Оценка микроклиматических особенностей территории. Микроклиматические характеристики городов

- 28.71 Кб

Введение

Климат - многолетний режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического положения.

Под климатом принято понимать усреднённое значение погоды за длительный промежуток времени (порядка нескольких десятилетий) то есть климат - это средняя погода. Таким образом, погода - это мгновенное состояние некоторых характеристик (температура, влажность, атмосферное давление). Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата. Для выявления изменений климата нужен значимый тренд характеристик атмосферы за длительный период времени порядка десятка лет.

Микроклимат

Микроклимат – комплекс физических факторов окружающей среды, оказывающий влияние на тепловой обмен организма и здоровье человека. К микроклиматическим показателям относятся температура, влажность и скорость движения воздуха, температура поверхностей ограждающих конструкций, предметов, оборудования, а также некоторые их производные (градиент температуры воздуха по вертикали и горизонтали помещения, интенсивность теплового излучения от внутренних поверхностей).

Воздействие комплекса микроклиматических факторов отражается на теплоощущении человека и обусловливает особенности физиологических реакций организма. Температурные воздействия, выходящие за пределы нейтральных колебаний, вызывают изменения тонуса мышц, периферических сосудов, деятельности потовых желез, теплопродукции. При этом постоянство теплового баланса достигается за счет значительного напряжения терморегуляции, что отрицательно сказывается на самочувствии, работоспособности человека, его состоянии здоровья.

Микроклимат города - важнейшая характеристика городской среды. Состояние микроклимата города определяется в значительной мере антропогенным воздействием на окружающую среду и прежде всего ее загрязнением. Оно оказывает влияние на освещенность, количество поступающей от Солнца радиации, влажность и др. Один из важных компонентов микроклимата, оказывающих заметное влияние на организм человека - температурный режим воздуха. Как микроклиматический показатель, температура воздуха интегрирует множество факторов климатообразования самого разного масштаба количество поступающей к поверхности земли солнечной радиации, поглощающие, отражающие и излучающие свойства подстилающей поверхности и предметов (зданий, сооружений) на ней расположенных, преобладающие типы атмосферной циркуляции, структуру микромасштабной циркуляции, выделение техногенного тепла и т.д.

Наиболее ярко влияние урбанизации на климат прослеживается в образовании на территории городов устойчивых положительных аномалий температуры островов тепла. Их интенсивность зависит от площади и плотности застройки, ее теплотности, количества жителей, естественных природно-климатических условий. В общем случае, чем больше город, тем больше положительная аномалия температуры воздуха в нем. В климатическом выражении для малых и средних городов умеренной зоны контраст температуры город-пригород составляет величину 12 С в среднем за год.

Тепловые ощущения на территории города при одной и той же температуре воздуха могут существенно различаться в зависимости от температуры окружающих человека поверхностей. Например, переходя в жаркий солнечный летний день на теневую сторону улицы, мы намного меньше страдаем от перегрева, хотя воздух на обеих сторонах улицы имеет примерно одинаковую температуру. Это происходит из-за того, что процесс теплообмена организма с окружающей средой зависит не только от температуры воздуха, но и от радиационного баланса организма. На территории городской застройки за счет различной ориентации и экспозиции по освещенности элементов среды, а также различия их теплофизических свойств, таких как поглощающая и отражающая способность, их температура в солнечный день может существенно различаться.

Аналогичной изменчивости на территории городской застройки подвержены и другие микроклиматические параметры (например -абсолютная и относительная влажность воздуха), влияющие на теплоощущения людей, что приводит к неоднородности биоклиматической комфортности внутри городской застройки и необходимости ее оптимизации. Решение этого вопроса должно начинаться с физиологически обоснованного нормирования микро-климатических условий и разработки биоклиматических показателей, определяющих оптимальные, допустимые и экстремальные состояния микроклимата городской среды.

Влияние застройки на микроклиматические показатели в городе весьма велико. Каждый участок застройки и отдельные строительные объекты имеют на своей территории и в непосредственной близости от нее собственный микроклимат. Его характерная размерность от одного метра до первых сотен метров, в зависимости от контрастности физических свойств подстилающей поверхности и размеров размещенных на ней зданий и сооружений. Температура воздуха и отдельных поверхностей в пределах таких участков может изменяться на несколько градусов на незначительном удалении друг от друга, и даже небольшие препятствия могут вносить заметные возмущения в потоки воздуха.

К основным микроклиматическим параметрам, влияющим на биоклиматические показатели городской среды, относятся интенсивности солнечной радиации и теплового излучения ограждающих конструкций зданий и рельефа (радиационный баланс); температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра. Для общих случаев отдельных групп зданий, зеленых насаждений и т.д. оценка микроклиматических изменений может выполняться на основе общих закономерностей и специально разработанных графоаналитических методов. Для частных случаев и конкретных участков застройки оценка микроклиматических условий выполняется по результатам специального натурного обследования и методами математического моделирования.

