Тепловое поле природно-антропогенного происхождения – неотъемлемая составляющая городской экосистемы. Ее особенности и ключевые характеристики обусловлены комплексом факторов различного генезиса, оказывающих влияние на приповерхностный тепловой баланс. К таковым относятся местный и региональный климат, пространственная планировка и функциональное зонирование населенного пункта, воздействие стационарных и передвижных источников теплового воздействия, степень экранированности (запечатанности) почвенного покрова, плотность застройки и озеленения селитебных и промышленных зон [1].
Как правило, городское температурное поле в значительной мере отличается от характерного для прилегающих пригородных и сельских территорий, а также природных ландшафтов. В пределах населенного пункта формируется городской остров тепла – обширная положительная аномалия, приуроченная к областям наиболее интенсивного градостроительного освоения [2]. В то же время в масштабе города выделяются «тепловые купола», связанные с объектами, способствующими накоплению тепловой энергии, либо являющимися ее активными источниками, которые хорошо заметны даже на среднегородском фоне. К таким объектам относятся промышленные и жилые массивы, обширные экранированные поверхности (площади, проспекты), транспортная инфраструктура и т.п. Они способствуют образованию положительных тепловых аномалий земной поверхности, искусственных поверхностей и приповерхностного воздуха. Они в наибольшей степени оказывают влияние на условия жизни и деятельности населения города и функционирования компонентов урбоэкосистемы.
Воздействие острова тепла на здоровье человека и состояние окружающей среды комплексно и во многом носит косвенный характер, что, однако, не умаляет его значимость. В частности, аномальное температурное поле в пределах населенных пунктов способствует изменению режима осадков, накоплению загрязняющих веществ в воздухе, нарушению температурного режима водоемов и снижению качества вод [1, 3]. Непосредственное негативное влияние на человеческий организм заключается, прежде всего, в усугублении существующих кардио-, респираторных и других заболеваний и росте смертности от них. Риск максимален в аномально жаркие периоды, но сохраняется и при умеренно высоких температурах. А наибольшему воздействию подвергается население пожилого возраста и люди, имеющие проблемы со здоровьем [1].
С учетом вышесказанного, принимая во внимание динамическую природу урбоэкосистемы, представляется актуальным исследование пространственно-временного развития явления городского теплового поля в условиях высоких летних температур и активного градостроительного освоения территории, характерных для города-миллионника Ростова-на-Дону в современный период (конец XX – начало XXI в.).
Целью данного исследования является изучение формирования структуры городского теплового поля в контексте развития Ростова-на-Дону. Интерес представляют как сам процесс возникновения и дальнейшего преобразования городского теплового острова, так и выявление закономерностей, связанных с его внутренней дифференциацией. Рассмотрены ключевые особенности, характерные для различных видов городского ландшафта при различных направлениях градостроительной деятельности. Помимо прочего, рассмотрение отклика острова тепла на изменения в структуре урболандшафта позволяет в определенной мере прогнозировать изменения температурного поля в районном и городском масштабе, а потому представляет интерес и в области городского планирования.
Город Ростов-на-Дону – один из крупнейших населенных пунктов Юга России. Расположен в низовьях реки Дон, в зоне влажного континентального климата с жарким летом (Dfa по классификации Кеппена – Гейгера) [4]. Абсолютный максимум летних температур достигает 40,2 °C [5, 6].
Территория города характеризуется высоким уровнем солнечной радиации (порядка 2,7 ГДж/м2 в год) при малом количестве дней без солнца и их практически полном отсутствии в теплый период года, с мая по сентябрь. На этот же период приходится и наибольшая продолжительность солнечного сияния в течение суток, и наибольшая повторяемость ясного неба по общей облачности [7].
На территории городского округа представлены как урболандшафты, так и условно-природные, антропогенно-преобразованные и агроландшафты. На всем протяжении рассматриваемого периода для Ростова-на-Дону было характерно увеличение площади застройки, прежде всего – многоэтажной, микрорайонного типа. Такая застройка преобладает во всех районах, введенных в эксплуатацию и строящихся с 1984 по 2023 г. В практически не изменившихся по площади районах малоэтажной и индивидуальной застройки наблюдалась тенденция к увеличению ее плотности за счет точечного строительства, а для части промышленных комплексов характерно изменение функционального назначения, увеличение доли непроизводственных складских и коммерческих зданий. Новыми для города за рассматриваемый отрезок времени стали районы коммерческого назначения: торговые центры, рыночные комплексы и т.п., по физическим характеристикам и планировочным решениям близкие к промышленным, но расположенные зачастую в границах жилых кварталов.
