Микроклимат города

В городе формируются особые микроклиматические условия. Микроклимат города – это климат приземного слоя воздуха отдельных участков городской территории. Приземной слой воздуха занимает воздушное пространство двухметровой высоты над уровнем земли.

На формирование микроклимата города, помимо природных условий, оказывают влияние условия, создаваемые городской застройкой, а также функционированием автотранспорта, теплоэлектростанций, промышленных и других предприятий. Городская застройка изменяет природный рельеф: увеличивает шероховатость подстилающей поверхности (например, формирует котловинные условия на фоне равнинного рельефа), включает множество вертикальных поверхностей, создает пересеченную местность. Кроме того, теплофизические свойства (теплоемкость и отражательная способность) элементов городской застройки (стен зданий, крыш, дорог, мостовых) отличаются от теплофизических свойств элементов природного окружения. Почва города скрыта под строениями и дорожными (асфальтовыми) покрытиями. В природных условиях часть влаги уходит в почву. В городе значительная часть осадков не попадает в нее. Стоки городских осадков отводятся в ливневую или городскую канализацию. При работе автотранспорта, отоплении города, функционировании предприятий в атмосферный воздух поступают потоки тепла, выбрасываются газообразные загрязняющие вещества, жидкие и твердые взвешенные частицы.

Перечисленные особенности городской территории определяют факторы формирования микроклимата города:

· изменение рельефа, обусловленное городской застройкой;

· различие теплофизических свойств поверхностей элементов городской застройки и природного окружения;

· различие в альбедо подстилающих поверхностей территории города и окрестностей;

· искусственные потоки тепла;

· загрязнение воздуха;

· снижение испарения из-за асфальтовых покрытий и зарегулированности стока атмосферных осадков;

· резкое уменьшение площади поверхности с растительным покровом и естественной почвой и др.

Эти факторы влияют на микроклимат города одновременно, но их вклад в разное время года и в различных климатических условиях весьма различен. Они вызывают изменение естественного радиационного баланса, условий тепло- и массообмена, нарушение естественного круговорота влаги. Все это определяет микроклиматическую изменчивость общеклиматических режимов в отдельных районах крупного города.

Радиационный режим микроклимата города. Вследствие загрязнения атмосферного воздуха твердыми и жидкими взвешенными частицами (аэрозолями) происходит уменьшение его прозрачности. Поэтому часть солнечной радиации не проникает на территорию города. В зависимости от степени загрязнения воздуха, времени года и суток наблюдается снижение ее интенсивности до 20 % [37].

В градостроительстве решающую роль играет прямая солнечная радиация, которая оценивается инсоляционным режимом. Инсоляционный режим – режим облучения городских территорий и помещений зданий прямыми солнечными лучами. Инсоляцию городской застройки уменьшают облачность и загрязнение атмосферного воздуха. Солнечное облучение необходимо для жизни. Оно оказывает оздоровительное и положительное психологическое влияние на человека. Продолжительность инсоляции регламентируется санитарными нормами и соответствующими параграфами СНиПа [38, 27]. Нормы инсоляции зависят от климатической зоны размещения городской территории. В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01 на территориях игровых площадок, спортивных площадок жилых домов, групповых площадок дошкольных учреждений, спортивных зон, зон отдыха общеобразовательных школ и школ-интернатов; зоны отдыха лечебно-профилактических учреждений стационарного типа продолжительность инсоляции должна составлять не менее 3 часов на 50 % площади участка, независимо от географической широты.

СанПиНом также определены гигиенические требования по ограничению избыточного теплового воздействия инсоляции. На территории жилой застройки III и IV климатических районов защита от перегрева должна быть предусмотрена не менее чем для половины игровых площадок, мест размещения игровых и спортивных снарядов и устройств, мест отдыха населения.

Температурный режим микроклимата города. Температура воздуха в крупном городе по сравнению с его окрестностями выше на 1…4 градуса, иногда эта разница достигает 8 градусов [37].

