим фактором является эффект тени высокой и густой листвы, особенно в густых лесных районах. Поэтому в лесу днем может быть на 3—6 градусов прохладнее, чем на прилегающей открытой местности.
На улицах-каньонах крупного города, где преобладают высокие здания, и отсутствует пышная растительность, эффективность естественного охлаждения значительно меньше. Скорее наоборот, мегаполисы усиливают нагрев. Происходит это через нагрев солнцем дополнительной поверхности многочисленных высоких зданий. Кроме того, камень и бетон хорошо сохраняют тепло.
shutterstock.com
Ночьюэто тепло излучается, но в отличие от сельской местности не уходит в атмосферу,а отражается взад и вперед между стенами. Еще одним фактором, препятствующимизлучению тепла в крупных городах, является повышенное загрязнение воздухааэрозолями и частицами пыли.
Важноотметить, что в условиях антициклональной (безветренной) погоды циркуляциявоздуха ослабляется. Отсутствие воздухообмена между теплым центром и прохладнойокраиной приводит к тому, что над городом возникает «купол тепла».
И наконец асфальтирование территории также играет важную роль. После выпадения осадков почва с естественной растительностью удерживает влагу дольше, чем в крупных городах, где вода обычно быстро стекает в канализационную систему.
Городской остров тепла наиболее ярко проявляет себя ранней весной, когда в городе снега уже не осталось, а за городом он еще лежит. Так же, как в случае с влагой, на испарение снежного покрова затрачивается энергия, которая при прочих равных условиях могла бы пойти на нагрев воздуха.
Уменьшитьэффект от климатической урбанизации можно посредством озеленения, сохранения снежногопокрова и полива территории в жаркие дни. Грамотная градостроительная политикатакже имеет важное не только эстетическое, но и экологическое значение.
Что такое городской тепловой остров
Городская среда изменяет температуру поверхности по сравнению с температурой природного окружения, что обуславливает целесообразность привлечения материалов тепловой съёмки при экологических исследованиях городских территорий.
Хотя сам феномен городского острова тепла, или, согласно англоязычным источникам, urban heat island (UHI), т.е. увеличения температуры воздуха в городе по сравнению с окружающей его местностью (Рис.1), был впервые открыт англичанином Люком Ховардом (Luke Howard) ещё в 1810-х гг. [30], к исследованиям островов тепла в основном приступили в середине XX века. К настоящему времени накоплен достаточно большой объём исследований этого явления.
Рис. 1 Городской остров тепла.
Основная причина повышенных температур в городе – антропогенные преобразования земной поверхности. Они проявляются в плотной застройке городской среды; покрытии естественной поверхности материалами, активно поглощающими тепловое излучение, и сокращении площадей, занятых зелеными насаждениями, что ведет к изменениям в термических свойствах земной поверхности и понижает суммарное испарение (испарение + транспирация). Такие материалы, как бетон и асфальт, обычно используемые в городах для строительства дорог и крыш, существенно отличаются по своми термическим свойствам (включая теплоёмкость и теплопроводность) и поверхностным излучательным свойствам (альбедо и излучательная способность), от свойств окружающих природных территорий. По оценкам специалистов некоторый объём бетона может удержать приблизительно в 2000 раз больше тепла, чем эквивалентный объём воздуха. Это приводит к изменению энергетического баланса территории, что и влечёт за собой повышение температуры в городе по сравнению с окружающей местностью.
Тепловой остров города характеризуется хорошо выраженной суточной динамикой: наибольших значений разница температур между городом и пригородом достигает вечером и ночью — здания переизлучают накопленное за день тепло. Если говорить о сезонной динамике, то следует отметить, что тепловой остров проявляется как летом, так и зимой. Различают остров тепла, связанный с температурой воздуха, и остров тепла, связанный с температурой земной поверхности (поверхностный остров тепла). и с недостатком растительности на городских территориях.
Формирование острова тепла приводит к снижению комфортности городской среды для людей. Слишком высокие температуры летом и повышенная влажность зимой неблагоприятно влияют на здоровье горожан. Это обстоятельство способствует развитию исследований городского острова тепла и поиску путей снижения эффекта повышения температуры воздуха и поверхности в черте города.