Материалы и методы исследования
В качестве исходных материалов для исследования были выбраны данные инфракрасной космической съемки искусственных спутников Земли (ИСЗ) Landsat 5, 8 и 9, представленные снимками в дальнем инфракрасном (тепловом) диапазоне. Использование тепловых спектральных каналов позволяет эффективно выявлять «поверхностный остров тепла», в наибольшей степени ассоциирующийся с видоизмененными, экранированными и застроенными поверхностями и антропогенными источниками тепла.
Начало регулярной съемки территории г. Ростова-на-Дону приходится на 1984 г. (год введения в эксплуатацию ИСЗ Landsat5) [8]. Таким образом, для изучения доступен период в 39 лет, охватывающий время значительного изменения территориально-планировочной структуры города.
В рамках проведенного исследования использовались снимки теплого сезона года (с мая по сентябрь), что обусловлено как климатическими предпосылками к формированию поверхностного острова тепла в данный период, так и актуальностью проблемы теплового загрязнения в условиях высоких летних температур.
Территория городского округа была разделена на районы, объединенные общностью функционального назначения и особенностей формирования в процессе развития населенного пункта (рис. 1). Для обработки исходных материалов использовалась геоинформационная система QuantumGIS и модуль Semi-Automatic Classification Plugin [9]. Для каждого снимка определялась величина температурной аномалии (отклонения) для каждой точки (пикселя) относительно среднего значения по городскому округу. Затем вычислялась усредненная аномалия для снимков одного года. Полученные значения посредством зональной статистики растра группировались по районам различного функционального назначения в целях выявления пространственно-временных закономерностей развития теплового поля города.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе исследования были выявлены закономерности изменения теплового поля, связанные как с особенностями градостроительного освоения территории, так и с типом ландшафта и возрастом его формирования. Результаты вычисления усредненной поверхностной температурной аномалии, сгруппированные по группам территорий общего функционального назначения, представлены на рис. 1.
Жилые и промышленные районы города, из числа входивших в его структуру на начало рассматриваемого периода (1984 г.) отличаются значительным сходством в характеристиках теплового поля. Необходимо отметить, что общая структура острова тепла «староосвоенных» районов остается достаточно стабильной независимо от господствующей тенденции. Так, промышленные зоны в целом теплее селитебных и отличаются большим интервалом значений, что связано главным образом с преобладающим типом производства, площадью и конфигурацией производственных объектов. Наибольший уровень теплового загрязнения наблюдается на территории комбайнового завода «Ростсельмаш», наименьший – в Заречной промышленной зоне, где преобладают предприятия обрабатывающей промышленности и портово-складские сооружения. Селитебные районы отличаются сходными температурными показателями вне зависимости от типа застройки и периода формирования – интервал аномальных величин для этой группы территорий составляет порядка 2 °C (для промышленных зон – от 4 до 6 °C). Исключение составляют районы нового (с конца 2000-х до начала 2010-х гг.) строительства – Левенцовский и Суворовский, где наблюдается нестабильное тепловое поле, обусловленное главным образом текущим освоением и благоустройством территории. Ранее на месте обоих районов находились агроландшафты (пашня) с характерными повышенными величинами температурной аномалии.
Рис. 1. Величина усредненной поверхностной температурной аномалии основных функциональных зон г. Ростова-на-Дону (в °C)
Отдельную группу составляют прочие территории, к которым относятся неурбанизированные условно-природные и агроландшафты, районы садово-дачной застройки пригородного типа, территории со сложной структурой освоения, городские леса и т.п. Для данных районов на всем рассматриваемом отрезке времени характерно сохранение пониженных величин усредненной аномалии (около -3 – -2 °C), а в некоторых случаях (в особенности для городских лесов и условно-природных ландшафтов) – ее понижение. В условиях незначительных изменений характера землепользования в пределах указанных районов это может быть обусловлено ростом среднегородского среднего и повышением контрастности теплового поля в связи с увеличением плотности застройки и сокращением внутриквартального озеленения.
В ходе проведенного исследования при рассмотрении временных тенденций в изменении структуры городского теплового поля были выявлены два периода ее развития на основе данных, касающихся прежде всего промышленных и жилых районов. На картах (рис. 2, 3) наглядно представлена величина изменения усредненной температурной аномалии для территорий города с 1984 по 2001 и с 2001 по 2023 г. соответственно.
Рис. 2. Величина изменения усредненной температурной аномалии на территории городского округа Ростов-на-Дону в 1984–2001 гг.
