Городской остров тепла

Города - это центры человеческой активности. В XX веке планета  прошла через быстрый процесс урбанизации, сейчас 50% населения земли - это городское население, к 2050 году ожидается, что около 66% людей будет жить в городах.

Городские территории вместе с характерной для них деятельностью формируют собственные, особые, атмосферные условия, заметно отличающиеся от сельской местности. Самое бросающееся в глаза различие — температура воздуха. В крупных городах (с населением свыше миллиона человек) среднегодовая температура может быть на 1–3 °C выше, чем в окружающих сельских районах. Зону с таким аномальным повышением температуры и называют островом тепла (ОТ).

Впервые городской остров тепла был описан «отцом метеорологии» Люком Говардом в начале XIX века. Он обнаружил, что Лондон в среднем на 2,1 °C теплее, чем окружающие его сельскохозяйственные окрестности. Однако сам термин (städtischen Wärmeinsel) предложил лишь в 1929 году немецкий исследователь Альберт Пепплер. Как и многие исследователи после Говарда, он проводил температурные измерения на автомобиле в городе и за его пределами — в Карлсруэ. На основе данных Пепплер составил карту, на которой город предстает как «жаркая, застоявшаяся масса воздуха», окружённая своеобразным «озером холодного воздуха», возникающим вследствие радиационного выхолаживания в сельской зоне.

Почему возникает городской остров тепла?

Главной причиной является нагрев поверхности. В городах мало зеленых зон, центр обычно плотно застроен, а улицы покрыты асфальтом. Всё это снижает альбедо — отражающую способность поверхности, из-за чего город эффективнее “поглощает” тепло днём. Нагрев влияет не только на среднюю температуру, но и на суточный ход атмосферных колебаний.
Ночью крыши и дороги начинают отдавать накопленное тепло в атмосферу и “перебивают” ночное радиационное выхолаживание. Поэтому-то по ночам разница температур летом между сельской и городской местностью может достигать даже 12 градусов.

Хорошо это видно на графике выше. Красными и синими линиями показаны соответственно поверхностные температуры днём и ночью в разных частях города. Обратите внимание на пунктирные линии, обозначающие атмосферную температуру. На краях диаграммы, в сельской зоне, расстояние между дневной и ночной температурой довольно велико, а в центре города линии сближаются, то есть разница между дневным и ночным воздухом практически исчезает.

Городской тепловой шлейф

Эффект городского острова тепла сказывается не только на температуре у поверхности, но и на сотни метров вверх, а также далеко за пределами городской черты.

Город фактически работает как труба, из которой поднимается теплый воздух и уносится по ветру, формируя своеобразный шлейф.
В ходе изучения темы я нашел отличный пример действия ветра на ОТ на сайте Лондонской мэрии.  Там был отчет о данных с приложенной картой средних температур в течении пятидневной жары (heatwave) в Лондоне в июле 2006 года. Чтобы нагляднее показать шлейф, я использовал эти данные, переделал карту и заодно наложил на нее векторное поле среднего направления ветра за тот же период. На карте четко заметна связь между направлением ветра и наиболее нагретыми зонами города. На западе фиксировались более высокие максимальные температуры, чем на востоке — местами разница доходила до 3 °C.

Несмотря на то что, аномальный нагрев в городах уже довольно хорошо изучен, городской тепловой шлейф и его влияние на окружающие город территории пока мало исследованы. Предполагается, что шлейф может иметь последствия, выходящие за рамки нагревания поверхности, такие как нарушение атмосферной конвекции и влияние на структуру пограничного слоя, что, в свою очередь, влияет на осадки, направление и силу ветра и качество воздуха.

К примеру, городской ОТ может задерживать воздух у поверхности земли вместе со всеми загрязняющими веществами в воздухе, создавая смог.

Поэтому изучение городского острова тепла до сих пор остается актуальным. Важно не только то, что этот процесс до конца не изучен, но и то, что под его воздействием находится огромная доля населения Земли. Ситуация усугубляется глобальным потеплением: именно в крупных городах его последствия ощущаются особенно остро. Если жара в 30 °C в сельской местности ещё переносима, то в городе та же температура превращается в куда более тяжелое испытание. Это напрямую отражается на здоровье: в городах фиксируется рост числа смертей, связанных с тепловым стрессом. Так, в Берлине в 2001–2010 годах ежегодно регистрировалось около 1600 случаев смерти (5% от всех смертей), вызванных воздействием экстремальной жары.