Микроклимат как явление приземного слоя атмосферы

Непреднамеренные воздействия человека на климат

Изменение климата в период инструментальных наблюдений

Изменение климата за последнее тысячелетие

Непостоянство климата, возможные причины его колебаний

Изменения и колебания климата

Влияние рельефа на микроклимат

Микроклиматы водоемов и прибрежных территорий

Микроклимат как явление приземного слоя атмосферы

План лекции

Лекция 6. Климат и микроклимат города

 

Климатические факторы— важнейшая характеристика городской среды. Местные особенности климата, обусловленные неоднородностью строения подстилающей поверхности и существенно меняющиеся на небольших расстояниях, называют микроклиматом.

Поверхность, воспринимающую и отдающую энергию, являющую­ся источником температурных колебаний прилегающих слоев воздуха и почвы, А.И.Воейков назвал внешней деятельной поверхностью.

Процессы поглощения и излучения радиации, испарения и теплообме­на происходят не только на поверхности, но всегда охватывают слой различной толщины. Выделяют также деятельный слой земной поверх­ности, в котором практически полностью усваивается вся поглощенная радиация.

В географическом районе с одним и тем же типом климата могут наблюдаться различные варианты микроклимата: леса, поляны, холмов, долин, озер, болот, города.

Наряду с понятием “микроклимат” существует понятие "мезоклимат" как промежуточное звено между макроклиматом и микроклиматом.

Мезоклиматические особенности формируются под действием как макромасштабных, так и мезомасштабных неоднородностей достаточ­но большой площади. К макромасштабным неоднородностям относятся горный рельеф, океаны, моря, а мезомасштабные характеризуют холмистый рельеф, реки, озера, пестроту почвенно-растительного по­крова, большие города.

Существующие в природе микронеоднородно­сти подстилающей поверхности (бугры, кочки, борозды) также влияют на метеорологический режим самого нижнего припочвенного слоя воз­духа и верхних слоев почвы. Такие вариации метеорежима предложено именовать наноклиматическими. Различия эти могут быть существен­ными, и их необходимо принимать во внимание.

Город представляет протяженную мезонеоднородность. Он создает свой местный климат, а на отдельных его улицах и площадях создают­ся микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, покрытием улиц, распределением зеленых насаждений, водоемов.

Состояние микроклимата в значительной степени определяется антропогенным воздействием на окружающую среду и прежде всего загрязнением. Загрязнение городской атмосферы влияет на такие компоненты город­ского климата как осадки, количество и интенсивность туманов, радиационный баланс.

Неблагоприят­ный характер рассеивания вредных ве­ществ наблюдается, в частности, при наступлении температурных инверсий. Инверсии представляют собой такое состояние атмосферы, при котором температура в приземном слое возду­ха растет, а не падает, как это бы­вает в обычных условиях. При этом нижняя, менее нагретая поверхность инверсионного слоя вследствие боль­шей плотности, играет роль экрана, от которого факел загрязняющих ве­ществ отражается к земле и распрост­раняется на большие расстояния (рис. 6.1).

Значительное повышение уровня загрязнения воздушного бассейна, как правило, наблюдается при застоях воз­духа (сочетание слабых ветров с при­земными инверсиями температуры) и штилях (низкие скорости ветра в гра­дации от 0 до 1 м/с). Такие метео­рологические условия характерны, на­пример, для районов горных долин, где имеет место скопление более плот­ного и холодного воздуха в приземном слое, часто наблюдается высокая ус­тойчивость состояния воздушных масс. По­ложительную роль в очищении атмос­феры играют интенсивное перемешива­ние воздушных масс, которое может складываться на фоне повышенных скоростей ветра и других факторов, а также осадки, обеспечивающие вымы­вание примесей из атмосферы.

Особенно тесная коррелятив­ная связь существует между степенью загрязнения городской атмосферы и интенсивностью приходящей прямой солнечной радиации. Солнечная радиация в условиях больших промышленных городов оказывается пониженной вследствие уменьшения прозрачности из-за дыма и пыли. За счет увеличения мутности атмосферы в среднем мо­жет теряться до 20% солнечной радиации, особенно сильно ослабляет­ся приход ультрафиолетовой радиации. Так, например, различия в интенсивности прямой сол­нечной радиации в жилых и промыш­ленных районах города достигают в летний период 20— 22 %. В радиусе до 3 км в непосредственной близости к крупным промышленным предприяти­ям ослабление интенсивности прямой солнечной радиации может составить 35—40 %.

Лучи солнца повышают жизнен­ный тонус у людей, живущих в средней полосе страны. При недостатке солнечных дней появляются усталость и раздражитель­ность, ухудшается обмен веществ и др. Поскольку ультрафиолетовые лучи убивают микробы, то при недо­статочности облучения солнцем возрастает бактериальная загрязнен­ность воздуха.

Город, представляя собой довольно эффективную систему для нагрева сол­нечным теплом больших масс воздуха, при соответствующих метеорологичес­ких условиях (штиль, низкий расход тепла на испарение и др.) способствует образованию «острова тепла», влияющего на загрязнённость воздушного бассейна (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1. Образование «острова тепла»: а – схема распространения промышленных выбросов при образовании «острова тепла» (глубокая приземная инверсия); б – циркуляция в нижнем слое атмосферы над городом.

Поглощение радиации различными городскими поверхностями (стены и кровли зданий, асфальт, газон…) и как следствие их нагрев оказывают влия­ние на повышение температурного ре­жима приземного слоя воздуха. Весьма значительной является величина при­тока дополнительного тепла в связи с деятельностью города (обогрев зданий, работа транспорта и пр.). В результате формируются температурные различия город — загородная местность, дости­гающие в отдельных случаях до 8° С (в среднем 1—4° С).

