Оценка городского острова тепла в условиях сложного рельефа и неоднородной подстилающей поверхности

Наиболее известной особенностью городского микроклимата является т.н. «остров тепла» – область внутри города с более высокой по сравнению с окружающей сельской местностью температурой воздуха. ГОТ рассматривается как один из самых наглядных примеров мезомасштабного изменения климата в результате деятельности человека.
Традиционно ГОТ обнаруживается сравнением температуры воздуха в городе и ближайших фоновых районах. Однако из-за редкой сети метеорологических станций (мс) их показания не всегда подходят для изучения ГОТ. Например, ландшафт участка, окружающего городскую мс, может оказаться нехарактерным для других районов города, а разность температуры городской и фоновой мс зависит от микроклимата в местах их размещения. Так, например, температура воздуха в г. Апатиты (Мурманская область) заметно выше, чем в его ближайших пригородах [2]. Если подходить к явлению чисто формально (в городе теплее), можно было бы говорить о рекордной даже для крупнейших мегаполисов мира величине ГОТ на территории всего 3 км2, где нет промышленных предприятий и значительная часть занята парками: зимой она достигает 10-15°С, а летом (уже только ночью) 6-8°С.
Однако относить обнаруженную положительную разность температур к ГОТ было бы преждевременно. Город Апатиты занимает верхнюю часть холма, возвышающегося над окружающей равниной на 20-70 м. Из-за стока холодного воздуха вниз такие местоположения характеризуются более высокими минимальными температурами. Для объективной количественной оценки ГОТ необходимо провести сравнение не ближайших, а схожих по микроклимату мс. В случае г. Апатиты такое сопоставление городской мс и фоновой автоматической дорожной метеорологической станцией (АДМС), расположенной также в верхней части холма, никаких аномально высоких температур в г. Апатиты не обнаруживает. Например, несмотря на наличие в городе мощных антропогенных источников тепла, коэффициент корреляции зимних температур между городской и фоновой мс достигает 0.96, а появление в городе теплой области происходит синхронно с возникновением теплой области на вершинах холмов, не подверженных антропогенному влиянию. Это свидетельствует о едином механизме их формирования. Разность температур между г. Апатиты и его ближайшими окрестностями во все сезоны не выходит за пределы естественной микроклиматической изменчивости температуры воздуха в холмистом рельефе [2].
Как показали наблюдения на Кольском п-ове, даже в условиях слабохолмистого рельефа с относительными превышениями менее 50 м существуют области со значительной разностью температур, достигающими зимой 15 и более °С, которые возникают из-за перераспределения холодного воздуха по элементам рельефа. Между тем, такие, на первый взгляд, незначительные неоднородности рельефа встречаются практически во всех городах и не могут быть игнорированы. Например, многие города Западной Сибири из-за низменной территории намеренно построены на возвышенных участках, чтобы избежать подтопления весенними паводками и строительства на водонасыщенных грунтах и изначально находятся в условиях иного микроклимата, чем окружающие их фоновые территории. Простое сравнение температуры воздуха в городе и за его пределами для обнаружения ГОТ в таких случаях оказывается некорректной процедурой.
Однако было бы неправильно сводить возникновение микроклиматических различий только к разности высот, так как при относительных превышениях до 100-150 м влияние высоты полностью перекрывается формами рельефа и условиями для стока и накопления холодного воздуха [1]. Кроме того, микроклиматические вариации создаются и множественными неоднородностями подстилающей поверхности. Так, например, на территории полевой учебно-экспериментальной станции «Мухрино» (Югорский университет, Ханты-Мансийский АО) на очень выровненном участке с перепадами менее 2 м на расстоянии всего 100-150 м в холодную морозную погоду довольно уверено выделяются более теплые и холодные участки с разностью температур до 2-2.5°С.
Эффективным инструментом изучения ГОТ могла бы стать инфракрасная (ИК) тепловая космическая съемка, по результатам которой восстанавливается температура земной поверхности. Очевидным преимуществом использования спутниковых снимков перед сетевыми измерениями является одновременный охват значительной территории, позволяющий сравнивать городские и пригородные участки и исследовать пространственные неоднородности ГОТ внутри районов города. Популярность данному методу придает и открытый (Интернет) доступ к многолетним данным дистанционного зондирования.
При изучении ГОТ по ИК-снимкам основное внимание уделяется неоднородностям в поле температуры, создаваемым промышленными и жилыми зонами, районами с различной плотностью застройки и озеленения, лесопарками, водными объектами. На наш взгляд этого оказывается недостаточно. Источником информации здесь является тепловое излучение подстилающей поверхности, которое зависит от ее температуры (среди прочих факторов). Однако температура подстилающей поверхности, в т.ч., и искусственных поверхностей (стены зданий, крыши, дорожные покрытия и т. д.), является очень чувствительным к микроклимату параметром.
Главным требованием к ИК-снимкам местности является полное отсутствие облачности всех ярусов, дымки, тумана. Кроме того, качественные контрастные снимки получаются при отсутствии ветра, сглаживающего термические неоднородности отдельных участков. Т.о., все они оказываются полученными в тех же погодных условиях, когда в наибольшей степени проявляются микроклиматические неоднородности изучаемой территории. В результате тепловое излучение искусственных городских поверхностей, которое используется для оценки величины ГОТ по результатам ИК-съемки, содержит в себе информацию не только об интенсивности антропогенных источников тепла на том или ином участке, но и особенностях окружающего микроклимата.
В условиях неоднородной подстилающей поверхности и сложного рельефа ИК-картирование городских территорий, по всей видимости, не может считаться достаточной процедурой для оценки масштаба антропогенного воздействия на тепловой режим воздуха в городе. Оно является эффективным приемом на первом (поисковом) этапе работы, но должно сопровождаться дополнительными полевыми микроклиматическими измерениями на месте.
Заметим, что при традиционных метеорологических измерениях оценка ГОТ проводится по всей выборке, в то время как оценка по ИК-изображениям – только в условиях ясного или малооблачного неба. По этой причине ГОТ, оцененный по ИК-снимкам, получается завышенным.
Не решает проблемы искажающей роли микроклимата при изучении ГОТ и математическое моделирование. Входным параметром для таких моделей является поток антропогенного тепла. Он содержит, в частности, потребление городом тепловой энергии, которое пропорционально температуре воздуха. Рассчитанный таким образом ГОТ оказывается пропорциональным температуре воздуха. Однако понижение температуры может происходить и вследствие радиационного выхолаживания подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха, которое, как известно, запускает механизмы, вызывающие стоковые процессы и создание микроклиматических различий. Таким образом, при сопоставлении рассчитанных модельных значений ГОТ и реально наблюдаемой разницы температур в холмистом рельефе происходит сравнение двух параметров, одновременно зависящих от одного и того же третьего – от температуры воздуха.
Строительство и хозяйственная деятельность человека в городах всегда сопровождаются изменением радиационных, температурных, аэродинамических и влажностных характеристик местности. По этой причине ГОТ в той или иной степени должен существовать во всех городах и населенных пунктах. Однако если мы говорим об антропогенном явлении и хотим оценить именно техногенное воздействие города на тепловой режим приземного слоя воздуха, то должны исключить все вариации, создаваемые рельефом и неоднородной подстилающей поверхностью. Это совершенно необходимо, так как возникающие за счет микроклимата неоднородности в поле температуры превышают характерные значения ГОТ крупнейших городов мира. Без учета микроклимата оценка ГОТ будет искаженной вплоть до того, что за ГОТ может быть выдано совсем другое явление.