Сама по себе городская застройка, имея более высокий коэффициент шероховатости, чем большинство природных ландшафтов, снижает скорость воздушного потока у земли. Но за счет повышенной теплоотдачи в атмосферу город создает мезомасштабную термическую конвекцию, что может усиливать скорость ветра на фоне штилевых условий. В самом общем случае воздействие городской застройки на скорость ветра выражается в увеличении числа безветренных и маловетреных дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10-30% по сравнению с незастроенной пригородной территорией. На территориях с застройкой повышенной плотности и внутри групп зданий, образующих замкнутые и полузамкнутые внутридворовые пространства, скорость ветра снижается на 70% и более. С градостроительной точки зрения ветровой климат должен влиять на ширину и направление улиц, взаиморасположение функциональных зон относительно друг друга, размещение предприятий относительно жилых районов и мест организованного отдыха и т.д. Обеспечение ветрового комфорта городской территории является одной из основных задач архитектурно-климатического анализа и проектной деятельности.

Также стоит отметить, что в городах снижается величина ультрафиолетовой радиации (что отрицательно влияет на людей - повышенная усталость, раздражительность, ухудшенный обмен веществ и т.д.). Повышается бактериальная загрязненность воздуха. Понижается относительная влажность. В городах больше безветренных дней, ниже атмосферное давление и скорость ветра, что ведет к застойным явлениям, сильному загрязнению воздушного бассейна и повышенной заболеваемости населения болезнями органов дыхания. Автотранспорт создает дополнительный эффект шума и загрязнения. Значительно и размещение промышленных предприятий в пределах городов и их неправильное местоположение по отношению к господствующим ветрам. Пыль, туман и смог препятствуют инсоляции. Уменьшается освещенность поверхностей, сокращается световая радиация солнечными лучами, уничтожающими болезнетворные микроорганизмы.

Фитоклимат

Фитоклимат определяется влиянием биометрической структуры самой растительности на микроклимат приземных слоев воздуха. Характеристики фитоклимата могут изменяться в зависимости от возраста растений и агротехники их возделывания. Метеорологический режим, создающийся на поверхности и внутри растительного покрова (например, кукурузное или картофельное поле, виноградники, сад, лес), резко отличается от того, который наблюдается на ближайшей метеорологической станции. С увеличением площади листовой поверхности и биомассы растений происходит перераспределение составляющих теплового баланса в сторону возрастания расхода тепла на испарение. Это, в свою очередь, обусловливает значительные изменения в термическом режиме растительных сообществ, а также в режиме увлажнения почв. Обычно фитоклиматические влияния ограничиваются приземным слоем воздуха толщиной 2-15 м.

На первый взгляд кажется, что представить себе, в каких условиях живут растения в городе, позволяют обычные климатические данные. О "климате городов" написано немало, однако климатические факторы в них оцениваются лишь с точки зрения их влияния на человека, да это и понятно. Но по всем этим оценкам трудно судить о пригодности городской среды для растений: ведь одна и та же экологическая обстановка человеком и растением воспринимается несколько различно. Человек и растение неодинаково воспринимают влажность воздуха, содержание в нем углекислоты и т. п. Поэтому, чтобы рассмотреть городские условия как среду обитания для растений попробуем оценить вначале наиболее важные для жизни растения экологические факторы по отдельности, а затем и всю обстановку в целом.

Световой режим в городах зависит не только от географического (широтного) положения, которое определяет количество поступающей солнечной радиации, но и в большой степени от состояния городской атмосферы. Сильное задымление и запыленность воздуха в городе, а также более частая повторяемость туманов задерживают значительную долю солнечных лучей. Снижение прихода радиации отражается и на другой характеристике светового режима, также часто используемой в экологии, - освещенности. В дополнение к общему снижению радиации в городах нередки случаи, когда растения испытывают недостаток света из-за прямого затенения (в районах с многоэтажной тесной застройкой, на узких улицах и т. д.). Стоит лишь вспомнить деревья во дворах-"колодцах" или под стенами высоких домов. Нормальную освещенность они могут получить только в немногие часы суток, совсем как где-нибудь в узких горных ущельях. Мало света достается растениям и на теневой стороне улиц, идущих в широтном направлении (с запада на восток), и на балконах, обращенных на север. Есть и еще одна особенность светового режима в городе - дополнительное освещение улиц, искусственное продление светового дня. "Световые пятна" городов в темное время суток хорошо видны при наблюдении из космоса со спутников. Многие деревья, оказавшиеся в соседстве с уличными фонарями, освещены вечером и ночью. А в скверах и парках нередко устраивают специальную декоративную подсветку. Правда, освещение даже такими яркими для наших глаз лампами, как ртутно-кварцевые и галогенные, слишком слабо, чтобы обеспечить нормальный уровень фотосинтеза растений. Но зато эта дополнительная подсветка, означающая для растений удлинение светового дня, может повлиять на те явления в их жизни, которые регулируются длиной дня.

