Современное изучение городской климатологии

Объекты изучения городской климатологии
Острова тепла
Термический комфорт
Тепловые волны
Качество воздуха
Влияние погоды и климата на человека

Острова тепла

Факторы, влияющие на тепловой баланс и микроклимат города

Особенности островов тепла
Максимум анамалии температур наблюдается в центре города, минимум — на наветренной периферии.
Максимум –в полночь, минимум— утром
Максимум весна, осень, минимум — в начало зимы
Различие по географическим зонам
Интенсивность зависит от плотности застройки, кол-ва жителей

Экономическое значение островов тепла
Экономия на отоплении разных районов города

Изменение климата в Арктическом регионе
Доклад Росгидромета, 2008
IPCC, 2013

Объекты прямого изучения

In situ measurements
Post-processing of the raw data
(synchronization, quality-control, correction)
Building 2D temperature fields
(geostatistical modelling)
Measurement techniques:

UHI in Salekhard & Vorkuta

Permanent network for Apatity

Что такое термический комфорт?
Термический комфорт – показатель комфортности, при котором обеспечивается оптимальный уровень физиологических функций организма, в то время как человек не ощущает ни жары, ни холода.
(Исаев, 2003)

Факторы, влияющие на термический комфорт:
метеорологические параметры: температура воздуха, скорость ветра, влажность воздуха
скорость метаболизма (зависит от физиологических параметров человека)
уровень физиологической активности
теплоизоляционные свойства одежды

Биоклиматические индексы комфортности
Физиологическая- эквивалентная температура – PET
Универсальный индекс теплового комфорта – UTCI
Модернизированная физиологическая - эквивалентная температура – mPET
Жёсткость погоды – Wind chill

Физиологически-эквивалентная температура (РЕТ)
Физиологическая- эквивалентная температура (PET) - температура воздуха, при которой для обычных комнатных условий тепловой баланс человеческого тела остается неизменным со значениями температуры внутренних органов и температуры кожи для данной ситуации.

РЕТ
РЕТ – это мера теплового ощущения находящегося в покое человека. Индекс рассчитывается с учётом уравнения теплового баланса человека:
?+?+?+?+??+???+???+?=0
M - скорость обмена веществ (внутренняя выработка энергии),
W – теплоотдача при физической работе,
R – радиационный баланс тела,
C - конвективный поток тепла,
ED- скрытый поток тепла, расходуемый на потоотделение,
ERe - сумма тепловых потоков для нагревания и увлажнения вдыхаемого воздуха,
ESw – поток тепла, расходуемый на испарение пота
S - поток тепла, который сохраняется для нагревания или охлаждения масса тела

Относительные риски смертности (RR) во время аномально-жаркой погоды, идентифицированной по различным биоклиматическим индексам (Shartova et al., 2018)

UTCI
UTCI – это универсальный индекс теплового комфорта.
Это концепция «эквивалентной температуры»: он включает определение базового условия, с которым будут сравниваться все другие климатические условия.

mPET
Сейчас это самый универсальный индекс, который лучше всего оценивает термический комфорт в разных климатических зонах и в разные периоды года
mPET – самый современный тепловой индекс, основанный на физиологических параметрах человека.
Он преобразован из индекса РЕТ, но основан на другом уравнении теплового баланса человека

Градации индексов
/mPET

Wind chill
Wind chill или «Охлаждение ветром» - показатель, отражающий ощущения человека при одновременном воздействии на него ветра и пониженной температуры. Оценивается субъективное ощущение человеком температуры воздуха на открытом участке кожи c учетом скорости ветра

Matzarakis, A., Rutz, F. (2005) Application of RayMan for tourism and climate investigations. Annalen der Meteorologie 41:
Matzarakis, A.; Rutz, F.; Mayer, H. (2000) Estimation and calculation of the mean radiant temperature within urban structures. In: Biometeorology and Urban Climatology at the Turn of the Millenium (ed. by R.J. de Dear, J.D. Kalma, T.R. Oke and A. Auliciems): Selected Papers from the Conference ICB-ICUC’99, Sydney. WCASP-50, WMO/TD No. 1026, 273-278.
PET index derived
from Rayman model
(Matzarakis, Rutz, Mayer)
Входные данные:
дата, время и координаты.
метеорологические параметры
физиологические параметры человека (рост, вес, возраст, степень его физической активности).
Модель RayMan Pro 3.1

Трёхмерный блок модели RayMan Pro

Предпосылки к изучению комфортности Арктических городов
В России в городах проживает 74% населения, в Арктической зоне - 85%
Наличие островов тепла в городах – повышенных температур в центре города
Отсутствие данных о современной климатологии комфортности непосредственно в городах, тем более – в городах Арктической зоны

Проблемы в изучении
1. Малое количество метеостанций в Арктике
2. «Городские» метеостанции располагаются вне городской черты, поэтому не могут характеризовать климат всего города целиком.
WMO station
Город Апатиты
Распределение приземной
Температуры в Апатитах

Данные и территория изучения
Данные метеосети «Росгидромета» (срочные измерения) за период 1966-2017гг.
Территория Арктической зоны по указу Президента РФ от 2 мая 2014
Города: Мурманск, Кандалакша, Архангельск, Нарьян-Мар, Салехард, Анадырь и Надым
Карта Замятиной Н.Ю.

Результаты модельного эксперимента
1 тип
1 тип
1 тип
2 тип
2 тип
2 тип
2 тип

Динамика индекса Wind Chill

Скорости роста температуры и индексов за 10 лет

Динамика количества дней с очень сильным
и экстремальным холодовым стрессом
(UTCI<-27 и <-40)

Динамика количества дней со средним
и высоким риском переохлаждения
(Wind Chill < -28 и < -40)

Годовой ход холодового стресса по UTCI

Динамика количества дней с умеренным и сильным тепловым стрессом (UTCI >26 и >32)

Динамика количества дней с сильными тепловым воздействием (РЕТ>35)

Годовой ход умеренного теплового стресса (UTCI >+26)

Тропические ночи
Тропические ночи - ночи, при которых температура воздуха не опускается ниже 20°C.
(Climate Service Center Germany (GERICS))

Внутригодовая динамика очень сильного холодового стресса (UTCI<-27) в Салехарде

Внутригодовая динамика умеренного теплового стресса (UTCI >26) в Салехарде

Выводы
По изменению комфортности все города можно разделить на 2 группы: там, где тренды индексов РЕТ, mPET и UTCI растут быстрее, чем температура воздуха, и там, где этого не происходит.
Во всех городах наблюдается уменьшение количества дней с сильным холодовым воздействием и увеличение дней с умеренным и сильным тепловым воздействием.
Максимум дней с холодовым стрессом приходится на январь. Максимум количества дней с тепловым воздействием приходится на июль.

А что в Москве?
Потеплении климата и увеличение количества тепловых волн приводит к ухудшению комфортности среды и повышению риска смертности.

“Климат Москвы в условиях
глобального потепления” ред. Кислова А.В

Отклик термического комфорта при разных сценариях застройки Москвы
Пространственное распределение доли урбанизированных территорий в площади модельной ячейки для сценариев
(Варенцов М.И, 2018)
URB – современный города
“URBext2_iso – Равномерное расширение Москвы
URBext2_NM – полная застройка Новой Москвы

Отклик комфортности на разные сценарии застройки Москвы
Выбранные точки
Вывод: при полной застройке Москвы и приходящей волне тепла может ожидаться высокий уровень дискомфорта