Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 341-345

ВВЕДЕНИЕ

Источником информации о термическом режиме той или иной местности являются данные ближайших метеорологических станций (МС). Как правило, главным критерием отбора, становится их наиболее близкое положение. Данный подход нельзя считать правильным. Многочисленные полевые исследования показывают, что основные климатические показатели из-за особенностей микроклимата на близких расстояниях могут изменяться даже сильнее, чем при переходе из одной климатической зоны в другую [1]. В частности, микроклиматическая изменчивость термических характеристик воздуха может на порядок превышать свой характерный широтный и высотный градиент.

В условиях неоднородной подстилающей поверхности или сложного рельефа перенос данных МС на районы, не охваченные регулярными наблюдениями, не всегда оказывается корректным. Например, температурные напряжения растяжения или сжатия в проводах электрических линий или железнодорожных рельсах зависят именно от локальной температуры, которая может сильно отличаться от ее значения на ближайшей МС. Было показано, что на территории Мурманской области перепады температур зимой даже в условиях слабохолмистого рельефа за счет разных условий для стока и накопления холодного воздуха по элементам рельефа на расстоянии всего в 2–3 км могут достигать 10–15°С [2].

В случае температуры воздуха или почвы проблема частично решается введением микроклиматических поправок, значения которых для разных условий приведены в ряде специальных изданий (см., например, [1]). Гораздо менее изученным является вопрос о микроклиматических вариациях температуры искусственных поверхностей (автодороги, крыши и стены зданий, другие конструкции и сооружения). Между тем, для правильной эксплуатации многих объектов такой учет представляется необходимым.

Целью данной работы является обнаружение и количественная оценка эффекта окружающего микроклимата на температуру ряда искусственных поверхностей (ИП).

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ

В работе использованы измерения, выполненные Полярным геофизическим институтом в Мурманской области, а также данные Территориально-ситуационного центра ФКУ “Управление Федеральной автомобильной магистрали Санкт-Петербург–Мурманск” (ФКУ Упрдор “Кола”).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Температура искусственных поверхностей (Т_ИП) зависит от большого числа факторов: интенсивности солнечного излучения, погодные условия (облака, осадки, ветер), вида, цвета и текстуры материала, его формы и пространственной ориентации, условий затенения, теплопереноса посредством теплопроводности внутрь конструкции, теплообмена с наружным воздухом, величины длинноволновой тепловой эмиссии. Суммарный эффект этих факторов проявляется в очень сложной картине пространственного распределения Т_ИП над техногенной территорией даже в условиях однородного микроклимата.

Общее представление о суточном ходе температуры по ряду наиболее характерных для города поверхностей можно получить из рис. 1. Днем ИП нагреваются за счет поглощения солнечной радиации. Температура отдельных объектов может на десятки градусов отличаться от температуры прилегающих слоев воздуха. Для сравнения, температура незатененных листьев в большинстве случаев в зависимости от их ориентации лишь на 2–4°С выше, чем воздуха [4].

Рис. 1.

Суточный ход температур в ориентированном с запада на восток уличном каньоне: 1 – воздуха в каньоне, 2 – плоской крыши, 3 – дороги, 4 – северной стены, 5 – южной стены, 6 – внутри зданий, 7 – средняя каньона и крыш; рисунок построен по [3].

Тепловой режим ИП существенно отличатся от теплового режима природных объектов. В то же время ИП находятся в постоянном теплообмене с окружающим воздухом и, как следствие, должны реагировать на вариации его температуры, в т.ч., и микроклиматические.

Большой диапазон пространственных вариаций Т_ИП днем не позволят выделить в них в это время суток эффекты, вызванные микроклиматическими неоднородностями в поле температуры воздуха (Т_возд). Например, вариации дневной Т_возд в холмистом рельефе, как правило, не превышают 0.5–1.5°С [5]. В то же время разница в температуре, например, по поперечному сечению рельса (головка, шейка, подошва) на локальном участке с одинаковым окружающим микроклиматом в зависимости только от условий освещения этих поверхностей Солнцем достигает 10°С [6].