Большая часть города представляет собой "плато" теплого воздуха с небольшим повышением температуры по направлению к центру горо­да. Термическая однородность этого плато нарушается влиянием пар­ков и озер (области холода) и плотной застройкой промышленных и административных зданий (области тепла). В центральной части больших городов располагается "пик" острова тепла, где температура воздуха максимальна.

Жара и застойные явления могут стать причи­ной тяжелых сердечно-сосудистых заболеваний, приступов и даже смерти. В особо тяжелых случаях, при температуре воздуха более 40°С, смертность возрастает в два-три раза.

Представление о разности температур между городом и пригородом в различных физико-географических районах дают кривые годового хода этих разностей. Для Москвы и С.Петербурга разность температур го­род-пригород в среднем за год составляет около 10C - температура в городе выше. В южных городах (Ашхабад и Харьков) в летние месяцы температура ниже, чем в пригороде. Это в первую очередь связано с озеленением городов, днем прохладнее, а в ночное время теплее, чем в пригородной зоне.

Значительным фактором образова­ния острова тепла является отноше­ние поверхностей, деятельных с точки зрения испарения, к недеятельным. Если растительный покров почти 60 % энергии тратит на испарение, то плот­но застроенные поверхности — лишь около 15 %. В результате этого в горо­дах приземный слой воздуха получает более чем в три раза больше тепла по сравнению с естественными поверх­ностями, что представляет собой осно­ву формирования городского «острова тепла».

По данным различных авторов, тепловое влияние городов четко про­является в пределах 100-500 метро­вого слоя. Одновременно с этим в климате города обнаруживается мно­го общих признаков иногда и до вы­соты 1 км. Большая шероховатость подстилающей поверхности и остров тепла обусловливают особенности ветрового режима в условиях горо­да. При слабых ветрах (1-3 м/с) мо­жет возникнуть городская циркуля­ция. У поверхности Земли течения направлены к центру, где располага­ется остров тепла, а наверху наблю­дается отток воздуха к окраинам го­рода.

В городе различия в нагреве ос­вещенных и затененных частей улиц и дворов определяют местную цир­куляцию воздуха. Восходящие движения формируются над поверхностью освещенных стен, а нисходя­щие - над затененными стенами. Наличие в городах водоемов способ­ствует развитию дневной местной циркуляции от водоема к городским участкам, а ночью наоборот.

Ветровой режим крупных городов характеризуется снижением ско­рости ветра в городе по сравнению с пригородом. В некоторых случаях в городе возможно усиление скорости ветра: при направлениях ветра, совпадающих с направлением улицы, ограниченной многоэтажными зда­ниями.

В городах, где скорость ветра незна­чительна, могут иметь место искус­ственные бризы, которые возникают при разности давления воздуха между отдельными участками, в частности при возникновении разности температур на этих участках. Так, например, такое движение воздуха может воз­никнуть между городом и окрест­ностями, между зеленым массивом и прилегающей территорией застрой­ки, между затененной частью участ­ка и площадкой, облучаемой солн­цем. Создание искусственных бри­зов — важный вопрос, который может повлиять на систему проветривания, систему озеленения города.

Влажность воздуха в крупных городах ниже, чем в окрестностях, что связано с повышением температуры и общим понижением влаги в атмосфере над городом вследствие уменьшения испарения. Различия в абсолютной влажности могут достигать 2,0-2,5 гПа и относительной влажности 11-20 %.

Контрасты влажности город - окрестности в годовом ходе имеют максимальные значения в летний период, а в суточном ходе - в вечерние часы. Ранним вечером воздух в сельской местности охлаждается быс­трее, и стратификация делается более устойчивой по сравнению с усло­виями в городской застройке. В нижних слоях воздуха происходит уве­личение влаги, поскольку испарение у Земли превосходит отток влаги в верхние слои из-за ослабленного турбулентного обмена. В течение пос­ледующей ночи выпадающая роса уменьшает влажность у поверхнос­ти Земли. В городах, наоборот, сочетания слабого образования росы, наличия антропогенных источников водяного пара и областей застойно­го воздуха обеспечивают большую влажность в городских застройках. Днем развитая термическая неустойчивость обеспечивает обмен вла­гой между нижними и верхними слоями воздуха, и различие между го­родом и его окрестностями сглаживается.

В широтных зонах, где зимой поверхность Земли покрывается сне­гом или замерзает, воздух в большом городе может быть более влаж­ным и днем, за счет антропогенных источников, обеспечивающих значительное поступление водяного пара в атмосферу. При рассмотрении влияния города на осадки необходимо раздельно рассматривать твер­дые и жидкие осадки, поскольку влияние города на каждый из назван­ных видов будет различным. В зимний период года различия в суммах осадков обычно незначительны. В летнее время наибольшие суммы осадков выпадают над городом, но не в центральной его части, а на окраинах. Если влажность воздуха достаточно высокая, то повышен­ная конвективная неустойчивость и загрязненность воздуха над горо­дом способствуют образованию облачности.

Имеющиеся различия в температурно-влажностном режиме город-пригород проявляются и в распределении атмосферных явлений. Тума­нов в городе в связи с повышением температуры и понижением относи­тельной влажности может быть меньше, чем за городом.

Исследования грозовой деятельности в различных районах показа­ли, что средняя суммарная продолжительность всех гроз за год в горо­де в 1 ,5-2,5 раза меньше, чем в его окрестностях.

Таблица 6.1

Общие закономерности формирования микроклимата в городских условиях