Исследуется, например, суточная динамика теплового поля города; влияние особенностей использования городских земель на пространственно-временную динамику локальных тепловых аномалий города; взаимосвязь изменений температуры воздуха и температуры земной поверхности в пределах города; проводится моделирование городского острова тепла, как температуры поверхности, так и температуры воздуха; моделирование энергетического баланса города; проводится сопоставление температур в городе и за его пределами; изучаются различия в интенсивности теплового излучения объектов днём и ночью; при сопоставлении с рассчитанным по данным видимого и ближнего инфракрасного диапазонов значениям вегетационного индекса (NDVI) изучают взаимосвязи между обилием растительного покрова и интенсивностью теплового излучения, особенностями использования земель и мн. др. [31]. Во многих работах основным источником информации являются данные космической съёмки в тепловом инфракрасном диапазоне.
Данные тепловой инфракрасной съёмки применяются в географических исследованиях городских островов тепла разного пространственного охвата, определяемого характеристиками съемочной системы: шириной полосы обзора, пространственным разрешением снимков. Так, многоканальные радиометры AVHRR спутников NOAA и MODIS, установленные на спутниках Terra и Aqua с полосой обзора в 2-3 тыс км, предоставляют снимки низкого пространственного разрешения (около 1 км), которые используются в исследованиях значительного пространственного охвата[10, 15, 19, 24]. Это позволяет оценить общую мощность и протяжённость теплового острова [10, 15], его влияние на окрестности, сопоставить размер и интенсивность тепловых островов разных городов. Преимущество таких материалов в высокой повторяемости съёмки, большом количестве съёмочных каналов, однако пространственное разрешение 1 км недостаточно для изучения пространственных неоднородностей внутри острова тепла.
Например, данные теплового инфракрасного диапазона, получаемые с метеорологических спутников серии NOAA, позволили еще в в 1998-1999 гг. создать в Институте космических исследований РАН подсистему спутникового экологического мониторинга города Москвы, которая была в состоянии обнаруживать крупные тепловые аномалии, в частности, выбросы промышленных отходов (ТЭЦ, крупные производства, пруды-охладители), регистрировать дымные шлейфы от труб, возникающие в результате крупных лесных и торфяных пожаров в окрестностях города[3]. Процесс обнаружения тепловых аномалий включал в себя: классификацию участков изображения по значениям радиационной температуры и выявление аномальных на данной территории источников излучений; выделение тепловых аномалий на основе анализа временных рядов. В зависимости от помеховой обстановки, времени суток и природно-климатических условий использованы различные стандартные алгоритмы выявления тепловых аномалий, а также алгоритмы, которые успешно апробированы при обнаружении пожаров.
Пример выделения источников излучения от тепловых электростанций на территории г. Москвы (14 декабря 1997 г.) приведен на Рис. 2—4. При известных размерах источника тепловых излучений, например, труб ТЭЦ, прудов-охладителей, корпусов сталелитейных производств и тому подобных объектов, а также при осуществлении тепловой съёмки в нескольких спектральных диапазонах одновременно, возможно получение абсолютных значений температур.
Локализация московских тепловых электростанций по данным космической съёмки AVHRR/NOAA от 14 декабря 1997 г., разрешение 1100 м.:
Рис. 2 Космическое изображение города Москвы
Рис. 3 Температурный профиль поверхности
Рис. 4 Координаты точек и величины пикселов
Другой подход представляет использование в исследовании острова тепла снимков с пространственным разрешением не ниже 100-120 м, таких как ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra, Рис. 5-7. Снимки со спутников Landsat являются одними из самых распространённых материалов дистанционного зондирования Земли в географических исследованиях регионального уровня. В том числе это касается и снимков в тепловом инфракрасном диапазоне [8, 17, 21, 22]. Такие снимки позволяют увидеть внутреннюю пространственную структуру городских островов тепла, проследить развитие во времени и пространстве локальных тепловых аномалий, оценить тепловое влияние различных городских объектов друг на друга. В исследованиях городских островов тепла снимки со спутников Landsat используются как в качестве дополнительного материала [14, 28, 33], так и в качестве основного [8, 17, 20].
Рис. 5 Фрагмент снимка Landsat-7 в тепловом инфракрасном диапазоне
на территорию Москвы. Съёмка 7 ноября 1999 г.