Наконец, стоит упомянуть о том, что из-за уменьшения прозрачности воздуха в городах меняется и качество света, т. е. его спектральный состав. С точки зрения человека существенно то, что свет содержит меньше ультрафиолетовых лучей. Для растений же имеет значение обеднение света лучами, наиболее ценными для фотосинтеза, - фотосинтетически активной радиацией. Таким образом, городские растения получают свет, не только ослабленный по интенсивности, но и ухудшенный по качеству.

Если световой режим в городах гораздо больше влияет на растения, чем на человека, то особенности другого важнейшего экологического фактора - тепла - хорошо знакомы нам по собственным ощущениям. В крупных городах тепловой режим складывается под влиянием многих факторов. Рассматривая город как поверхность, воспринимающую солнечное тепло, географы характеризуют его как "поверхность скального типа", имеющую большую теплопроводность (это строительные материалы) и "повышенную шероховатость" или даже ребристую структуру (это наши многоэтажные дома). Она работает как своего рода калорифер, способствуя эффективному использованию солнечной радиации для нагревания больших объемов воздуха. Если добавить еще к этому, что города производят и собственное тепло (работа промышленных предприятий, электростанций, отопление) и что ночному излучению тепла препятствует "пылевая шапка", то станет понятно: города в целом - более теплые местообитания по сравнению с зональным фоном (т. е. климатическими показателями данной географической зоны). В климатологической литературе их называют "островами тепла".

Постепенное "потепление" городов хорошо заметно в тех случаях, когда есть возможность проследить изменение климатических показателей за длительные сроки. В настоящее время разница летних температур "центр города - пригород" в крупных городах достигает нескольких градусов. Зимой различие температур еще больше, до 10-14°С, причем, как правило, безморозный период в городах длиннее на несколько дней. И лишь в отдельных случаях, в городах с особыми условиями, этот тепловой эффект не выражен.

Если с точки зрения человека особенности теплового режима городов этим и исчерпываются, то для растений существует еще одна немаловажная его сторона - это тепловой режим почвы, достаточно необычный в городах для жизни растений. В жаркие летние дни асфальтовые покрытия, нагреваясь, отдают тепло не только приземному слою воздуха, но и поверхностным слоям почвы. Эти в полном смысле слова горячие горизонты - как раз те, в которых обычно сосредоточены живые окончания корней древесных пород. Особенно горячим бывает слой почвы под самым асфальтом (температура его поверхности доходит до 50-55°С) и в пристволовых лунках, покрытых чугунными решетками - декоративными и защищающими от вытаптывания. Недаром самые верхние слои городских почв практически не содержат живых корней.

Описание

Климат - многолетний режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического положения.
Под климатом принято понимать усреднённое значение погоды за длительный промежуток времени (порядка нескольких десятилетий) то есть климат - это средняя погода. Таким образом, погода - это мгновенное состояние некоторых характеристик (температура, влажность, атмосферное давление). Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата. Для выявления изменений климата нужен значимый тренд характеристик атмосферы за длительный период времени порядка десятка лет.

План

1. Введение …………………………………………………………………….3

2. Особенности микроклимата в городе ……………………………………4

3. Микроклиматические параметры в городской застройки: скорость...5 ветра в городской среде температура воздуха и поверхностей, ее изменчивость в городе………………………………………………………...6

4. Оптимальные и экстремальные микроклиматические условия……….. 7

5. Влияние ветра на жизнедеятельность в городской среде……………….9

6. Комплексные биоклиматические показатели, международные и российские стандарты………………………………………………………....10

7. Нормативные требования по учету микроклимата……………………….12

8. Комплексное воздействие городов на природную среду………………...15

9. Список использованной литературы………………………………………18

1. Введение

Городская среда во многих крупных городах продолжает терять качество, что делает ее не только дискомфортной, но и опасной для здоровья населения. Потеря качества городской среды связана не только с чрезвычайно высоким уровнем физико-химического загрязнения атмосферы, шумовым, вибрационным и другими видами техногенного воздействия, но и с появлением на территории городов климатических аномалий мезо- и микромасштаба. Уплотнение застройки, рост эмиссии техногенного тепла, уничтожение зеленых насаждений, увеличение площадей с искусственным покрытием и другие виды антропогенного преобразования земной поверхности приводят к изменению радиационного и теплового баланса, деформации полей характеристик ветра, температуры воздуха, перераспределению осадков и многим другим последствиям. Большинство из этих воздействий на приземный слой атмосферы неблагоприятно сказывается на самочувствии населения, использующего территорию города как для рекреации, так и просто передвигающегося по ней пешком по пути на работу и обратно или с другими целями.

