Структура теплового баланса

     Аномалии в структуре теплового баланса подстилающей поверхности являются основными причинами формирования специфических мезо- и микроклиматических условий. На территории городов такие изменения выражены особенно сильно и имеют свою специфику по сравнению с естественными природными ландшафтами. Количественные характеристики этих изменений зависят от размера города, преобладающих типов застройки и природно-климатических условий, в которых город расположен. Поскольку для различных городов упомянутые характеристики могут различаться, ведущие причины изменения теплового баланса также могут быть различными. Схематическая структура теплового баланса деятельного слоя (ДС) представлена в общем виде может быть записана в виде уравнения:           

Вт = B_р + Е_а – Е_з ± Р ± LE + Q_А ± а,                                               (3.1)

В — тепловой баланс всех тепловых потоков на поверхности ДС (итоговый); B_р — баланс коротковолновой радиации;

Ед — встречное длинноволновое излучение атмосферы;

Е_з — длинноволновое излучение поверхности; Р — контактный теплообмен деятельного слоя земной поверхности (ДС) с атмосферой; LE — скрытый теплообмен, обусловленный фазовыми перехода- ми воды (испарение и конденсация) на поверхности ДС; Q_A — техногенный тепловой баланс; а — теплообмен с нижележащими слоями почвы (воды, грунта и т.д.).

     В среднем за год величину теплового баланса для участка суши в естественных условиях можно считать равной нулю, т.е. количество накопленного за год тепла в теплый период равно количеству тепла, переданного в окружающее пространство в холодный период года. В границах территорий, вовлеченных в хозяйственную деятельность, поступление тепла происходит не только за счет притока солнечной радиации, но и за счет антропогенного фактора — использования энергоресурсов. В городах это использование тепла, электроэнергии и топлива на отопление и водоснабжение.

1. Радиационный баланс

     Важнейшим фактором, определяющим климатические условия является радиационный баланс.

     Для поверхности деятельного слоя на радиационный баланс влияют: прямая и рассеянная солнечная радиация, приходящая на поверхность ДС, альбедо; эффективное излучение Земли.

      В течение большей части года (за исключением ноября—февраля) на широте Московского региона радиационный баланс положителен. Это означает, что в целом земная поверхность получает лучистого тепла больше, чем отдает его атмосферу и мировое пространство. На территории города все составляющие радиационного баланса изменяются под воздействием естественных причин (рельефа, характера подстилающей поверхности) и хозяйственной деятельности — прямая солнечная радиация ослабляется за счет увеличения содержания в воздухе аэрозолей, химического загрязнения атмосферы и увеличения общей облачности; рассеянная солнечная радиация, напротив, увеличивается за счет тех же факторов.

     В городской климатологии используют данные о суммарной, прямой и рассеянной радиации.

     По данным многолетних наблюдений, прямая солнечная радиация, измеренная в центре города при диске Солнца, не закрытом облаками, в суточном ее ходе в среднем на 10% меньше, чем за городом. Зимой суммы прямой солнечной радиации при ясном небе в городе меньше, чем в пригороде, на 20%.

2. Альбедо и поглощенная радиация

     Свойство деятельной поверхности поглощать приходящую к ней солнечную радиацию— альбедо является фактором, определяющим размер тепловых ресурсов деятельного слоя и влияющим на размер потоков явного и скрытого тепла и собственное излучение земной поверхности. В архитектурной климатологии воздействие на альбедо является одним из эффективных способов регулирования теплового ре я жима городской территории. Для определения альбедо городской застройки требуется расчет альбедо отдельных его частей. Каждая из таких частей состоит из разнородных по отражательной способности элементов. Например, для стен зданий это различные по характеру отделки и окраски участки фасадов, остекление. Поступающая внутрь городской застройки солнечная радиация, падая на различные поверхности (грани), последовательно отражается и передается на другие ее грани, теряя при каждом переотражении часть своей энергии. В результате при каждом переотражении дополнительно поглощается какая-то часть этой радиации и общее поглощение радиации каждой из граней становится больше, чем у аналогичной по отражательной способности грани в случае, если бы она была расположена на открытом пространстве.

     Альбедо поверхности изменяется в результате строительства искусственных поверхностей, применения кровельных материалов с поглощающими и отражающими свойствами, отличающимися от естественных поверхностей.

3. Затраты тепла на испарение.

