Глава 1. История изучения городской климатологии.

Имени М.В. ЛОМОНОСОВА (МГУ)

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра метеорологии и климатологии

 

РЕФЕРАТ

По Межфакультетскому курсу

Экология и устойчивой развитие города

Современное изучение городской климатологии

 

Выполнила студент 1 курса маг.

Географического ф-та МГУ
Семёнова А.А.

Проверил: 

Фридман В.С.

 

 

Москва – 2019

Оглавление

Введение

Глава 1 История изучения городской климатологии.

Глава 2 Особенности городского микроклимата

Глава 3 Изучение микроклимата Арктических городов

Глава 4 Комфортность климата и методы её оценки.

Заключение

Список литературы

Введение

С момента своего появления несколько тысяч лет назад первые поселения и города размещались с учетом природно-климатических особенностей, наличия водных, лесных и иных ресурсов.

     С древности люди заметили, что климатические условия разных местностей отличаются друг от друга. К настоящему времени известно, что основными причинами формирования таких специфичных для той или иной территории климатических условий являются особенности атмосферной циркуляции, подстилающей поверхности, экспозиции, угла падения солнечных лучей, влажность, защищённость (закрытость) территории от ветра и т.д. (Kratcer, 1958)

Климатические условия отдельных местностей и целых стран отражались в конструкции и обустройстве жилищ — в преобладании заглубленных или наземных построек, использовании крытых проходов, форме и конструкции крыши, пола, остекления.

Происходившие по мере увеличения и усложнения хозяйства изменения поселений заключались в их увеличении и разделении по зонам, т.е. появлении отдельных от жилья хозяйственных объектов.

     Эмпирический учет природно-климатических условий привел к появлению функционального зонирования естественно сложившейся планировки городов и поселений. Учитывались преобладающее направление ветра и организацию необходимого для рассеивания в атмосфере выбросов территориального размаха до наиболее густонаселенных городских территорий. (Kratcer, 1958)

      В 18-20 веках по мере развития науки, и в частности, метеорологии, учёные начали обращать внимание на то, что климатические условия внутри города отличаются от условий в сельской местности

      В начале 19 века учёным Люком Ховардом (Howard, 1818) были открыты городские острова тепла – особые климатические условия, заключается в существовании различия температур между центром города и пригородами. Так начал формироваться большой раздел метеорологии, изучающий городской микроклимат – городская климатология.

     Сейчас городская климатология изучает влияние климатических условий на эксплуатацию зданий и строительство городов, влияние климатических условий города на человека и особенности его жизнедеятельности.

Городская климатология служит для удовлетворения всех требований, предъявляемых в области строительства в части обеспечения различными расчетными метеорологическими параметрами, климатическими характеристиками, специфическим климатическим зонированием, климатическими паспортами населенных пунктов. Она является основой для проектирования градостроительных комплексов и планировки жилых массивов, для обеспечения комфортных энергоэффективных зданий, потребляющих в процессе строительства и эксплуатации минимальное количество энергии.

Глава 1. История изучения городской климатологии.

Основоположником городской климатологии принято считать Люка Ховарда (1772-1864), английского метеоролога, который в своей работе «The climate of London deduced from meteorological observations» (Hovard,1818) впервые получил количественную информацию о климате крупного города.

     С 1806 по 1831 год Ховард вел ежедневные метеорологические измерения атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, количества осадков и испарения в пригородах Лондона. Главной его заслугой следует считать, его попытку сравнить данные собственных измерений с проводимыми синхронно метеорологическими измерениями Лондонского Королевского общества, наблюдательный пункт которого располагался в центральной части Лондона. По итогам этих наблюдений и сравнений, им был открыт эффект, современными исследователями именуемый «городской остров тепла», значение которого заключается в существовании различия температур между центром города и пригородами. Уже тогда, в первой половине 19 века разница между городской и фоновой температурой достигала на месячном интервале осреднения 1-1.2 градусов Цельсия (Hovard,1818)

Рис 1. Различия в среднемесячной температуре между центром Лондона и его пригородными районами, в градусах Цельсия (Mills, 2009)

   Так же, Люк Ховард, определил, что городской остров тепла наиболее отчетливо наблюдается в ночное время суток и в холодное время года. В качестве возможного объяснения такого контраста было предположено, что в зимний период увеличивается количество сжигаемого угля, что приводит к дополнительному нагреванию приземного слоя атмосферы. Другой из причин существования острова тепла автор признавал и влияние тепла, выделяемого в атмосферу человеческим организмом. Ховардом были упомянуты такие факторы как геометрия городской застройки и повышенная шероховатость городских ландшафтов. (Hovard,1818), (Konctantinov,2011).

     Уже в наше время исследования Люка Ховарда были неоднократно подтверждены более современными методами, проведенными с использованием гораздо более точных, нежели доступные Ховарду, измерительных технологий.

