XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

В двадцать первом веке урбанизация достигла невероятных масштабов. Города с высокой плотностью населения и развитой инфраструктурой становятся одними из самых уязвимых мест в условиях изменяющегося климата. Изменения климата в российских регионах выражаются в увеличении частоты экстремальных природных явлений, повышении уровня моря, таянии многолетней мерзлоты и загрязнении окружающей среды, что приводит к ухудшению условий жизни в городской среде [1].

При анализе климатических характеристик городов важно учитывать эффект урбанизации, то есть искажающее влияние городов на естественные метеорологические процессы. Для городского климата характерен феномен "острова тепла", где в центральных частях крупных городов наблюдается максимальная температура воздуха. Интенсивность и размер этого эффекта варьируются во времени и пространстве в зависимости от метеорологических условий и особенностей самого города [2].

Температурная разница между городским островом тепла и окружающими территориями может достигать составлять 6°C, обычно она более выражена ночью по сравнению с днем и чаще наблюдается при слабом ветре [3]. Ночное охлаждение поверхностей и приземного воздуха в городах происходит медленнее из-за накопленного тепла, что приводит к более высоким ночным температурам в городских районах по сравнению с более быстрым охлаждением в сельской местности. Интенсивность эффекта острова тепла быстро уменьшается ближе к рассвету.

Цель исследования

Арктические регионы в последнее время стали объектом активных исследований в области естественных наук. Влияние эффекта городского острова тепла на эти территории существенно влияет на их развитие, что требует более детального анализа в свете изменения климата.

В данной работе будет оцениваться изменение климата в северных регионах на примере Санкт-Петербурга. Периоды наибольшей выраженности эффекта острова тепла наблюдаются в зимний период, особенно при малооблачной и безветренной погоде с преобладанием устойчивой стратификации атмосферы, что характерно для антициклонов.

Для Санкт-Петербурга характерно преобладание циклонической циркуляции с изменчивыми погодными условиями, при которых локальные климатические особенности проявляются меньше, что приводит к меньшей среднегодовой разнице температур между центром города и его пригородами. Эффект острова тепла также смягчается близостью Финского залива [4].

Тем не менее, несмотря на то что циклоническая циркуляция в Санкт-Петербурге преобладает, существуют и вторжения арктических воздушных масс, а также усиление влияния Сибирского антициклона, которые могут продолжаться до недели. Это создает благоприятные условия для усиления эффекта городского острова тепла.

Материалы и методы исследования

В данном исследовании использовалась мезомасштабная гидродинамическая модель WRF-ARW.

Используемая сетка включает в себя три домена. Первый домен покрывает Европейскую часть России, часть Скандинавии и северо-восток Европы с пространственным разрешением 9 км. Второй домен, или первая вложенная сетка, включает в себя Ленинградскую и Новгородскую области, а также Финский залив и имеет пространственное разрешение 3 км. Третий домен, или вторая вложенная сетка, покрывает район Санкт-Петербурга и близлежащих территорий с пространственным разрешением 1 км.

Данные NCEP FNL с разрешением 0,25° использовались в качестве исходных данных для постановки начальных и граничных условий модели.

В данном исследовании рассмотрен период с 1 января 2010 года 0000 ВСВ по 31 января 2010 года 0000 ВСВ. Проводится исследование для каждого года в период с 1980 по 2020 для влияния климатических изменений.

Схема параметризации, используемая в модели, представлена моделью городского полога UCM. Было произведено два запуска модели. Первый запуск проведен без включения параметризации модели городского полога, второй – с ее использованием.

В модели городского полога предполагаются бесконечно длинные улицы – так называемые «уличные каньоны», представляющие геометрию города. В уличном каньоне учитываются затенение, отражение и поглощение радиации. Прогностические переменные включают температуру поверхности крыш, стен и дорог и профили температуры в пределах моделируемых слоев крыши, стен и дорог (рисунок 1) [5].

Рисунок 1 – Схематическое изображение модели городского полога [5]

В качестве примера были выбраны два дня для сравнения результатов моделирования: 24 января, когда в пределах Санкт-Петербурга погода определялась условиями антициклона, и 30 января, когда погоду определял циклон с центром вблизи Ленинградской области.