Перечисленные проблемы заставляют задуматься о возможных способах улучшения микроклиматических условий мелиорации микроклимата. Для большей части открытых городских пространств не применимо активное воздействие на микроклимат техническими средствами, какими пользуются для создания микроклиматических условий внутри зданий. Поэтому основным и наиболее важным для профессии архитектора направлением в решении этого вопроса является использование определенных композиционных решений застройки и конструктивных особенностей зданий, применение имеющих направленное микроклиматическое воздействие материалов для отделки фасадов зданий и искусственных покрытий, использование МАФ, озеленения и других элементов благоустройства.

Однако, идея мелиорации микроклимата архитектурно-строительными средствами сталкивается с рядом проблем, в числе которых нерешенность вопросов нормирования биоклиматической комфортности и безопасности застройки, недостаточность действующей нормативной базы в части регулирования микроклиматических параметров, а также несовершенство проектных методик и, как следствие, сложность прогнозирования этих параметров на стадии проектной подготовки строительства

Особенности микроклимата в городе

Городская климатология, как самостоятельное направление в прикладной климатологии начала развиваться около 50 лет назад. Это развитие было направлено прежде всего на изучение взаимодействия окружающей среды и городских структур в ходе антропогенного преобразования естественных природно-климатических условий на территориях, занимаемых городской за стройкой. Одна из основных задач городской к климатологии применение теории климата и климатообразования к нуждам городского планирования и архитектуры. Взаимодействие городской климатологии и градостроительства идет во встречных направлениях. С одной стороны, развитие городской среды приводит к изменению климатических условий, с другой стороны климатические условия включаются в процесс принятия градостроительных и архитектурно-строительных решений.

Для систематизации исследований и их применения к нуждам хозяйственной деятельности в климатологии используется понятие климатических масштабов. Основными являются макро мезо и микро масштабы. Макромасштаб применяется в метеорологии и климатологии для изучения процессов и явлений, по размерам сопоставимым с полушарием или крупными его регионами (морями, континентами), он является слишком крупным и в архитектурно-климатическом анализе не используется Под мезомасштабными изменениями климата обычно понимают процессы, происходящие под влиянием крупного города или какой-либо территории крупного озера, долины реки, горного массива и т.п. Например, о климате Москвы в целом говорят как о мезоклимате.

Каждый участок застройки и отдельные строительные объекты имеют на своей территории и в непосредственной близости от нее собственный микромасштабный климат микроклимат. Его характерная размерность от одного метра до первых сотен метров, в зависимости от контрастности физических свойств подстилающей поверхности и размеров размещенных на ней зданий и сооружений. Температура воздуха и отдельных поверхностей в пределах таких участков может изменяться на несколько градусов на незначительном удалении друг от друга, и даже небольшие препятствия могут вносить заметные возмущения в потоки воздуха.

3. Микроклиматические параметры в городской застройки: скорость ветра в городской среде температура воздуха и поверхностей, ее изменчивость в городе

Изменение ветрового режима под влиянием городской застройки, с одной стороны, является наиболее очевидным фактом, с другой стороны подчиняется довольно сложным законам гидротермодинамики, а потому является далеко не тривиальным явлением. Сама по себе городская застройка, имея более высокий коэффициент шероховатости, чем большинство природных ландшафтов, снижает скорость воздушного потока у земли. Но за счет повышенной теплоотдачи в атмосферу город создает мезомасштабную термическую конвекцию, что может усиливать скорость ветра на фоне штилевых условий.

В самом общем случае воздействие городской застройки на скорость ветра выражается в увеличении числа безветренных и маловетреных дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10-30% по сравнению с незастроенной пригородной территорией. На территориях с застройкой повышенной плотности и внутри групп зданий, образующих замкнутые и полузамкнутые внутридворовые пространства, скорость ветра снижается на 70% и более.

С градостроительной точки зрения ветровой климат должен влиять на ширину и направление улиц, взаиморасположение функциональных зон относительно друг друга, размещение предприятий относительно жилых районов и мест организованного отдыха и т.д. Обеспечение ветрового комфорта городской территории является одной из основных задач архитектурно-климатического анализа и проектной деятельности.

Как микроклиматический показатель, температура воздуха интегрирует множество факторов климатообразования самого разного масштаба количество поступающей к поверхности земли солнечной радиации, поглощающие, отражающие и излучающие свойства подстилающей поверхности и предметов (зданий, сооружений) на ней расположенных, преобладающие типы атмосферной циркуляции, структуру микромасштабной циркуляции, выделение техногенного тепла и т.д.

