Запечатанность территории городских центров приводит к накапливанию тепла, здесь наблюдаются более высокие температуры воздуха, чем на окраинах города. Данное явление называется «городской остров тепла» (ГОТ). Исследование городского острова тепла из-за увеличения урбанизации особенно важно для оценки глобального потепления. Среди факторов, влияющих на интенсивность городского острова тепла, выделяют городскую планировку. Она взаимодействует с обменным излучением между землей и атмосферой с последующими явлениями отражения, поглощения и накопления тепла. Геометрическое сочетание горизонтальных и вертикальных внутригородских поверхностей часто называют «городским каньоном» [1–3].
Изменение климатических параметров в городской среде, а именно повышенная температура, сказывается на здоровье человека. В связи с этим забота о комфортном тепловом микроклимате в городской среде является одной из задач градостроительства. Прогнозируемые изменения температуры как в результате глобального потепления, так и в результате формируемого городского острова тепла окажут прямое и косвенное воздействие на здоровье человека. По данным Национальной академии наук США и Королевского научного общества (2014), небольшое повышение глобальной температуры приведет к повсеместным изменениям региональной температуры с увеличением теплового стресса в районах. Региональные изменения температуры повышают риск возникновения аномальной жары и представляют серьезную проблему для здравоохранения. Тепловые волны могут вызвать тепловой удар, гипертермию и увеличить уровень смертности. Однако такие нюансы планировки, связанные с изменением климата, часто игнорируются в городском планировании. Последствия выражаются в ухудшении здоровья и комфорта жителей, особенно в больших городах. Следствием игнорирования вопросов городского планирования может стать увеличение смертности и заболеваемости, особенно в городских районах. Об этом уже сообщалось в 2003 г. во время аномальной жары в Европе. Существует острая необходимость в оценке стратегий, которые могут смягчить дальнейшее повышение температуры в городских районах и связанное с этим негативное воздействие на тепловой комфорт человека с точки зрения городского планирования. Соответственно, первоочередным является выявление в городе островов тепла для принятия дальнейших решений.
Проблема городского острова тепла широко исследуется зарубежными исследователями, а отечественные исследователи в основном рассматривают данное явление только в городах-миллионерах. Например, в работе по исследованию городского острова тепла в Индии [4] обсуждаются методы классификации тепловых островов при их изучении.
Yunfei Li и др. [5] моделировали городской климат различных городов при одинаковых погодных условиях. Изучая различные формы городов, авторы обобщили и предложили сокращенную форму оценки интенсивности ГОТ, основанную только на структуре городских объектов, а также на их относительных расстояниях.
Для того чтобы понять величину и характеристики ГОТ в Сеуле, Jin Woo Oh и др. [6] разработали две модели городского острова тепла: временную и пространственную. Кроме того, авторы разработали и предложили новую метрику – ГОТ-часы, которая определяет общее количество часов, в течение которых городской остров тепла существует в данной области.
В работе [7] проведено исследование влияния социально-экономических факторов на динамику ГОТ в крупных китайских городах. Авторы использовали обобщенную аддитивную модель для моделирования нелинейных/линейных связей между экономикой, населением, промышленной структурой, географическими особенностями и ГОТ на уровне сезонных и климатических изменений.
Примером города-миллионера, для которого возможно наличие городского острова тепла, является г. Уфа. В работе [8] рассмотрена проблема теплового загрязнения в городах. Проанализированы основные условия возникновения городского острова тепла в г. Уфе. Эффект городского острова тепла в г. Уфе и его основные теоретические аспекты рассмотрены в работе [9]. В ходе анализа выяснено, что г. Уфа является малоизученным с точки зрения городского острова тепла. В связи с этим целью данной работы является исследование городского острова тепла в городе-миллионере Уфе.
Материалы и методы исследования
Эффект городского острова тепла возможно определить по данным пунктов наблюдения за загрязнением воздуха (ПНЗ). В г. Уфе находится 9 пунктов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха (рисунок).
Как видно из рисунка, 8 станций находятся в основной части г. Уфы, а одна станция – в Демском районе города. Поскольку данная станция расположена за пределами основной части города и за рекой Белая, то она может условно рассматриваться как фоновая для оставшихся 8 станций.