Повышение температуры объясняется нагревом элементов застройки за счет поглощения ими солнечной радиации и отражением радиации городскими поверхностями, а также уменьшением эффективного излучения тепла над городом. Величина отраженной радиации зависит от наклона и ориентации поверхностей, а также от альбедо строительных и дорожных материалов. При этом может происходить взаимооблучение элементов застройки, а вблизи инсолируемых поверхностей городского окружения может значительно возрасти температура воздуха. Из-за загрязнения атмосферного воздуха, а также неоднородностей подстилающей поверхности, обусловленных застройкой, ослабляется эффективное излучение над городом и соответственно уменьшается его ночное охлаждение. Кроме того, на испарение влаги асфальтным покрытием и другими городскими поверхностями тратится значительно меньше энергии, по сравнению с энергией, необходимой для испарения влаги растительным покровом. Поэтому в приземном слое воздуха городской территории, за счет малого расхода энергии на испарение влаги, остается значительно больше тепла по сравнению с территорией окрестностей.

Дополнительное поступление тепла в атмосферный воздух происходит при сжигании топлива. Тепловые выбросы транспортных средств, промышленных и энергетических предприятий могут вызывать локальное повышение температуры воздуха над отдельными участками территории городской застройки – транспортной магистралью, промышленной зоной, ТЭЦ. Так, по данным космического мониторинга (съемки инфракрасного излучения), тепловые аномалии занимают четвертую часть территории г. Москвы (март 1997 г.) [39].

Повышение температуры воздуха внутри города по сравнению с температурой окружающей местности приводит к образованию так называемого «острова тепла» над городом – области повышенной температуры воздуха, которая имеет вид купола. Размер «острова тепла» и другие его показатели зависят от метеорологических условий и особенностей города. «Остров тепла» разрушается ветром или другими атмосферными осадками, но устойчив в безветрие. На высоте до нескольких сот метров по границам «острова» происходит циркуляция масс теплого и холодного воздуха. Вертикальная скорость воздушных потоков сравнительно небольшая. Например, у «острова» диаметром 10 км при скорости ветра 1 м/с в слое толщиной 500 м она составляет около 10 см/с [39]. В «острове тепла» давление атмосферного воздуха понижено. Это способствует притягиванию облаков верхних слоев атмосферы. Поэтому облака над городом расположены значительно ниже, чем над открытой местностью. Восходящие потоки воздуха образуют кучевую облачность. Образование «острова тепла» вызывает уменьшение притока солнечной радиации на территорию крупного города, увеличение количества атмосферных осадков, увеличение повторяемости туманов.

Ветровой режим микроклимата города. Элементы городской застройки и зеленые насаждения изменяют скорость ветра и его направление. Обычно скорость ветра в городе меньше, чем за его пределами. Усиление ветра возможно при расположении города на холмах или при совпадении направления ветра с направлением улиц. Для городов, где скорости ветра незначительны, характерны местные циркуляции воздуха. Причиной их возникновения может быть разная температура или освещенность отдельных участков городской территории. Движение воздуха, называемое термическим проветриванием, возникает между городом и его окрестностями, между зеленым массивом и территорией застройки, между нагретой солнцем и затененной частью улиц. Наличие водоемов способствует формированию местной циркуляции, подобной бризам. Воздух движется от водоемов к застройке.

Ветровой режим приземного слоя воздуха в условиях городской застройки принято называть аэрационным режимом. Аэрационный режим считается комфортным, если скорости ветра на территории застройки находятся в пределах от 1 до 5 м/с [37]. Участки городской территории, где скорость ветра меньше 1 м/с, относятся к непроветриваемым, а более 5 м/с – к зонам продувания. В учебном пособии [11] отдельно выделяются комфортный аэрационный режим (скорость ветра от 1 до 3 м/с) и аэрационный режим, близкий к комфортному (скорость ветра от 3 до 5 м/с). Непроветриваемые участки городской территории, или зоны застоя воздуха, создают антисанитарное состояние. Зоны продувания дискомфортны для человека.

Влажностный режим микроклимата города. Влажность воздуха в крупных городах ниже по сравнению с окрестностями. Это связано с повышенными температурами атмосферного воздуха и меньшим содержанием в нем влаги за счет снижения количества испарений. Наибольшая разница по влажности воздуха между городом и его окрестностями в течение года наблюдается летом, а в течение суток – в вечерние часы. В зимнее время воздух города может быть более увлажнен за счет выбросов пара техногенными источниками. Зимой в городе выпадает меньше снега, а летом выпадает больше дождей.