приводит к неоднородности биоклиматической комфортности внутри городской застройки и необходимости ее оптимизации. Решение этого вопроса должно начинаться с физиологически обоснованного нормирования микро-климатических условий и разработки биоклиматических показателей, определяющих оптимальные, допустимые и экстремальные состояния микроклимата городской среды

4. Оптимальные и экстремальные микроклиматические условия

О степени влияния на самочувствие человека и на его работоспособность микроклиматические условия подразделяются на: оптимальные, допустимые, вредные и опасные. Критериальные показатели теплового состояния человека, соответствующие пределу переносимости внешней термической нагрузки, зависят от степени адаптации, скорости охлаждения или перегревания, тепловой устойчивости организма, возраста, пола, состояния здоровья и т.д. Оптимальные микроклиматические условия характеризуются такими параметрами показателей микроклимата, которые при их совместном воздействии на человека обеспечивают сохранение теплового состояния организма. В этих условиях напряжение терморегуляции минимально, общие и/или локальные дискомфортные теплоощущения отсутствуют, что является предпосылкой сохранения высокой работоспособности. В оптимальном микроклимате обеспечивается комфортное тепловое состояние организма человека.

Допустимые микроклиматические условия характеризуются такими параметрами показателей микроклимата, которые при их совместном воздействии на человека могут вызывать такое изменение теплового состояния,

при котором наблюдается умеренное напряжение механизмов терморегуляции. При этом может возникать незначительный дискомфорт общий и/или локальным теплоощущениям. При этом сохраняется относительная термостабильность, может иметь место временное снижение работоспособности, но не нарушается здоровье. Допустимы такие параметры микроклимата, при которых тепловое состояние организма можно признать удовлетворительным.

Вредные микроклиматические условия параметры микроклимата, которые при их совместном действии на человека вызывают изменения теплового состояния организма: выраженные общие и/или локальные дискомфортные теплоощущения, значительное напряжение механизмов терморегуляции, снижение работоспособности. При этом не гарантируется термостабильность организма человека и сохранение его здоровья. Степень вредности микроклимата определяется как величинами его составляющих, так и продолжительностью их воздействия.

Экстремальные (опасные) микроклиматические условия параметры микроклимата, которые при их воздействии на человека даже в течение непродолжительного времени (менее 1 ч) вызывают изменение теплового состояния, характеризующееся чрезмерным напряжением механизмов терморегуляции, что может привести к нарушению состояния здоровья и возникновению риска смерти. Кроме того, к экстремальным показателям можно отнести тепловой удар, холодовой стресс и воздействие шквалистого ветра.

5. Влияние ветра на жизнедеятельность в городской среде

Архитектурно-планировочные и техногенные особенности городской территории способствуют формированию местного климата, отличного от климата пригородной территории (табл. 4.8). В промзон&х, на отдельных улицах, кварталах, площадях, парках и т.п. создаются свои особые микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, наличием промышленных предприятий, почвенным покрытием, распределением зеленых насаждений и водоемов.

На формирование городского климата оказывают влияние:

прямые выбросы тепла и изменения режима солнечной радиации; пылегазовые выбросы промышленных предприятий и транспорта;
изменения теплового баланса за счет уменьшения испарения, малой проницаемости подстилающей поверхности, способствующей быстрому стоку воды и значительной теплопроводности покрытий (крыш, стен зданий, мостовых и т.д.); пересеченность местности, создаваемая городской застройкой, большая доля вертикальных поверхностей, что приводит к взаимному затенению домов и образованию котловинных условий на фоне равнинного рельефа.

Нередко сами города располагаются в естественных котловинах.

Таблица 4.8. Различия климата в крупных городах и прилегающей сельской

местности в средних широтах

Метеорологические факторы	В городе, по сравнению с сельской местностью
Радиация общая	на 15-20% ниже
Ультрафиолетовое излучение зимой	на 30% ниже
Ультрафиолетовое излучение летом	на 5% ниже
Продолжительность солнечного	на 5-15% ниже

Температура среднегодовая	на 0,5-1,0° С выше
средняя зимняя	на 1-2° С выше
Продолжительность отопительного	на 10% меньше


Ядра конденсации и частицы	в 10 раз больше
Газовые примеси	в 5-25 раз больше
Скорость ветра среднегодовая	на 20-30% ниже
штормовая	на 10-20% ниже
	на 5-20% чаще
Осадки суммарные	на 5-10% больше
в виде снега	на 5% меньше
Число дней с осадками меньше 5 мм	на 10% больше
Количество облаков	на 5-10% больше
Повторяемость туманов зимой	на 100% больше
	на 30% больше
Относительная влажность зимой	на 2% меньше
	на 8% меньше
	на 11-20% меньше
Грозы (частота)	в 1,5-2 раза меньше

Перечисленные факторы действуют комплексно, хотя и неодинаково в разных условиях климата и погоды.

