Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТРОВА ТЕПЛА ГОРОДА УФЫ ПО ДАННЫМ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ

Хайрулина С.Н. 1 Смертин Г.Ю. 1 Васильева Е.А. 1 Насырова Э.С. 1 Елизарьев А.Н. 1 Хамитов А.Р. 2
1 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
2 ГКУ РБ «Информационные технологии»
Территории городских центров, особенно в городах-миллионерах, характеризуются высокой запечатанностью, что приводит к накапливанию тепла (более высокие температуры воздуха, чем на окраинах города). Данное явление названо «городской остров тепла». Исследование городского острова тепла в связи с высокими темпами урбанизации особенно важно для оценки глобального потепления. Среди основных факторов, влияющих на интенсивность городского острова тепла, выделяют городскую планировку. В работе рассмотрена проблема теплового загрязнения в городах. Избыточное тепло может негативно сказываться на здоровье населения и вызвать тепловой удар или гипертермию. При планировке города, как правило, не учитывается возможное изменение микроклимата в пределах микрорайона (квартала). Следствием игнорирования вопросов городского планирования может стать увеличение смертности и заболеваемости, например, во время аномальной жары в Европе в 2003 г. 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. В работе проанализирован эффект городского острова тепла в г. Уфе и рассмотрены его основные теоретические аспекты. В соответствии с полученными результатами выяснено, что г. Уфа является малоизученным с точки зрения городского острова тепла. Установлено, что в 2000 г. в городе Уфе присутствовал городской остров тепла, характеризующийся высоким значением среднесуточной и максимальной температуры воздуха. Предполагается, что городской остров тепла г. Уфы располагался вокруг ПНЗ № 5.
городской остров тепла
атмосфера
изменение климата
городское планирование
биоклиматическая архитектура
1. Shi Y., Zhang Y. Remote sensing retrieval of urban land surface temperature in hot-humid region. Urban Climate. 2018. Vol. 24. P. 299–310. DOI: 10.1016/j.uclim.2017.01.001.
2. Darmanto N.S., Varquez A.C.G., Kawano N., Kanda M. Future urban climate projection in a tropical megacity based on global climate change and local urbanization scenarios. Urban Climate. 2019. Vol. 29. P. 100482. DOI: 10.1016/j.uclim.2019.100482.
3. Шукуров И.С., Хонгорова И.В. Теплофизическое моделирование в градостроительстве // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 12–16. DOI: 10.22227/1997-0935.2012.1.12-16.
4. Veena K., Parammasivam K.M., Venkatesh T.N. Urban Heat Island studies: Current status in India and a comparison with the International studies. Journal of Earth System Science. 2020. Vol. 129. P. 85. DOI: 10.1007/s12040-020-1351-y.
5. Li Y., Schubert S., Jürgen P.K., Rybski D. On the influence of density and morphology on the Urban Heat Island intensity. Nature Communications. 2020. Vol. 11. P. 2647. DOI: 10.1038/s41467-020-16461-9.
6. Woo Oh J., Ngarambe J., Nzivugira Duhirwe P., Young Yun G., Santamouris M. Using deep-learning to forecast the magnitude and characteristics of urban heat island in Seoul Korea. Scientific Reports. 2020. Vol. 10. P. 3559. DOI: 10.1038/s41598-020-60632-z.
7. Ying L. Sun Y., Li J., Gao C. Socioeconomic drivers of urban heat island effect: Empirical evidence from major Chinese cities. Sustainable Cities and Society. 2020. Vol. 63. P. 102425. DOI: 10.1016/j.scs.2020.102425.
8. Марванов Р.В., Насырова Э.С. Особенности температурного режима крупных городов (на примере г. Уфы) // Актуальные проблемы науки в студенческих исследованиях: материалы VIII Всероссийской студенческой научно-практической конференции. 2018. С. 170–172.
9. Насырова Э.С., Новикова Д.О., Хайрулина С.Н. Городской остров тепла // Современные проблемы пожарной безопасности: теория и практика (FireSafety 2020). Уфа: УГАТУ, 2020. С. 235–239.

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).

missing image file

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.


Библиографическая ссылка

Хайрулина С.Н., Смертин Г.Ю., Васильева Е.А., Насырова Э.С., Елизарьев А.Н., Хамитов А.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТРОВА ТЕПЛА ГОРОДА УФЫ ПО ДАННЫМ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 5. – С. 84-89;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37829 (дата обращения: 13.07.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674