Образованию облачности в городе при высокой влажности способствует повышенная конвективная неустойчивость и загрязнение воздушных масс. Образованию облачности при недостаточной влажности также способствуют конвективные потоки над городом. Они препятствуют горизонтальному перемещению воздушных масс, поступающих с наветренной стороны, вовлекают их в восходящий поток воздуха. Вследствие этого образуется облачность и выпадают осадки.

При значительном загрязнении атмосферного воздуха и ослаблении скорости ветра туманов в городе может быть больше. С повышением температуры и понижением относительной влажности туманов в городе становится меньше, чем за его пределами [40].

Биоклиматические условия территории города. Погодные условия могут оказывать негативное влияние на самочувствие человека, могут вызывать чувство комфорта. Погодой называется состояние атмосферы в данном месте в определенный момент или за ограниченный промежуток времени (сутки, месяц). Погода обусловлена физическими процессами, происходящими при взаимодействии атмосферы с космосом и земной поверхностью. Погоду характеризуют метеорологические показатели: атмосферное давление, температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра.

Специалистами по медицинской климатологии разработан ряд биоклиматических показателей по восприятию человеком погодных условий. Эти показатели получены на основе параллельных физиологических и метеорологических наблюдений. Наибольшее применение получили показатели, отражающие тепловое состояние человека.

Тепловое состояние человека определяется его физиологическими показателями, физической нагрузкой, теплозащитными свойствами одежды, но в первую очередь комплексом метеорологических факторов: температурой и влажностью воздуха, солнечной радиацией и скоростью ветра. Установлено, что человек испытывает тепловой комфорт в том случае, когда его теплорегуляторная система находится в состоянии наименьшего напряжения. Так, низкая температура воздуха вызывает ощущение холодного дискомфорта, который возрастает с увеличением скорости ветра и повышением влажности. В жарком климате при температуре воздуха, близкой к температуре тела или превышающей ее, даже ветер не всегда приносит ощущение свежести. Сочетание высокой температуры и высокой влажности воздуха вызывает состояние духоты.

К биоклиматическим показателям, отражающим тепловое состояние человека, относятся: эквивалентно-эффективная температура, тепловая нагрузка на организм человека, физиологический тип погоды и др. На основе этих показателей разработаны методы оценки биоклиматических условий территории. Рассмотрим метод температурных шкал, метод теплового баланса тела человека и методы, основанные на классификации типов погод [36].

Метод температурных шкал. В основном используются два вида температурных шкал: эквивалентно-эффективные температуры (ЭЭТ) и радиационно-эквивалентно-эффективные температуры (РЭЭТ). ЭЭТ учитывают комплексное воздействие температуры, влажности воздуха и скорости ветра на теплоощущение человека. РЭЭТ дополнительно учитывают солнечную радиацию. Комплексное воздействие на человека температуры воздуха, скорости ветра и относительной влажности вызывает такой эффект теплоощущения, который соответствует воздействию неподвижного, полностью насыщенного влагой воздуха при определенной температуре, называемой эквивалентно-эффективной температурой. Для оценки биоклимата городов, расположенных в разных климатических районах, даются следующие рекомендации по использованию системы температурных шкал. В качестве зоны комфорта принимается интервал ЭЭТ:

· для южных городов – 17…21⁰С;

· для городов средней полосы, Сибири и Приморья – 13,5…18⁰С.

ЭЭТ ниже указанных пределов характеризуют состояние охлаждения, а выше – перегрева. При расчетах ЭЭТ, помимо средних многолетних показателей, следует использовать и ежедневные метеорологические данные. Человек адаптируется к средним климатическим условиям. Экстремальные условия (их повторяемость, интенсивность, продолжительность) могут вызвать негативную реакцию организма, и прежде всего у людей с ослабленным здоровьем.

Данные по ЭЭТ и РЭЭТ позволяют оценить биоклиматические ресурсы конкретного города: определить среднюю продолжительность комфортного и дискомфортного периодов в течение года; рассчитать повторяемости погодных условий, обеспечивающих состояние перегрева, комфорта и охлаждения, и рассмотреть распределение их степени дискомфортности в аномально жаркие и холодные годы (рис. 3.1).