Космические снимки ASTER/Terra города Индианаполис (США, штат Индиана) в тепловом инфракрасном диапазоне, разрешение 90 м [16]. Различия в изображении городской территории и в первую очередь водных объектов на поздне-осеннем снимке Москвы (Рис. 5) и ранне-осеннем и летнем (Рис. 6, 7) снимках Индианаполиса обусловлено сезонным состоянием местности: не успевшая остыть вода на снимке Москвы (белый тон) резко контрастирует с остывшей (серой) территорией города, в то время как для Индианаполиса характерно типично летнее состояние, когда вода холоднее (темнее на снимках), чем городская территория.
Нередко для изучения пространственных особенностей острова тепла применяют различные виды классификаций по космическим снимкам в тепловом ИК-диапазоне [8, 28, 37]. Как правило, такие методы применяют для исследования «использования земель» и создания «карт земных покровов» (land cover/land use), (Рис. 8, 9). Чаще всего к исследованиям land cover/land use привлекают снимки в разных спектральных диапазонах, одним из которых является тепловой. При анализе связи между типами «использования земель» и тепловыми аномалиями [10, 14, 17, 24], создаются карты land cover/land use [12]. Неоднократно указывается на существование взаимосвязи между структурой островов тепла и характеристиками земных покровов (land cover/land use), а также на возможность использования тепловых снимков как надёжного источника информации для получения информации о характере использовании земель[10, 24].
Рис. 8 Изображение land cover/land use на г. Индианаполис, Индиана, США
Рис. 10 Изображение LST на Нью-Йорк.
Много внимания обращается на изучение связи мощности растительного покрова и интенсивности теплового излучения. При сравнении двух таких изображений всегда обнаруживается ярко выраженная обратная связь. Эту связь оценивают чаще всего через анализ изображений LST и NDVI [19, 28]. Использование NDVI совместно с LST позволяет получить дополнительную информацию о поверхности Земли, такую как суммарное испарение и влажность почвы (особенно это касается территорий с разреженным растительным покровом). Результаты совместного анализа изображений LST и NDVI часто используются для оценки воздействия урбанизации [32], а совместное использование LST, NDVI и карт land cover/land use даёт наиболее полную картину [28]. Однако нередко указывается на недостаточную эффективность NDVI как средства оценки мощности растительного покрова в городе. Предлагаются другие методы оценки воздействия урбанизации, например, совместный анализ LST и фракции растительности из модели спектральной декомпозиции [33].
Исследователи занимаются и пространственно-временной динамикой островов тепла, как сезонной, так и суточной [11,12,15,27]. Используются данные таких сенсоров, как AVHRR/ NOAA, ТМ/Landsat, MODIS/Terra, а также авиационных и наземных аппаратов. Изучение суточной динамики позволяет достаточно полно оценить тепловые характеристики различных городских объектов, изменение амплитуды их температур в течение суток, выявить объекты, формирующие тепловые аномалии в разное время суток, определить время суток, лучше всего подходящее для проведения тепловой съёмки для тех или иных целей [11]. Однако при использовании тепловых снимков со спутников Landsat иллюстрировать с помощью космических снимков суточное изменение теплового острова сложно в силу особенностей орбиты спутников (орбита солнечносинхронная, в связи с чем спутник проходит над определённым местом в одно и то же время суток). Ночные снимки со спутников Landsat имеются в архивах, но их немного. Изучение сезонной динамики позволяет выявить изменение структуры островоа тепла в течение года, особенности динамики локальных тепловых аномалий, тепловые характеристики антропогенных и природных объектов в масштабе всего года [27].
Имеют место и комплексные исследования, в которых сочетаются построение изображений LST, изучение сезонной и суточной динамики в городах с различными климатическими условиями, статистический анализ, изучение связи между изображениями LST, NDVI и картами land cover/land use, изучение тепловых потоков [15]. В таких работах используются как снимки низкого пространственного разрешения и большого охвата, так и снимки со спутников Landsat. Исследования такого типа дают многостороннюю оценку явления островов тепла и вносят существенный вклад в исследования климата города и воздействия урбанизации.
В качестве итога, отметим выявленные в результате обзора литературы основные направления спутникового геоэкологического мониторинга больших городов:
Следует также отметить, что в настоящее время проблеме городских островов тепла в нашей стране уделяется существенно меньше внимания, чем за рубежом, что определяет актуальность таких исследований в отечественной науке.
Что такое городской остров тепла?
PPAMPicture / Getty Images
Городской остров тепла – это любой город, в котором температура воздуха выше, чем в окружающей его местности. (Слово «остров» не буквально, а скорее аналогия с изолированными более высокими температурами.)