      В начале 50-х годов 20 ХХ века местный специалист Сандборг из Швеции провел ряд исследований в городе Упсала. В этих исследованиях с помощью передвижной метеостанции впервые были изучены пространственные характеристики городского острова тепла. Экспериментально подтвердилось предположение Ховарда о возрастании интенсивность острова тепла от городских границ к центру города. (Sundborg,1950), (Sundborg,1950).

Кроме того, была предложена первая эмпирическая формула для расчета интенсивности городского острова тепла:

DT_{u- r} = 2.8 - 0.10N- 0.38U - 0.03T + 0.03_e                                                            (1)

где D Tu-r - разница температур между городом и сельской местностью

N – балл облачности, U - скорость ветра, Т- температура воздуха,

е - абсолютная влажность воздуха.

 

Рис 1.2 Распределение температуры воздуха 20 августа 1948 года около 20 часов, Упсала, Швеция (Sundborg,1951)

Следующим важным этапом в изучении городской климатологии стали работы Тима Оке (Оке, 1968). Он занимался описанием физических предпосылок для возникновения островов тепла.

     После вывода уравнения теплового баланса для городских территорий, в котором учитывались такие параметры, как радиационный баланс, антропогенный приток тепла, потоки тепла в почву и турбулентные потоки, учёные предприняли попытки смоделировать особенности городского микроклимата.

      Этот подход впервые был применен в работе Мирапа в 1969 году (Myrup, 1969). Для подстилающих поверхностей, имеющих простую структуру, каждое из слагаемых этого уравнения теплового баланса может быть рассчитано путем использования доступных метеорологических данных. В упоминаемой работе была впервые создана простая энергобалансовая модель подстилающей поверхности, в которой на каждом счетном шаге рассчитывалась температура подстилающей поверхности. Автор работы путем изменения параметров подстилающей поверхности получил довольно успешный инструмент для моделирования городского острова тепла. Но при этом ещё не было возможности учитывать такие параметры подстилающей поверхности как альбедо, шероховатость, теплоёмкость и теплопроводность.

     В 1975 году Тим Оке в своей работе первым исследовал роль зданий и других элементов подстилающей поверхности в городах (Оке, 1975). Он рассматривал нижнюю часть атмосферного пограничного слоя (располагающаяся ниже уровня крыш зданий) как составляющую часть Городского Подслоя (Urban canopy Layer). Измерения, произведенные в этом подслое, тесно связаны с окружающей городской средой, а процессы радиационного обмена в основном зависят от геометрических характеристик городского ландшафта – улиц, площадей, стен зданий. Таким образом, основным объектом изучения городской метеорологии стал так называемый городской каньон – наиболее упрощенная геометрическая форма, характерная для застройки улицы в профиль, имеющей два борта (стены домов) и днище (сама улица). Ключевые параметры такой структуры – соотношение высоты бортов к ширине днища и азимутальная ориентация осевой линии. (Konctantinov,2011)(Оке, 1975).

Рис 1.3. Суточный ход различных составляющих теплового баланса для восточно- ориентированной стены городского каньона, по осредненным часовым данным для 9-11 сентября 1973 года. (Nunez and Oke, 1977).

     Первые измерения различных составляющих энергетического баланса в городском каньоне были произведены в 1977 году Тимом Оке и Марио Нуньесом (Nunez and Oke, 1977). Удалось впервые получить четкую количественную информацию о процессах энергообмена, происходящих в городском каньоне. Например, они было установлено, что в суточном ходе составляющих теплового баланса есть два пика – один связан с максимумом приходящей прямой солнечной радиации, второй – с отражением от противоположной стены.

      С 80-х годов ХХ века, городской каньон стал важным объектом изучения городского подслоя и процессы в нем являются объектом как численного, так и физического моделирования.

      Прогресс в изучении городского острова тепла потребовал серьезного уточнения термических характеристик строительных материалов, от которых зависит внутренний теплообмен и учета геометрических характеристик городского каньона. Но на данном этапе развития науки и техники термический режим городских ландшафтов не мог быть с достаточной степенью определён и спрогнозирован, спутниковые наблюдения давали лишь информацию о крышах и поверхности улиц, игнорируя данные о вертикальных поверхностях (стенах) (Konctantinov,2011).

                                    Рис.2.3 План городского каньона

      В 1987 году Оке (Оке, 1987) предложил изучать различные метеорологические эффекты как функцию от отношения высоты зданий H к ширине улиц между ними W. Было определена зависимость мощности городского острова тепла от безразмерного параметра городского застройки H/W. Параметр H/W по сути определяет интенсивность переизлучения длинноволнового излучения в ночное время, что и влияет на амплитуду температур между городскими районами и пригородами.

     Помимо непосредственных измерений и изучения эффекта острова тепла, в отдельных исследованиях изучалось качественного и количественного влияния города на окружающую территорию. Например, в работе Ловри (Lowry, 1977) было исследовано влияние города на прилежащие территории, в зависимости от синоптических условий.

     Это положило начало новому этапу развития городской метеорологии, продолжающемуся и сейчас, - непосредственному моделированию метеорологического режима городских ландшафтов. Для решения этих вопросов создания отдельных моделей, к которым применяются различные параметры городской среды.