С помощью ЭЭТ и РЭЭТ можно определить особенности формирования биоклимата в зависимости от особенностей застройки, неоднородности рельефа, наличия лесных массивов, близости водных объектов и в итоге выделить зоны с различной степенью комфортности для проживания и отдыха горожан. Методы ЭЭТ и РЭЭТ могут быть использованы в любых климатических районах и обеспечивают сравнимость результатов.

Метод расчета теплового баланса тела человека основан на уравнении, выражающем равенство теплопоступлений и теплопотерь:

R_k + M = R_q + P + LE + B,

где R_k – приход к поверхности тела коротковолновой радиации, М – теплопродукция организма, R_q – длинноволновое излучение, Р – конвекция, LE – затраты тепла на испарение пота, L – скрытая теплота испарения, Е – величина влагопотерь испарением пота, В – затраты тепла на нагревание выдыхаемого воздуха и насыщение его водяным паром при испарении с поверхности легких.

Рис. 3.1. Повторяемость комфортной и дискомфортной погоды

по эквивалентно-эффективным температурам (г. Чита):

1) ЭЭТ < 18,6 ⁰С (охлаждение); 2) ЭЭТ = 13,6 - 18 ⁰С (комфорт);

3) ЭЭТ > 18 ⁰С (перегрев)

Данный метод используется при оценке биоклимата городов с жарким климатом и непригоден для городов с умеренным и холодным климатом. В качестве показателя степени тепловой нагрузки на организм человека в условиях жаркого климата принята величина влагопотерь испарением пота. Используется также показатель напряженности терморегуляторной системы, представляющий собой отношение фактической тепловой нагрузки к максимально возможной при тех же метеорологических условиях. Комфортному состоянию взрослого человека (величина площади тела принята равной 1,5 м²) соответствуют значения влагопотерь испарением пота 50…150 г/ч и значения показателя напряженности терморегуляторной системы 5…12%. Одежда может уменьшать потоотделение на 33…45%.

Методы, основанные на классификации типов погод, состоят в том, что биоклиматическая характеристика территории дается по совокупности и последовательности повторяемости типов погод (методы комплексной климатологии). В свою очередь, типы погод определены в соответствующих классификациях погод.

Климатическая классификация погоды основана на объединении в типы и классы погод всего многообразия метеорологических условий теплого и холодного периодов года. Каждый тип (класс) погоды определяется строго ограниченными интервалами температуры и влажности воздуха, скорости ветра и облачности (последняя рассматривается как косвенный показатель радиационного режима). Выделяют перегревную, жаркую, теплую, комфортную, прохладную, холодную и суровую погоду. Метод оценки биоклимата, основанный на этой классификации, позволяет получить фоновую картину распределения погодных условий применительно к тепловому состоянию человека. Метод нагляден, удобен и часто применяется для биоклиматической характеристики городов. В то же время метод недостаточно надежен для оценки биоклимата в зависимости от микроклиматических особенностей небольших районов.

Физиологическая классификация погод основана на различных типах теплового состояния человека и обусловленной им терморегуляторной нагрузки. Выделяют четыре класса холодных погод разной степени переохлаждения (1Х, 2Х, 3Х, 4Х), четыре класса теплых погод разной степени перегрева (1Т, 2Т, 3Т, 4Т) и комфортную погоду (Н) (табл. 3.2). Метод оценки биоклимата, основанный на физиологической классификации, состоит в учете повторяемости дискомфортных типов погод (2Х, 3Х, 4Х, 2Т, 3Т, 4Т). Результаты оценки выражают графически, в виде климатограмм.

Климато-физиологическая классификация основана на физиологических типах погод и их метеорологических характеристиках (сочетание различных значений температуры воздуха, скорости ветра и общей облачности) (рис. 3.2, табл. 3.3). Классификация предназначена для условий с относительной влажностью 30…60%, оптимальной для человека. Эта классификация погод, применяется для оценки рекреационного потенциала территории пригородов, использования ее для летнего отдыха.

Все существующие методы оценки влияния климата и погоды на организм человека нельзя признать универсальными. Связано это, прежде всего, со сложностью исследуемых объектов – человека и атмосферы, а также с разными способностями организма людей адаптироваться к местным климатическим условиям и с индивидуальными особенностями человека (возраст, пол, состояние здоровья, уровень физической нагрузки).