Большинство городов в той или иной степени испытывают эффект городского острова тепла. Однако города в густонаселенных регионах и с влажным климатом испытывают более сильный эффект.
По данным Агентства по охране окружающей среды (EPA), в центрах городов днем обычно на 0,5–4 градуса по Цельсию жарче, а ночью на 1–3 градуса по Цельсию теплее, чем в их менее развитых соседях. Однако, как отметила Национальная метеорологическая служба, перепады температур более 11 градусов не редкость. (1, 2)
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Geophysical Research Letters за 2017 год, в условиях, когда к середине XXI века тепловой стресс в городах будет вдвое выше, чем в прилегающих сельских районах, в ближайшие десятилетия эффект городского острова тепла будет только усиливаться. (3)
Что вызывает эффект теплового острова?
Деревья и другая растительность действуют как природные кондиционеры, создавая тень и испаряя воду из почвы и листьев. Островки тепла образуются, когда естественные ландшафты заменяются асфальтом, бетоном и камнем, используемыми для строительства дорог, зданий и других сооружений.
Эти искусственные материалы поглощают, хранят и повторно излучают солнечное тепло больше, чем природный ландшафт. В результате температура поверхности и общая температура воздуха повышаются. Простая суета городской жизни (дорожное движение, фабрики и плотная толпа) также выделяет тепло, которое еще больше усугубляет эффект острова тепла. Хотя эффект острова тепла обычно считается летним явлением, его можно почувствовать в любое время года, включая зиму, и в любое время суток. Тем не менее это наиболее заметно после захода солнца, когда тротуар и другие городские поверхности выделяют накопленное ранее тепло.
Эффект также наиболее силен при ясном небе и тихом ветре, поскольку в этих условиях максимальное количество солнечной энергии достигает городских поверхностей и, соответственно, минимизируется уносимое тепло.
Воздействие эффекта городского острова тепла
Горожане могут считать более высокие температуры неизбежной частью городской жизни (наряду с шумом, световым загрязнением и случайными грызунами), но к эффекту острова тепла нельзя относиться легкомысленно. Города становятся все более уязвимыми для негативного воздействия городской жары по мере потепления климата Земли.
Повышенный риск теплового удара
Повышенное потребление энергии
Спрос на энергию также выше в городах с островом тепла, поскольку жители в большей степени зависят от кондиционеров и вентиляторов, чтобы сохранять прохладу в летние месяцы. Это, конечно, означает более высокие коммунальные платежи. Это также может означать перебои с подачей электроэнергии, если спрос на электроэнергию становится настолько высоким, что приводит к перегрузке энергосистемы и провоцирует отключение электричества в городе.
Загрязнение воздуха
По мере того, как электростанции, работающие на ископаемом топливе, идут в ногу с ростом спроса на электроэнергию летом, они выбрасывают в атмосферу все больше парниковых газов. Городское тепло также напрямую способствует загрязнению воздуха, смешиваясь с выхлопными газами транспортных средств с образованием приземного озона. Чем солнечнее и горячее становится воздух, тем быстрее образуется озон.
Как городские сообщества охлаждаются?
marcin_szmyd / Getty Images
Большинство усилий по охлаждению городских сообществ основаны на возвращении растительности обратно в городскую среду, чтобы имитировать естественное охлаждение, затенение и методы отражения самой матери-природы. Например, некоторые города добавляют в свои проекты развития больше парков, зеленых насаждений и усаженных деревьями улиц.
Сообщества также все чаще принимают «зеленую» или эко-архитектуру и включают такие элементы, как зеленые крыши, которые снижают температуру в помещении и на улице, в конструкции зданий.
Несколько городов также выступают с инициативами по уменьшению воздействия тепловых островов за счет повышения отражательной способности существующих городских поверхностей. Некоторые города, например, добавили правила белых крыш к своим строительным нормам. (Белые поверхности, такие как свежий снег, отражают до 90% солнечного света, по сравнению с темными поверхностями, такими как асфальт, которые отражаются примерно 5%.) Аналогичным образом, ряд городов представили различные пилотные проекты «прохладного тротуара», в ходе которых город окрашивал традиционные асфальтовые дороги в оттенки светло-серого и белого. (4)
Такие, казалось бы, простые действия могут иметь серьезные последствия. Исследование, проведенное Викторианским центром исследований по адаптации к изменению климата, показало, что в связи с увеличением растительности в Мельбурне, Австралия, на 10%, дневная температура воздуха в городе снизилась почти на 1 градус по Цельсию во время экстремальной жары. (5)
Что вы можете сделать, чтобы уменьшить тепловые острова:
Научный журналист, освещающий широкий круг тем, касающихся окружающей среды, климатического кризиса, загрязнения и жизни людей. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
Что такое городской тепловой остров
Любому жителю мегаполиса известно, что в центре города всегда теплее, чем на окраинах, а на природе легче дышится, чем на улицах даже самого благополучного из городских районов.