Согласно результатам 24 января 2010 года в течение суток Ленинградская область находилась под действием антициклона (рисунок 2). Об этом свидетельствует слабый ветер и северное, северо-восточное направление ветра, антициклоническая циркуляция.

Рисунок 2 – Синоптическая ситуация над Европой и европейской частью России 24.01.2010 00 часов ВСВ [6]

При данном типе циркуляции действие эффекта острова тепла должно усиливаться. Что можно наблюдать на результатах моделирования в таблице 1.

На рисунках в таблице 1 представлены результаты моделирования разницы температур воздуха с учетом и без учета параметризации. Учет параметризации при моделировании приводит к тому, что на выходных изображениях температуры воздуха в центральных частях города несколько выше по сравнению с окрестными территориями Санкт-Петербурга. Наиболее ярко выраженными участками (красный и оранжевый цвет) выделяются промышленные районы и наиболее густонаселенные районы города. В данных районах эффект острова тепла, согласно рисункам таблицы 1, существовал практически в течение всех суток 24 января 2010 года, приобретая максимум в начале суток (3 часа ВСВ) постепенно ослабевая к 21 часу ВСВ. Представленные результаты моделирования хорошо согласуются с теоретической базой эффекта острова тепла [2].

Таблица 1 – Результаты моделирования разницы температуры воздуха с учетом и без учета параметризации 24.01.2010 03, 09, 15, 21 часов ВСВ

Далее рассмотрим 30 января 2010 года. В течение этих суток над Ленинградской областью установилась область пониженного давления (рисунок 3), о чем свидетельствует южное, юго-западное направление ветра, циклоническая циркуляция. Также погоду определял фронтальный раздел, представленный фронтом окклюзии. Вкупе неблагоприятные погодные условия должны способствовать ослабеванию эффекта острова тепла в городской среде. Данное утверждение находит подтверждение в результатах моделирования, содержащихся в таблице 2.

Рисунок 3 – Синоптическая ситуация над Европой и европейской частью России 30.01.2010 00 часов ВСВ [6]

Влияние эффекта острова тепла 30 января 2010 года выражен значительно меньше в пределах Санкт-Петербурга по сравнению с 24 января 2010 года. Можно наблюдать лишь отдельные участки относительного повышения температуры воздуха в северных районах города, что не дает оснований заключать вывод о существовании острова тепла в пределах всего Санкт-Петербурга.

Следовательно, имеет смысл сделать вывод о том, что результаты моделирования при данной синоптической ситуации также соответствую теоретическим данным [2].

Таблица 2 – Результаты моделирования разницы температуры воздуха с учетом и без учета параметризации 30.01.2010 03, 09, 15, 21 часов ВСВ

Результаты исследования

Таким образом, при предварительных результатах исследования можно говорить о том, что включение параметризации модели городского полога в расчеты позволяет улучшить результаты для изучения городского острова тепла.

По предварительным результатам исследований можно судить о влиянии городского острова тепла на поля температуры воздуха. Также результаты указывают на разное влияние эффекта острова тепла при разной циркуляции и разных барических системах.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-77-30008, https://rscf.ru/project/23-77-30008/

Список литературы

1. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Общее резюме. – СПб.: Наукоемкие технологии, 2022. – 124 с.

2. Пигольцина Г. Б. Микроклиматические особенности различных районов Санкт-Петербурга // Общество. Среда. Развитие (Terra Humana). 2009. №3. С. 130-144.

3. Матвеев Л.Т., Матвеев Ю. Л. Доклад Академии наук. 2000. Т. 370. № 2. С. 249-252.

4. Климат Ленинграда. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 252 с.

5. Chen, F., Kusaka, H., Bornstein, R., Ching, J., Grimmond, C.S.B., Grossman-Clarke, S., Loridan, T., Manning, K.W., Martilli, A., Miao, S., Sailor, D., Salamanca, F.P., Taha, H., Tewari, M., Wang, X., Wyszogrodzki, A.A. and Zhang, C. (2011), The integrated WRF/urban modelling system: development, evaluation, and applications to urban environmental problems. Int. J. Climatol., 31: 273-288.

6. Wetter3.de: [Электронный ресурс]. – URL: https://www.wetter3.de/ (дата обращения: 11.11.2024).