Картина меняется ночью. Длинноволновое излучение ИП выше, чем у воздуха. Благодаря этому поверхности быстро теряют тепло, а турбулентный теплообмен выравнивает их температуру и температуру прилегающего слоя воздуха. Температурный контраст разных ИП также уменьшается (рис. 1).

Для иллюстрации на рис. 2 показаны вариации температуры плоской поверхности крыши с битумным покрытием в г. Апатиты (Мурманская обл.) и Т_возд на высоте 50 см над ней. Хорошо заметен сильный перегрев поверхности крыши в дневные часы и кратковременные вариации температуры поверхности, вызванные меняющимися погодными условиями (изменения облачности или скорости ветра). В ночное время температура кровельной поверхности приближается к температуре окружающего воздуха, а при ясной сухой погоде даже опускается ниже. Эффект ночного охлаждения поверхности кровли одинаков как для темных, так и для светлых покрытий [7, 8].

Рис. 2.

а – Вариации Т_возд (1) и температуры поверхности плоской горизонтальной крыши с битумным покрытием (2); б – Т_возд (3) и температуры асфальта дорожного полотна (4); Мурманская обл.

Аналогичная картина наблюдается при сравнении Т_возд и дорожного покрытия (рис. 2б). В дневные часы поверхность автодороги перегревается, но ночью ее температура приближается к Т_возд, хотя и остается, как правило, выше из-за теплового потока из глубины дорожного полотна (в условиях Мурманской области солнечная радиация сохраняется и в июне – полярный день).

Повышенный интерес к этим двум типам поверхностей (крыши и дорожное полотно) не случаен. В дневные часы крыши, как правило, являются самыми перегретыми среди всех ИП в городе (рис. 1) и, очевидно, задают максимальное значение поверхностного городского острова тепла (ГОТ). В ночное время наиболее теплым становится дно уличных каньонов, составным элементом которого являются дороги.

Интересно также, что дневной поверхностный ГОТ наиболее выражен и заметно сильнее, чем ГОТ в Т_возд. Характерная максимальная интенсивность дневного поверхностного ГОТ достигает 10–15°C, а ГОТ в температуре воздуха – менее 3°C [9]. Ночные же ГОТ в температуре поверхности и в Т_возд довольно близки по масштабу: 5–10 и 7–12°C, соответственно. Это указывает на более близкие значения Т_ИП и Т_возд в ночное время (при осреднении их по территории).

В ряде практических задач температура Т_ИП в ночное время прямо задается линейной функцией от Т_возд (см., например, [10, 11]) или даже равной Т_возд [6]. Это подразумевает, что Т_ИП должна в той или иной степени отражать особенности окружающего микроклимата.

Важным фактором, сильно влияющим на температуру объектов, является скорость ветра, определяющая интенсивность турбулентного теплообмена. Ветер принадлежит к числу метеоэлементов со значительной пространственной изменчивостью. При этом наибольшие различия проявляются при небольших скоростях – при сильном ветре микроклиматические разности почти нивелируются. Например, при значениях скоростей ветра на открытом ровном месте до 3–5 м/с и устойчивой стратификации (ночь или зима) на вершинах небольших возвышенностей и верхних частях холмов с пологими склонами (крутизной 1–3 градуса) и относительными высотами менее 50 м скорость окажется в среднем в 1.4–1.7 раза сильнее, а в непродуваемых долинах и лощинах – почти в 2 раза ниже [12]. Таким образом, в условиях холмистого рельефа скорость ветра может отличаться многократно даже на соседних участках.

Для иллюстрации реальности присутствия в Т_ИП микроклиматической составляющей на рис. 3 показаны разности Т_возд и поверхностей дорожного полотна (асфальт) между двумя автоматическими дорожными метеостанциями (МС). Одна из них расположена в верхней части холма на высоте примерно 210 м н. у. м., а вторая – на прилегающей к холму равнине (135 м н. у. м.). Из-за неоднородностей в поле ветра и облачности разность температур между ними должна варьировать как в отрицательную, так и в положительную сторону примерно на одинаковую величину. В действительности она сильно смещена (табл. 1). В ясную тихую погоду холодный воздух, образующийся на приподнятых участках местности, как более тяжелый, стекает вниз. Благодаря этому верхние части холмов становятся теплее своих подножий и прилегающей равнины. При этом, появление стоковых течений проявляется как в увеличении разности Т_возд между вершиной холма и прилегающей равниной, так одновременно и в разности температур дорожного покрытия в указанных местоположениях (рис. 3). Средние микроклиматические поправки к ровному местоположению оказываются довольно близкими по величине (табл. 1), но диапазон вариаций Т_возд выше за счет большей тепловой инерции земляного полотна дороги [10].