     В естественных условиях затраты тепла на испарение являются одной из основных расходных частей теплового баланса земной поверхности. Городская застройка воздействует на испарение вследствие нарушения естественного водного баланса поверхности водосборов, уменьшая величину слоя испарения за счет сокращения испаряющих площадей и отвода части поверхностного стока сетями ливневой канализации. Изменение уровня и режима питания грунтовых вод происходит за счет перераспределения площадей водосбора с различными коэффициентами стока.

     Около 40% от годового количества осадков, выпадающих в крупном городе на канализованную территорию, перехватываются ливневой канализацией и, таким образом, изымаются из величины естественного водного баланса. Уменьшение слоя испарения и транспирации с этой территории за теплый период, по сравнению с естественными условиями, составляет примерно треть.

4. Техногенный тепловой баланс

     Коммунальное хозяйство, промышленность и транспорт создают колоссальную электрическую и тепловую нагрузку на топливно-энергетическое хозяйство городов. Покрытие этой нагрузки требует расхода огромного количества топлива, что, в свою очередь, приводит к масштабному воздействию на состояние городской среды — в частности, к ее химическому и тепловому загрязнению и, как следствие, изменению микроклимата города. Считается, что в крупных городах, расположенных в средних и высоких широтах, потоки тепла техногенного происхождения по своим размерам сопоставимы с радиационным балансом.

     В техногенном тепловом балансе города можно условно выделить 3 основные приходные части, связанные с прямым выделением тепла в окружающее пространство: 1) прямое энергопотребление, состоящее в сжигании органического топлива для выработки тепла и электроэнергии, а также получения механической энергии; 2) метаболическое тепловыделение; 3) термическое уничтожение органической части отходов товарно-сырьевой массы, используемой городом в хозяйстве и промышленности. Среди перечисленных приходных частей теплового баланса прямое энергопотребление играет доминирующую роль.

В тепловом балансе системы «город—атмосфера » участвует не только явное тепло, выкатываемое объектами теплоэнергетики, но и скрытая теплота конденсация и кристаллизации водяного пара, являющегося одним из основных продуктов сгорания природного газа. Теплота конденсации массы пара составляет более 10% тепла, выделяющегося при сжигании газа.

5. Ветровой режим

Ветер возникает в результате различий атмосферного давления в разных точках земной поверхности. Изменение ветрового режима под влиянием городской застройки подчиняется довольно сложным законам термодинамики. Влияния городской застройки не одинаковы на разных участках и зависят от плотности застройки, ее высотности, контрастности и других морфометрических показателей.

      Сама по себе городская застройка, имея более высокий коэффициент шероховатости, чем большинство природных ландшафтов, снижает скорость воздушного потока у земли, хотя за счет повышенной теплоотдачи в атмосферу город создает мезомасштабную термическую конвекцию, что может усиливать скорость ветра на фоне штилевых условий.

      Есть и более сложные механизмы косвенного влияния городов на скорость ветра, например — стимулирование образования кучевой облачности за счет эмиссии ядер конденсации и, как следствие, усиление скорости ветра при прохождении этих облаков над городскими районами. Таким образом, нельзя говорить только о снижении скорости ветра в городах. Сравнение характеристик скорости ветра, по данным наблюдений в городах и их пригородах, показывает, что средние значения в городе, как правило, И ниже. В среднем за год снижение скорости ветра в крупных городах по сравнению с их окрестностями составляет 30%, а количество штилей возрастает на 20% .

     Ветровой режим — из важнейших климатических характеристик, определяющих размер, форму и композицию зданий и сооружений и жизнедеятельности людей. С градостроительной точки зрения ветровой режим определяет 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 городской климатологии. Существенное экологическое и архитектурно-строительное значение имеет вертикальный профиль скорости ветра, который отражает зависимость скорости от высоты над поверхностью земли. За счет сил трения с элементами рельефа, зелеными насаждениями, зданиями и другими искусственными сооружениями в приземном слое скорость ветра всегда ниже, чем на высоте, в свободной атмосфере.

     Ещё одна интересная особенность: за счет образования на территории города «острова тепла» город формирует свою мезомасштабную атмосферную циркуляцию по циклоническому типу. За счет этого на фоне размытого барического поля над территорией больших городов, летом может образовываться барическая депрессия, в которой скорость ветра может быть выше (1—3 м/с), чем на окружающих город территориях. На окраинах города также может наблюдаться мезомасштабная циркуляция «бризового» типа: днем и вечером ветер дует из пригородов к центру города за счет возникающей над городом термической конвекции.