Город Уфа является пятым по протяженности в России, имея длину 54 км. В связи с территориальной особенностью города пункты наблюдения можно объединить в две группы, условно расположенные на отрезках АБ и ВГ (рисунок).
Пункты наблюдения загрязнения атмосферного воздуха г. Уфы
ПНЗ № 1 по улице Минская, 64, с одной стороны окружен частным сектором и садоводческими некоммерческими товариществами, с другой располагается многоквартирный жилой комплекс «Белые Росы». За СНТ находятся административные и производственные корпуса научно-производственного объединения «Микроген Иммунопрепарат».
ПНЗ № 2 по улице Свободы, 44, окружают многоквартирные и частные жилые дома. К северо-западу от него располагается большое количество хозяйственных и производственных корпусов.
С одной стороны от ПНЗ № 5 по проспекту Октября, 141, находится Уфимский трамвайно-троллейбусный завод, с другой большая территория парка имени Калинина. К югу – городской дворец культуры и многоквартирные жилые дома.
ПНЗ № 12 по ул. Мира, 11, находится в жилом многоквартирном квартале.
ПНЗ № 14 по ул. Ульяновых, 57, расположен в производственном секторе и окружен производственными и хозяйственными помещениями.
ПНЗ № 16 по проспекту Октября, 65/4, располагается в черте жилых многоквартирных домов.
Рядом с ПНЗ № 17 по улице Гафури, 101, находятся как жилые дома, так и производственные корпуса.
ПНЗ № 18 по улице Достоевского, 102/1, опоясан жилыми домами и бизнес-центром.
ПНЗ № 23 улица Злобина, 11, расположен посреди жилых домов и строящихся многоквартирных объектов.
По данным 9 ПНЗ исследована динамика изменения температуры воздуха в г. Уфе в 2000 г. Учитывались значения температуры, замеренные в 1:00, 7:00, 13:00 и 19:00 на протяжении 365 дней. Проанализировано 12 тыс. данных. Рассчитаны среднесуточные и максимальные значения температур за каждый день 2000 г. ПНЗ № 1 не входит в основной анализ, но данные обработаны так же, как и для других пунктов наблюдения.
Результаты исследования и их обсуждение
Поскольку в г. Уфе ранее эффект городского острова тепла непосредственно по суточной температуре воздуха не изучался, и подобное исследование для города проводится впервые, то за начало исследований взят один из пяти самых теплых лет прошедшего столетия, по которому имеются данные, – 2000 год. В 2000 г. на территории России в целом температура приземного слоя воздуха превышала норму на 1,1° С. Более теплыми годами по сравнению с 2000 г. считались 1995, 1990, 1983, 1989 гг. Среднесезонные температуры для России в целом в 2000 г. превышали норму во все сезоны, кроме осени. Зима в этом году более теплая, чем в 1999 г. Она вошла в число четырех самых теплых зим на территории России. Более теплые зимы в 1914, 1983 и 1995 гг. Особенно теплыми были декабрь и февраль. Весна в России была очень теплой. Положительные аномалии температуры отмечались на всей территории России. Как и зима, весна вошла в число пяти самых теплых за 100 лет (1990, 1997, 1995, 1967 гг.). Рекордно теплым был апрель.
Среднесуточная динамика изменения температуры воздуха в г. Уфе по данным ПНЗ для января 2000 г. приведена в табл. 1.
Как видно из табл. 1, не на всех ПНЗ в один день измерялась температура, и это не позволяет полноценно проанализировать все дни. Рассчитана повторяемость по средней температуре воздуха за все месяцы 2000 г. (табл. 2).