Рис. 3.

Разности температур (1– температура воздуха, 2 – температура дорожного покрытия (асфальт) между МС в верхней части холма и на прилегающей равнине зимой 2016–2017 гг.; Мурманская обл.

Для северных регионов, где продолжительное время существует период с малыми потоками солнечной радиации или даже их полного отсутствия (полярная ночь), влияние микроклимата на Т_ИП может оказаться значительным. Наблюдения на территории Мурманской области показывают, что в отсутствии специальных измерений Т_ИП их микроклиматические вариации в первом приближении можно принять равными микроклиматической изменчивости Т_возд в данных ландшафтных условиях.

Необходимость учета влияние микроклимата на температуру ИП возникает и в задачах установления природы тепловых аномалий, регистрируемых на инфракрасных (ИК) изображениях со спутников. Интенсивность теплового излучения над городскими территориями выше естественного фона, и городам на ИК-изображениях, в целом, соответствуют положительная тепловая аномалия, наиболее выраженная над активно действующими промышленными предприятиями, промзонами, районами с плотной жилой застройкой. Но получение качественных ИК-снимков возможно только в ясную погоду и при отсутствии сильного ветра [13]. В ночное время эти требования соответствуют погодным условиям, когда в наибольшей степени проявляются естественные микроклиматические неоднородности изучаемой местности. Корректное восстановление поля температуры по ИК-изображениям здесь имеет особое значение, так как позволяет количественно оценить антропогенное воздействие на тепловой режим местности – ГОТ, считающийся одним из наиболее эффектных проявлений воздействия человека на климат. Принимая во внимание, что в температуре излучающих ИП содержится микроклиматическая составляющая, нельзя обнаруженные по данным дистанционного зондирования аномалии относить только к техногенным.

Примеры некорректной интерпретации тепловой аномалии в городах рассмотрены в работах [14, 15]. Так, в случае г. Апатиты игнорирование роли микроклимата приводит к объявлению о существовании в городе на площади всего 3 км², где нет промышленных предприятий, поверхностного ГОТ величиной до 3.2°С [16] – на порядок выше характерного значения ГОТ, рассчитанного по 56 крупнейшим городам Европы в зимний период (0.4 ± 0.4°С [17]). Если же учесть, что город занимает верхнюю часть холма, который на 30–70 м возвышается над равниной, и откуда осуществляется сток холодного воздуха, то в городе существует и естественная положительная аномалия в температуре Т_ИП. Например, температура автомобильных дорог выше, чем на равнине в среднем на 2.3°С (и более, если ограничиться выборкой только безоблачных дней, когда возможно получение ИК-изображений), а в максимуме – до 10°С (табл. 1). Прямые метеорологические наблюдения в городе и в верхней части фоновых холмов подтверждают, что величина обнаруженной аномалии в действительности не выходит за пределы естественной микроклиматической изменчивости, возможной в холмистом рельефе [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Днем ИП за счет поглощения солнечной радиации нагреваются и их температура, как правило, выше температуры окружающего воздуха. Пространственное распределение Т_ИП в это время суток характеризуется значительными вариациями, вкладом в которые окружающего естественного микроклимата можно пренебречь.

Ночью температура ИП приближается к температуре прилегающего слоя воздуха. Так как характер теплообмена с окружающим воздухом, сама температура воздуха и интенсивность радиационного излучения существенно различаются в разных местоположениях, Т_ИП в отсутствии солнечной радиации также содержит информацию об окружающем микроклимате. При отсутствии прямых измерений для оценки обусловленного микроклиматом диапазона температурных вариаций ИП можно принять, что они близки к значениям микроклиматической изменчивости Т_возд в данной местности.