Солнечная радиация в условиях крупных промышленных центров оказывается пониженной вследствие уменьшения прозрачности из-за большого количества пылевых частиц и аэрозолей. Поступление ультрафиолетовых лучей сильно ослабляется за счет мутности атмосферного воздуха и высокой застройки в узких улицах. С другой стороны, в городе к рассеянной радиации присоединяется радиация, отраженная стенами и мостовыми. Этим обстоятельством обусловлено чувство зноя и духоты, характерное для городов летом.

Из-за загрязненности воздушного бассейна в городах снижается эффективное излучение и, соответственно, ночное охлаждение. Изменение радиационного баланса, дополнительное поступление тепла в атмосферу при сжигании топлива и малый расход тепла на испарение приводят к повышению температуры внутри города, по сравнению с прилегающей местностью.

Указанные выше факторы являются причиной образования так называемого "острова тепла" над городом. Размер "острова тепла" и его показатели изменяются во времени и пространстве под влиянием фоновых метеорологических условий и местных особенностей города. Закономерности изменения температуры воздуха при переходе от сельской местности к центральной части города показаны на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Сечение "острова тепла" над городом

На границе раздела "город - сельская местность" возникает значительный горизонтальный градиент температуры, соответствующий "утесам острова тепла", достигающий иногда 4° С/км. Большая часть города представляет собой "плато" теплого воздуха с повышением температуры по направлению к центру города. Термическая однородность "плато" нарушается "разрывами" общего характера поверхности в виде областей холода - парки, водоемы, луга и областей тепла - промышленные предприятия, плотная застройка зданиями. Над центральной частью больших городов располагается "пик острова тепла", где температура воздуха максимальна. В крупных агломерациях может наблюдаться несколько таких "пиков", обусловленных наличием промышленных предприятий и плотной застройкой.

По данным метеорологических исследований, тепловое влияние городов проявляется в пределах 100-500-метрового слоя атмосферы, а иногда и 1 км. Большая аэродинамическая шероховатость подстилающей поверхности и наличие "островов тепла" определяют особенности ветрового режима города.

Ветровой режим города характеризуется существованием местной циркуляции. Например, при слабых ветрах до 2-3 м/с у поверхности земли может возникнуть поток холодного воздуха, направленного к "острову тепла", а у вершины "острова тепла" формируется поток теплого воздуха к окраинам города. В самом городе различия в нагреве освещенных и затененных частей улиц и дворов также обусловливает местную циркуляцию воздуха. В ней восходящий поток образуется над поверхностью освещенных стен, а нисходящий - над затененными стенами и частями улиц или дворов. Наличие водоемов способствует формированию дневной местной циркуляции, подобной бризам, от водоема к застройке, что весьма желательно жарким летом. Одновременно такая циркуляция может способствовать захвату загрязняющих примесей.

Зеленые насаждения снижают скорость ветра и способствуют осаждению примесей.

Скорость ветра в городе, как правило, снижается по сравнению с открытой территорией. Но в некоторых случаях возможно усиление ветра, например, в городах, располагающихся на холмистой местности или при совпадении направления ветра с направлением улицы ("эффект аэродинамической трубы").

Влажность воздуха в крупных городах ниже, чем в окрестностях, что связано с повышением температуры и общим снижением содержания влаги в атмосфере над городом как результат уменьшения испарения (табл. 4.8).

Наибольший контраст влажности в системе город - окрестности наблюдается летом, а в суточном - в вечернее время.

В климатических зонах, где зимой выпадает снег или поверхность земли замерзает, воздух в городе может быть более влажным за счет техногенных источников пара.

Влияние города на выпадение жидких и твердых осадков различно. Зимой отмечается снижение до 5% в выпадении снега, летом наибольшие суммы осадков выпадают над городом, но не в центре, а на окраине.

При высокой влажности воздуха повышенная конвективная неустойчивость и загрязненность воздушных масс над городом благоприятствуют образованию облачности. В процессе преобразования облаков из кучевых в мощные кучевые и кучево-дождевые происходит их смещение под влиянием преобладающего переноса воздушных масс. Осадки выпадают преимущественно в подветренных районах города и за его пределами. Если влажность воздуха недостаточна для образования облаков, мощные конвективные потоки, образующиеся над центром города, являются препятствием для горизонтальных воздушных потоков, поступающих в наветренную часть города. Приходящие массы воздуха испытывают дополнительный вынужденный подъем, вследствие чего образуется облачность и выпадают осадки.

Различия в температурно-влажностном режиме города и прилегающих окрестностей влияют и на распределение атмосферных явлений. Так, туманов в городе может быть больше при ослаблении скорости ветра или значительной загрязненности воздуха. С повышением температуры и понижением относительной влажности воздуха туманов в городе становится меньше, чем за городом.