Таблица 1
Среднесуточная динамика изменения температуры воздуха в г. Уфе в январе по данным ПНЗ
|
Дата |
№ 1 |
№ 2 |
№ 5 |
№ 12 |
№ 14 |
№ 16 |
№ 17 |
№ 18 |
№ 23 |
|
1 |
-5,67 |
-3,3 |
-3,3 |
-4,5 |
|||||
|
2 |
-11,88 |
-11,5 |
-12,2 |
-12,8 |
|||||
|
3 |
-10,75 |
-12, 7 |
-12,0 |
||||||
|
4 |
-8,50 |
-8,7 |
-5,7 |
||||||
|
5 |
-10,03 |
-9,7 |
-8,0 |
-5,3 |
-9,0 |
-9,7 |
-9,8 |
-8,4 |
|
|
6 |
-9,78 |
-10,0 |
-9,2 |
-11,0 |
-9,5 |
-8,5 |
|||
|
7 |
-7,30 |
-6,3 |
-6,7 |
||||||
|
8 |
-14,55 |
-13,3 |
-12,7 |
||||||
|
9 |
-5,80 |
-6,0 |
-7, 7 |
-7,1 |
|||||
|
10 |
-1,83 |
-1 |
-2,2 |
-2,0 |
|||||
|
11 |
-1,35 |
-1,7 |
-0,8 |
-0,3 |
-1,3 |
-1,9 |
-1,5 |
-1,0 |
|
|
12 |
-2,10 |
-2,2 |
-2,4 |
-0,7 |
-2,4 |
-2,5 |
-2,3 |
-2,8 |
|
|
13 |
-1,85 |
-2,1 |
-1,8 |
-1,3 |
-1,6 |
-1,7 |
-1,5 |
-1,1 |
|
|
14 |
-1,50 |
-1,5 |
-1,4 |
-0,7 |
-1,5 |
-1,3 |
-1,2 |
-1,6 |
|
|
15 |
-2,60 |
-1,3 |
-2,0 |
-3,1 |
-3,1 |
||||
|
16 |
-7,48 |
-4,7 |
-3,5 |
-4,2 |
|||||
|
17 |
-9,25 |
-8,9 |
-7,9 |
-8,3 |
-9,4 |
-9,4 |
-8,2 |
-10,5 |
|
|
18 |
-7,70 |
-7,85 |
-7,475 |
-7,4 |
-9,4 |
-7,5 |
-7 |
-9,2 |
|
|
19 |
-4,55 |
-5,0 |
-5,3 |
-5,5 |
-4,7 |
-3,5 |
-4,9 |
-6,0 |
|
|
20 |
-2,13 |
-2,4 |
-1,9 |
-1,8 |
-5,0 |
-2,5 |
-2,1 |
-3,3 |
|
|
21 |
-5,65 |
-4,5 |
-4,5 |
-3,7 |
-5,0 |
-4,7 |
-4,4 |
-5,7 |
|
|
22 |
-15,10 |
-12,7 |
-12,4 |
-9,9 |
|||||
|
23 |
-11,33 |
-10,2 |
-9,0 |
-9,5 |
-11,3 |
||||
|
24 |
-15,80 |
-12,8 |
-12,4 |
-15,0 |
-16,7 |
-16,2 |
-12,6 |
-16,6 |
|
|
25 |
-21,53 |
-20 |
-20,1 |
-19,6 |
-18, 7 |
-18,6 |
-22,4 |
||
|
26 |
-5,40 |
-5,13 |
-4,13 |
-4,2 |
-4,1 |
-4,53 |
-6,6 |
||
|
27 |
-9,68 |
-7,8 |
-6,3 |
-7,7 |
-8,3 |
-7,1 |
-7,8 |
||
|
28 |
-17,98 |
-16,8 |
-15,3 |
-15,3 |
-11,5 |
-15,9 |
-18,6 |
||
|
29 |
-10,00 |
-9,53 |
-8,8 |
||||||
|
30 |
-1,63 |
-2,0 |
-1,3 |
-1,7 |
-3,7 |
||||
|
31 |
-1,68 |
-1,525 |
-1,5 |
-1,53 |
-1,7 |
-0,8 |
-2,3 |
Таблица 2
Повторяемость ПНЗ по среднесуточной температуре
|
Дата |
№ 2 |
№ 5 |
№ 12 |
№ 14 |
№ 16 |
№ 17 |
№ 18 |
№2 3 |
|
Январь |
0 |
7 |
9 |
2 |
2 |
2 |
9 |
0 |
|
Февраль |
1 |
9 |
3 |
0 |
1 |
2 |
16 |
0 |
|
Март |
4 |
1 |
8 |
1 |
3 |
10 |
5 |
0 |
|
Апрель |
4 |
5 |
6 |
1 |
0 |
9 |
6 |
0 |
|
Май |
5 |
8 |
3 |
0 |
4 |
6 |
7 |
0 |
|
Июнь |
1 |
19 |
1 |
0 |
1 |
6 |
2 |
0 |
|
Июль |
1 |
18 |
1 |
4 |
1 |
6 |
0 |
0 |
|
Август |
1 |
18 |
2 |
0 |
0 |
6 |
3 |
0 |
|
Сентябрь |
0 |
12 |
2 |
0 |
2 |
8 |
8 |
0 |
|
Октябрь |
0 |
26 |
0 |
0 |
0 |
3 |
2 |
0 |
|
Ноябрь |
1 |
5 |
10 |
0 |
2 |
3 |
11 |
0 |
|
Декабрь |
2 |
5 |
8 |
0 |
2 |
6 |
8 |
1 |
|
Сумма |
20 |
133 |
53 |
8 |
18 |
67 |
77 |
1 |
|
Порядок |
5 |
1 |
4 |
7 |
6 |
3 |
2 |
8 |
Таблица 3
Повторяемость ПНЗ по максимальной температуре
|
Дата |
№ 2 |
№ 5 |
№ 12 |
№ 14 |
№ 16 |
№ 17 |
№ 18 |
№ 23 |
|