Работа огромного количества автомобильных двигателей, заводов и электро- и теплостанций, отопительных и вентиляционных систем и другие антропогенные процессы приводят к выбросу в атмосферу большого количества тепла и газов. При этом здания, дороги и другие объекты городской инфраструктуры поглощают и повторно излучают солнечное тепло гораздо интенсивнее, чем природные ландшафты. Явление, которое получило название «тепловой остров», появилось и было описано задолго до нашего экологически неспокойного времени.
Эффект городского теплового острова (Urban Heat Island) был замечен и открыт в 1810-х годах британским ученым-метеорологом Люком Говардом.
Измеряя температуру в столице и ее окрестностях для описания в книге «Климат Лондона», будущий член Лондонского королевского общества по развитию знаний о природе заметил, что в городе значительно теплее в любое время года.
Ученые обнаружили, что повышенное тепловыделение даже нескольких городских районов может нагревать атмосферу удаленно, за тысячи километров от регионов повышенного выделения энергии.
Прогрессирующий рост городского населения и разрастание мегаполисов постоянно испытывают на прочность возможности природной среды.
В среднем в центре мегаполиса во все сезоны теплее, чем в области, на 2,5— 4,3 °С, а также теплее, чем на окраинах и в ближних сателлитах, на 2–2,8 °С. Наименьшая разница в температурах отмечается осенью — на 1–2 °С.
Учитывая сопутствующее им повышение содержания в воздухе оксида углерода, углекислого газа и аэрозольных выбросов, результатом такого взаимодействия, при определенных погодных условиях, становится температурная инверсия.
Часто это явление возникает в течение дня и становится более выраженным после захода солнца из-за медленной отдачи тепла объектами городской инфраструктуры.
Инверсия препятствует вертикальным перемещениям воздуха и рассеиванию загрязняющих веществ в атмосфере, что чревато образованием парникового эффекта или смога. В связи с этим над городом существенно меняется метеорологический фон, который может оказывать негативное влияние на здоровье.
Над выявлением температурной инверсии работают специальные службы Мосэкомониторинга. Разработанные в России уникальные метеорологические приборы — профилемеры МТР-5 позволяют получить данные о температуре воздуха на различных высотах.
Городские острова тепла образуются в результате нескольких факторов:
На сегодняшний день в мире выработан стандартный набор мер и экологических стратегий, применение которых позволяет защитить город от эффекта локального перегрева.
Первая станция метеорологических наблюдений появилась в Москве при Межевом институте еще в 1853 году, но сравнительный анализ температур в городе и за его пределами стал постоянно вестись только с 1879 года, когда появились уже две таких станции.
Согласно истории метеонаблюдений остров тепла, сформировавшийся в центре Москвы к 1950-м годам, вплоть до конца XX века практически не менялся. Несмотря на интенсивный прирост городских территорий и численности населения, не росла его плотность — существенный фактор, оказывающий не меньшее влияние на формирование теплового острова, чем количество личных авто.
И несмотря на то, что у нас еще не слишком распространены зеленые крыши или покрытие ограждающих конструкций зданий краской на основе диоксида титана, москвичам определенно повезло с местом жительства.
Москва не относится к числу чрезмерно загрязненных мегаполисов — более 50% территории столицы покрыто зелеными насаждениями, включая особо охраняемые природные территории (ООПТ), которых нет ни в одном крупном городе мира. И число озелененных территорий в черте города каждый год только растет.
Помимо заботы о подведомственных ему зеленых насаждениях, московский Департамент природопользования и охраны окружающей среды ежедневно информирует москвичей о составе воздуха, а все другие параметры, в том числе и данные о температурной инверсии, можно в режиме реального времени увидеть на сайте Мосэкомониторинга.