С учетом реально сформировавшихся климатических условий города и условий природно-климатической зоны проводят мероприятия по улучшению городского климата, которые условно могут быть разделены на следующие группы:

мероприятия по регулированию скорости ветра и вентиляции города (планировка городской застройки и улиц, ориентация зданий, создание древесно-кустарниковых и травянистых насаждений различного типа, систем водоемов и т.д.);
мероприятия по уменьшению потерь тепла зданиями (конструкция окон, ориентация зданий, планировочные решения, касающиеся взаимного расположения зданий и групп зеленых насаждений);
мероприятия по регулированию относительной влажности воздуха (создание водоемов и водотоков, увеличение площади поверхности с естественным проницаемым покровом, полив зеленых насаждений, мойка улиц и площадей и т.п.);
мероприятия по борьбе с загрязнением воздушного бассейна путем расположения загрязняющих объектов вне городской черты или в подветренной части городов, созданием высоких дымовых труб (до 250 м), способствующих рассеиванию примесей, эффективным использованием газоочистного оборудования, переходом на менее токсичные виды топлива, использованием более экономичных установок для сжигания топлива, регулированием или прекращением выбросов вредных веществ при неблагоприятных метеоусловиях вплоть до приостановки работы предприятий, переходом на безотходные или замкнутые циклы производства, предотвращением пыления в промышленности, строительстве, транспорте; мероприятия по регулированию поступления солнечной радиации (планировка улиц и кварталов, зеленых насаждений, использование разноуровневой застройки, окраска стен, крыш и мостовых, конструкция зданий и их элементов и т.п.).

Все эти мероприятия должны использоваться интегрировано. Использование лишь отдельных элементов не может значительно улучшить условия проживания людей в городах. Решение проблем улучшения микроклимата городской среды позволит сделать города привлекательными и безопасными для жизни и деловой деятельности, подлинными центрами развития современной цивилизации.

В городе формируются особые микроклиматические условия. Микроклимат города – это климат приземного слоя воздуха отдельных участков городской территории. Приземной слой воздуха занимает воздушное пространство двухметровой высоты над уровнем земли.

На формирование микроклимата города, помимо природных условий, оказывают влияние условия, создаваемые городской застройкой, а также функционированием автотранспорта, теплоэлектростанций, промышленных и других предприятий. Городская застройка изменяет природный рельеф˸ увеличивает шероховатость подстилающей поверхности (например, формирует котловинные условия на фоне равнинного рельефа), включает множество вертикальных поверхностей, создает пересеченную местность. Кроме того, теплофизические свойства (теплоемкость и отражательная способность) элементов городской застройки (стен зданий, крыш, дорог, мостовых) отличаются от теплофизических свойств элементов природного окружения. Почва города скрыта под строениями и дорожными (асфальтовыми) покрытиями. В природных условиях часть влаги уходит в почву. В городе значительная часть осадков не попадает в нее. Стоки городских осадков отводятся в ливневую или городскую канализацию. При работе автотранспорта, отоплении города, функционировании предприятий в атмосферный воздух поступают потоки тепла, выбрасываются газообразные загрязняющие вещества, жидкие и твердые взвешенные частицы.

Перечисленные особенности городской территории определяют факторы формирования микроклимата города˸

· изменение рельефа, обусловленное городской застройкой;

· различие теплофизических свойств поверхностей элементов городской застройки и природного окружения;

· различие в альбедо подстилающих поверхностей территории города и окрестностей;

· искусственные потоки тепла;

· загрязнение воздуха;

· снижение испарения из-за асфальтовых покрытий и зарегулированности стока атмосферных осадков;

· резкое уменьшение площади поверхности с растительным покровом и естественной почвой и др.

Данные факторы влияют на микроклимат города одновременно, но их вклад в разное время года и в различных климатических условиях весьма различен. Они вызывают изменение естественного радиационного баланса, условий тепло- и массообмена, нарушение естественного круговорота влаги. Все это определяет микроклиматическую изменчивость общеклиматических режимов в отдельных районах крупного города.

Радиационный режим микроклимата города . Вследствие загрязнения атмосферного воздуха твердыми и жидкими взвешенными частицами (аэрозолями) происходит уменьшение ᴇᴦο прозрачности. Поэтому часть солнечной радиации не проникает на территорию города. В зависимости от степени загрязнения воздуха, времени года и суток наблюдается снижение её интенсивности до 20 % .

Большой современный город сильно влияет на климат. Он формирует свой местный климат, а на отдельных его улицах и площадях создаются своеобразные микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, покрытием улиц, распределением зеленых насаждений и др.

Крупный город (мегаполис), особенно с сильно развитой промышленностью, загрязняет атмосферу над собой, увеличивает ее мутность и тем самым уменьшает приток солнечной радиации. За счет увеличения мутности может теряться до 20% солнечной радиации. Снижение солнечной радиации еще усиливается высокой застройкой в узких улицах. Вследствие той же пелены дыма и пыли на территории города снижено эффективное излучение, а значит, и ночное выхолаживание. В то же время в городе к рассеянной радиации присоединяется радиация, отраженная стенами и мостовыми.