Рис. 3. Величина изменения усредненной температурной аномалии на территории городского округа Ростов-на-Дону в 2001–2023 гг.
Для первого отрезка времени характерно формирование «острова тепла» в пределах урбанизированной территории, что выражалось в следующих явлениях.
− Значительный нагрев большинства промышленных и селитебных территорий. В наибольшей степени он проявился в центральной, староосвоенной части города, в окрестностях завода «Ростсельмаш», а также на прилегающих к центру полупериферийных районах с интенсивной транспортной нагрузкой. Таким образом, в период с 1984 по 2001 г. в Ростове-на-Дону наблюдалось формирование «городского острова тепла» с характерной пространственной структурой.
− Рост контрастности распределения температурных показателей между городской и пригородной средой. При этом температурные показатели окраинных районов (главным образом на востоке, северо-востоке и северо-западе современного городского округа) с преимущественно малоэтажной застройкой и большой площадью зеленых зон и дачных массивов практически не подверглись изменениям, величина которых составила не более 1 °C.
Более поздний период, с 2001 по 2023 г., можно считать временем постепенного видоизменения сложившегося «острова тепла» Ростова-на-Дону, обусловленного локальными преобразованиями городской среды.
− Для жилых массивов, застройка которых преимущественно завершилась, наметилась тенденция к снижению величины температурной аномалии, что связано главным образом с благоустройством и озеленением территории. Необходимо отметить, что и достаточно активное точечное строительство не изменило данную тенденцию в районном масштабе.
− Отрицательное изменение величины теплового поля стало характерным и для промышленных зон, что связано с ростом доли непроизводственных построек в их пределах и общим сокращением масштабов индустриального землепользования, расширением неиспользуемых площадей.
− Наиболее крупная область роста температурных показателей теперь приурочена к Левенцовскому району в западной части города – наиболее масштабному объекту ведущегося строительства. В меньшем масштабе подобная тенденция наблюдается в поселке Северном – небольшой области старой застройки, где в последние годы было введено несколько крупных жилищных комплексов, занявших главным образом озелененные территории (в том числе Октябрьское трамвайно-троллейбусное депо).
− В меньшем масштабе прирост аномальных значений выявлен и в обширных полупериферийных районах на западе и северо-востоке города. Это может быть объяснено как происходящим уплотнением индивидуальной застройки, в том числе коммерческими объектами, так и возросшей транспортной нагрузкой на проходящие через данные районы магистрали.
Рассмотренные особенности, несмотря на свой достаточно выраженный характер, имеют главным образом локальное распространение и не изменяют общую структуру острова тепла в масштабе городского округа, которая остается достаточно стабильной. Так, для большинства как жилых, так и промышленных территорий тепловое поле осталось неизменным, либо изменилось незначительно (менее 0,5 °C по аномалии).
Выводы
1. В ходе исследования было впервые рассмотрено развитие теплового поля городской территории (для Ростова-на-Дону) на длительном отрезке времени. Были выявлены периоды формирования и стабилизации поверхностного «городского острова тепла».
2. Формирование «городского острова тепла» Ростова-на-Дону пришлось главным образом на период до 2001 г. При этом стоит отметить, что внутригородские особенности распределения температурных показателей определяются прежде всего функциональным назначением территории, характером ее градостроительного освоения, что демонстрируется при сравнении усредненных аномальных значений районов при их группировке по указанным признакам (рис. 1).
3. На этапе формирования городского температурного поля наряду с общим нагревом урбанизированных территорий наблюдалось выделение и в наибольшей степени выраженной центральной части «острова тепла», охватывающей «староосвоенные» районы и крупные промышленные зоны. Таким образом, рост контрастности происходил не только по границе «город – пригород», но и в пределах урбоэкосистемы как таковой.
4. С 2001 г. тепловое поле Ростова-на-Дону пребывает в относительно стабильном состоянии, что выражается в преобладании незначительного, либо слабоотрицательного прироста усредненной температурной аномалии для большинства урбанизированных территорий. Области активных изменений и роста интенсивности нагрева приурочены к ограниченному количеству районов, объединенных общностью процессов градостроительного преобразования (текущим, либо недавно завершенным новым строительством). Общегородская же тенденция заключается в сохранении сложившейся структуры «городского острова тепла».
5. Рассмотрение проблемы развития теплового поля и его взаимосвязи с направлениями развития урбоэкосистемы и преобразования городской среды обитания актуально как в интересах обеспечения безопасности и достойного качества окружающей среды, условий жизнедеятельности и здоровья населения, так и в целях обеспечения рационального градостроительного освоения и использования территории населенных пунктов.