Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова, РУДН, Московского центра фундаментальной и прикладной математики совместно с немецкими коллегами из Рурского университета в Бохуме, Фрайбургского университета и Берлинского технического университета установили, что в формирование городского острова тепла значительный вклад вносят не только чередование локальных климатических зон, как считалось ранее, но и неоднородность городской среды на масштабах нескольких километров.
«Ранее считалось, что пространственная неоднородность температуры в городе связана, главным образом, с чередование локальных климатических зон — участков с однородным типом поверхности и застройкой протяженностью порядка первых сотен метров. Но оказалось, что „большое видится на расстояньи“, и каждая из таких зон вносит свой вклад в формирование острова тепла на масштабе всего города. Это можно сравнить с эффектом синергии — результат взаимодействия нескольких факторов оказывается мощнее, чем сумма эффектов, вызванных этими же факторами по отдельности. Открытие поможет более точно прогнозировать изменения климата мегаполисов и осуществлять правильное городское планирование», — рассказал Михаил Варенцов, кандидат географических наук, научный сотрудник Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ.
В мегаполисах наблюдается увеличение температуры воздуха на несколько градусов по сравнению с загородными территориями. Это явление называют городским островом тепла. При этом городская среда крайне неоднородна: она включает многоэтажные жилые застройки, промышленные зоны, парки и т. д. Поэтому при исследовании островов тепла ученые часто сравнивают между собой разницу температур небольших однородных участков протяженностью менее одного километра, называемых локальными климатическими зонами. Такой подход позволяет объяснить основные особенности городского климата — например, в зоне многоэтажной застройка теплее, чем в «частном секторе» и парках. Однако он не дает представлений о городском острове тепла как о целостном явлении, который создается всей территорией города и оказывает влияние на региональные циркуляции атмосферы, облачность и осадки.
Исследование проводилось на примере крупнейшего российского мегаполиса — города Москва. Здесь проживает более 17 миллионов человек и наблюдается ярко выраженный эффект городского острова тепла: среднегодовая температура на 2 °C превышает значения, характерные для Московской области, а в отдельные дни контрасты превышают 10 °C. Новизна исследования заключается в использовании не только данных государственных сетей мониторинга, но и «народных метеостанций» сети Netatmo. Это позволило ученым проанализировать измерения температуру в более чем полутора тысячах точках в Москве и окрестностях. Далее распределение температуры сопоставили с типами локальных климатических зон, включающих такие классы как многоэтажные и одноэтажные дома, промышленные объекты, лесопарковые зоны и т. д.
Наиболее ярко эффект острова тепла выражен в районах плотной среднеэтажной застройки и многоэтажных жилых комплексов. При этом климат схожих по типу застройки и землепользования территорий может различаться в зависимости от их окружения и расположения в пределах города.
Например, в зоне многоэтажной застройки в центре города будет теплее, чем в зоне такой же застройки в окружении зеленых массивов и «частного сектора» на окраине. Чтобы определить вклад неоднородность городской среды на различных масштабах в формирование острова тепла, ученые использовали детализированные картографические данные о параметрах городской среды и земельного покрова, такие как плотность застройки и запечатанность территории.
Оказалось, что климат отдельно взятой точки определяется свойствами городской среды в ее окрестностях не только на локальном масштабе (в радиусе первых сотен метров), но и на мезомасштабе (в радиусе до 10 км). Это связано с тем, что тепловые эффекты небольших однородных участков аккумулируются и переносятся воздушными потоками над городом. В результате формируется мезомасштабный остров тепла, который выражен наиболее ярко в центральных районах Москвы, но за счет атмосферного переноса может распространяться к окраинам мегаполиса и даже в пригороды.
«Наше исследование показало, что наравне с особенностями застройки отдельных кварталов и микрорайонов, необходимо учитывать неоднородность подстилающей поверхности на масштабах всего города или его крупных округов. Это позволяет лучше понимать и предсказывать пространственную картину острова тепла в задачах прогноза погоды, оценки термического комфорта и градостроительного планирования. В дальнейшем мы планируем исследовать, как влияет на остров тепла скорость и направление атмосферного переноса», — добавил Михаил Варенцов.