Крыши и стены домов, мостовые и другие элементы города, поглощая радиацию, нагреваются в течение дня сильнее, чем почва и трава, и отдают тепло воздуху, особенно вечером. Поэтому температуры воздуха в городах в 70−80% случаев выше, чем в сельской местности; в больших городах средние годовые температуры выше на 1 °С и более.

Поле температуры над городом характеризуется одной или несколькими замкнутыми изотермами, получившими название городского острова тепла. Лучше всего контрасты температуры между городом и окружающей сельской местностью выражены в спокойную антициклональную погоду. Они исчезают при сильном ветре или сплошной облачности.

Особенно повышает город минимальные температуры. Разность минимальных температур на городской и загородной станциях может достигать нескольких градусов. С ростом города, т. е. с увеличением его застройки, температура в городе растет.

Испарение, а следовательно, и влажность в городе меньше, чем в сельской местности, вследствие покрытия улиц и стока воды в канализацию. Так как территория города нагрета больше, чем окружающая местность, и обладает большой шероховатостью, над городом усиливается конвекция и больше развиваются облака, что также уменьшает число часов солнечного сияния и количество ясных дней. Наблюдается и увеличение осадков над городом.

Система городских улиц и площадей приводит к изменениям направления ветра в городе. Ветер преимущественно направляется вдоль улиц. В общем скорость ветра в городе ослабевает, но в узких улицах усиливается; на улицах и перекрестках легко возникают пыльные вихри и поземки.

В тихую антициклоническую погоду на перегретой территории города наблюдается так называемый городской бриз. Слабые ветры направлены днем от окружающей местности к центру города при усилении восходящего движения воздуха над городом. Если общий перенос воздуха достаточно силен, бриз незаметен.

При устойчивой стратификации атмосферы, в особенности при инверсиях температуры, дым может накапливаться в приземном слое атмосферы в таком количестве, что оказывает вредное физиологическое воздействие.

Известен задымленный воздух крупных портовых и промышленных городов. Ядовитые дымы и газы, являющиеся отходами производства, могут накапливаться в нижних слоях, особенно если этому благоприятствует рельеф местности, и вызывать массовые отравления. Автомобильный транспорт вносит наибольший вклад в загрязнение воздуха городов (Хромов С.П., Петросянц М.А., 2006).

В табл. 5.2 показано изменение метеорологических параметров в городских районах. На рис. 5.1 показано теоретическое сечение городской температуры: в самом городе могут быть выделены отдельные районы, которые теплее других. И наоборот, зеленые зоны внутри города являются причиной образования городских островов холода, которые прохладнее, чем остальная территория города.

Рис. 5.1. Теоретическое сечение городской температуры (Периоды сильной жары – угрозы и меры, 2005)

Таблица 5.2 . Сравнение климатических переменных между городскими районами и сельской местностью

Рис. 5.2. Влияние элементов климата на региональное планирование, планирование населенных пунктов и проектирование зданий

Например, был выполнен проект по исследованию климата в г. Тель-Авиве (Израиль). Был выявлен тепловой остров города и произведен расчет теплового стресса. Было решено изучить, что случится, если на территории Тель-Авива произойдет потепление в соответствии с прогнозами глобального потепления или из-за увеличения плотности, компактности застройки и жизнедеятельности города. В расчет было принято прогрессивное изменение на 1 °C. В июле 1990 г. тепловой стресс в самом центре теплового острова Тель-Авива находился в верхнем «умеренном» диапазоне, а вблизи побережья был чуть ниже. Повышение температуры каждый раз на 1 °C до верхнего ожидаемого предела 4 °C вызывает резкие изменения в тепловом стрессе. От уровня «умеренного» тепловой стресс в Тель-Авиве будет повышаться и достигнет уровня «сильного», с высокими абсолютными величинами, подобными величинам, которые отмечаются в самых суровых климатических зонах Израиля (Периоды сильной жары –угрозы и меры, 2005).

Тепловой стресс определяется на основании индекса дискомфорта (ИД), который рассчитывается по следующей формуле:

где Т сух – температура сухого термометра; Т смоч – температура смоченного термометра).

Тепловой стресс классифицируется как слабый, умеренный и сильный по следующим показателям:

Как показывает пример Тель-Авива, увеличение интенсивности теплового стресса всегда ведет к росту использования кондиционирования воздуха, что означает потребность в большем количестве энергии, получаемой главным образом из ископаемых источников. Помимо увеличения выбросов двуокиси углерода и воздействия на парниковый эффект, это влечет за собой добавление в городскую атмосферу прямого излишка ощутимой тепловой энергии.