Городской климат

Городской климат: физические особенности, процессы и последствия

Городской климат представляет собой модифицированную версию климата природной территории вследствие урбанизации и хозяйственной деятельности. Наиболее заметное проявление — эффект городского теплового острова (ГТО), заключающийся в устойчивом повышении температуры воздуха и поверхности в городской черте по сравнению с окружающей сельской местностью.

Физическая природа ГТО обусловлена несколькими факторами:

Изменение альбедо. Городские поверхности (асфальт, бетон, крыши) имеют низкое альбедо и поглощают больше солнечной радиации.
Теплоемкость и теплопроводность материалов. Искусственные покрытия обладают высокой теплоемкостью и способностью долго сохранять тепло.
Механизмы теплоотдачи. Уменьшение турбулентного перемешивания воздуха в условиях плотной застройки ограничивает конвективный теплообмен.
Эмиссия антропогенного тепла. Отопление зданий, транспорт, промышленность являются постоянными источниками тепловой энергии.
Снижение испарения. Уменьшение площади зелёных насаждений и водоёмов уменьшает количество энергии, идущей на испарение влаги.

По вертикали температурные аномалии наибольшие в приземном слое и затухают с высотой, однако могут распространяться на сотни метров, в зависимости от погодных условий и высоты застройки.

Радиационный баланс в городской среде

В городской атмосфере радикально меняется структура радиационного баланса. Его компоненты:

Прямая солнечная радиация ослабляется за счёт аэрозольного загрязнения.
Отражённая радиация уменьшается вследствие снижения альбедо поверхности.
Длинноволновое излучение увеличивается, поскольку город излучает в инфракрасном диапазоне интенсивнее вследствие повышенной температуры поверхностей.
Рассеянная радиация возрастает из-за высоких концентраций пыли, сажи и других аэрозолей.

Результат: общий радиационный баланс города смещён в сторону положительных значений, что приводит к дополнительному нагреву приземного слоя воздуха и поверхностей.

Динамические особенности и модификация ветрового режима

Городская застройка формирует специфические аэродинамические условия, влияющие на структуру воздушного потока:

Замедление ветра в приземном слое из-за увеличенного аэродинамического сопротивления.
Формирование турбулентности за счёт неоднородности рельефа и высотной дифференциации зданий.
Появление локальных вихрей, канализации потоков, усиление вертикальных движений (конвекции) в тёплое время года.

В городских каньонах (улицах, окружённых высокими зданиями) могут возникать рециркуляционные ячейки, замедляющие вентиляцию воздуха и способствующие накоплению загрязняющих веществ.

Влажностный режим и гидрологический ответ

Города характеризуются пониженной влажностью воздуха по следующим причинам:

Редукция естественного испарения из-за замещения почвы и растительности искусственными покрытиями.
Ускоренный поверхностный сток из-за слабой инфильтрации осадков в почву.
Повышенная температура воздуха увеличивает испарение с оставшихся влажных поверхностей и ускоряет высушивание атмосферы.

Модификация гидрологического режима проявляется в виде:

Увеличения числа и интенсивности ливневых паводков.
Снижения уровня грунтовых вод.
Повышения температуры сточных и поверхностных вод.

Осадки и облачность в городской среде

Наблюдаются следующие климатические эффекты:

Увеличение количества осадков в пределах города и в подветренной стороне вследствие усиления вертикальных движений, индуцированных ГТО.
Частичная интенсификация грозовой активности за счёт конвективного потенциала.
Изменения в структуре и микрофизике облаков — аэрозоли играют роль ядер конденсации, что влияет на распределение капельных размеров и длительность осадков.

Однако интенсивность осадков может быть локализованной и зависеть от синоптической ситуации.

Химическое загрязнение атмосферы в условиях урбанизации

Городская атмосфера насыщена различными загрязняющими примесями:

Аэрозоли (пыль, сажа, соли тяжёлых металлов).
Газообразные соединения: NOₓ, CO, SO₂, летучие органические соединения (ЛОС).
Фотохимический смог, образующийся при участии солнечной радиации и ЛОС, особенно в летние дни.

Физико-химические трансформации загрязнителей могут быть ускорены за счёт высокой температуры и интенсивной солнечной радиации.

В связи с этим формируются стойкие загрязнённые слои воздуха, особенно в условиях антициклона и слабой вентиляции, что может вызывать эпизоды резкого ухудшения качества воздуха и роста заболеваемости.

Биоклиматические последствия

Повышенная температура воздуха, особенно в ночное время, ухудшает условия терморегуляции человека. В жаркие периоды это приводит к:

Увеличению числа тепловых ударов и сердечно-сосудистых осложнений.
Повышению нагрузки на системы кондиционирования и энергосетевые инфраструктуры.
Снижению работоспособности и увеличению физиологического дискомфорта.

В то же время высокая концентрация загрязняющих веществ увеличивает риск развития респираторных и онкологических заболеваний.

Локальные климатические зоны города (LCZ)

С целью количественного описания городского климата применяется концепция локальных климатических зон (Local Climate Zones, LCZ). Она классифицирует городскую территорию на участки с однородными характеристиками в плане:

Степени застройки.
Высоты и плотности зданий.
Процентного содержания зелёных насаждений.
Термальных и аэродинамических свойств поверхности.

Применение LCZ даёт возможность:

Повысить точность метеорологических наблюдений и численного моделирования.
Оценить вклад разных районов в формирование ГТО.
Разрабатывать адресные климатические меры по снижению перегрева и загрязнения воздуха.

Моделирование и численные методы

Для изучения и прогноза городского климата применяются:

Местные метеорологические модели высокого разрешения, включающие параметры поверхности, транспорта и энергетического обмена.
Модели турбулентности и конвекции, учитывающие сложную геометрию городской среды.
Глобальные климатические модели (GCMs) с вложенными урбанистическими параметрами.

Численное моделирование позволяет исследовать влияние:

Изменений в типах застройки.
Роль зелёной инфраструктуры.
Эффективность адаптационных решений (зелёные крыши, увеличение альбедо, вентиляционные коридоры и пр.).

Адаптация и климатически устойчивое планирование

Городской климат не является неизменным — его можно смягчать средствами инженерного и ландшафтного проектирования:

Увеличение зелёных и водных пространств для усиления испарительного охлаждения.
Использование светоотражающих материалов для снижения теплопоглощения.
Создание ветродувных коридоров для вентиляции и разбавления загрязнённого воздуха.
Разделение функциональных зон (промышленность, жилые кварталы) с учётом преобладающих ветров.

Сочетание научных данных, моделирования и градостроительной практики позволяет формировать климатически устойчивые города, в которых минимизируются негативные проявления урбанизированного климата при сохранении комфортной среды обитания.