Январь |
5 |
8 |
9 |
6 |
3 |
2 |
9 |
0 |
|
Февраль |
4 |
8 |
9 |
5 |
0 |
1 |
11 |
0 |
|
Март |
10 |
1 |
8 |
2 |
1 |
11 |
6 |
0 |
|
Апрель |
3 |
11 |
9 |
8 |
0 |
3 |
2 |
1 |
|
Май |
9 |
10 |
6 |
8 |
3 |
2 |
4 |
2 |
|
Июнь |
4 |
15 |
4 |
6 |
0 |
3 |
1 |
1 |
|
Июль |
3 |
21 |
3 |
6 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
Август |
3 |
20 |
4 |
6 |
0 |
2 |
0 |
5 |
|
Сентябрь |
2 |
15 |
3 |
4 |
1 |
3 |
3 |
8 |
|
Октябрь |
2 |
27 |
2 |
1 |
0 |
2 |
1 |
0 |
|
Ноябрь |
1 |
10 |
15 |
2 |
1 |
4 |
4 |
0 |
|
Декабрь |
3 |
8 |
13 |
1 |
1 |
6 |
9 |
1 |
|
Сумма |
49 |
154 |
85 |
55 |
10 |
40 |
50 |
18 |
|
Порядок |
5 |
1 |
2 |
3 |
8 |
6 |
4 |
7 |
По данным табл. 2, наибольшая среднесуточная температура многократно зафиксирована на ПНЗ № 5.
На следующем шаге аналогично проанализирована динамика изменения максимальных значений температуры воздуха в каждом месяце 2000 г. (табл. 3).
Как видно из табл. 3, максимальная температура воздуха также многократно зафиксирована на ПНЗ № 5. Данный ПНЗ располагается в Институте нефтехимии и катализа Российской академии наук по центральной улице Уфы, долгое время считавшейся самой длинной, проспекту Октября. Напротив института простирается большая территория парка имени Калинина, площадью не менее 60 га земли. В настоящее время парк представляет собой неухоженный лесной массив, через который пролегает аллея. С другой стороны, от ПНЗ № 5 находится Уфимский трамвайно-троллейбусный завод, предприятие по производству троллейбусов, производящее около 100 троллейбусов в год. Ближе к центру идут городской дворец культуры и многоквартирные жилые дома.
Выявление городского острова тепла с практической точки зрения позволит внедрить биоклиматическую архитектуру в выявленном районе. Данное решение в свою очередь снизит тепловой эффект и создаст комфортные условия для жителей. Стратегическими направлениями по развитию биоклиматической архитектуры города являются увеличение альбедо поверхности, озеленение, обводнение и уменьшение запечатанности территорий.
Заключение
В работе рассмотрены основные теоретические аспекты эффекта городского острова тепла. В соответствии с полученными результатами выяснено, что г. Уфа является малоизученным с точки зрения данной проблемы. 2000 г. в числе пяти самых теплых лет прошедшего столетия и в связи с этим взят за начало исследований. Установлено, что в 2000 г. в г. Уфе присутствовал городской остров тепла, характеризующийся высоким значением среднесуточной и максимальной температуры воздуха. Предполагается, что городской остров тепла г. Уфы располагался вокруг ПНЗ № 5. В дальнейших исследованиях будут проанализированы оставшиеся годы до настоящего времени и предложены решения для биоклиматической архитектуры города.