Рассеивание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе влияет на экологическую обстановку в городе. Твердые частицы загрязняющих веществ размером более 0,1 мм оседают на подстилающую поверхность под действием гравитационных сил. Мелкие, твердые и жидкие частицы, а также газообразные вещества распространяются в атмосферном воздухе вследствие диффузии.

Таблица 3.2

Типы погод по физиологической (ФК) и климато-физиологической классификации (КФК)

Средняя температура кожи, 0С	Теплоощущение	Потоотделение, г/ч	Терморегуляторная нагрузка	Тип погоды по ФК	Тип погод по КФК
> 34,0	Очень жарко	> 750	Чрезмерная	4Т	Жаркий дискомфорт
> 34,0	Жарко	750-400	Большая	3Т	Жаркий дискомфорт
> 34,0	Очень тепло	400-250	Умеренная	2Т	Жаркий дискомфорт
34,0-33,0	Тепло	250-150	Слабая	1Т	Жаркий субкомфорт
32,9-31,0	Комфортно	150-100	Минимальная	Н	Комфорт
30,9-29,0	Прохладно	< 100	Слабая	1Х	Прохладный субкомфорт, частично холодный дискомфорт
28,9-27,0	Холодно	< 100	Умеренная	2Х	Холодный дискомфорт
26,9-23,0	Очень холодно	< 100	Большая	3Х	Холодный дискомфорт
< 21,0	Крайне холодно	< 100	Чрезмерная	4Х	Холодный дискомфорт

Рис. 3.2. Оценочная шкала определения степени благоприятности погоды для человека:

1 - холодная дискомфортная; 2 - прохладная субкомфортная; 3 - комфортная; 4 - жаркая субкомфортная; 5 - жаркая дискомфортная; а) скорость ветра 0…0,2 м/с; б) 2,1… 4,0 м/с; в) 4,1… 6,0 м/с; T — температура воздуха, п - облачность, Q - суммарная радиация

Степень рассеивания загрязняющих веществ зависит от метеорологических условий и в первую очередь определяется ветровым режимом и температурной стратификацией нижнего слоя атмосферы. Метеорологические условия могут способствовать:

· аккумуляции загрязняющих веществ при инверсиях, штилях и туманах;

· разложению загрязняющих веществ при благоприятных радиационных условиях, температурном режиме и наличии гроз;

· выносу загрязняющих веществ при сильном ветре и обильных осадках.

То есть рассеивающая способность атмосферы (РСА) определяется характеристиками метеорологических условий. При оценке загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспортных средств и промышленных предприятий используют понятие «потенциал загрязнения атмосферы» (ПЗА). ПЗА называется сочетание метеорологических условий, определяющих возможный уровень загрязнения атмосферы при заданных выбросах загрязняющих веществ (см. табл. 3.3). Характеристика потенциала загрязнения атмосферы противоположна рассеивающей способности атмосферы: чем выше РСА, тем ниже ПЗА.

Опасные атмосферные явления. К явлениям, опасным для города, относятся инверсии температуры и смог.

Инверсии температуры создают задерживающие слои воздуха. Приземные инверсии обуславливают отсутствие аэрации жилых кварталов и тем самым способствуют скоплению загрязняющих веществ в приземном слое. Низкие приподнятые инверсии, как «крыша», закрывают город и препятствуют рассеянию вредных примесей. Инверсии в городах обуславливают увеличение концентрации загрязняющих веществ в воздухе и способствуют образованию неблагоприятной экологической обстановки.

При проявлениях инверсии температуры участки застройки на холмистом рельефе располагают выше верхней границы инверсионного слоя, на средних и верхних частях склона или плато. При этом непригодными для жилой застройки являются территории, расположенные в котловине или долине.

Смог (от англ. smoke - дым и fog - туман) - токсический туман. Он возникает при неблагоприятных метеорологических условиях и высоких концентрациях вредных веществ в приземном слое воздуха. Явления смога наблюдались в разные годы в Лондоне, Лос-Анджелесе, Нью-Йорке, Токио. Выделяют три типа смога - восстановительный (смог лондонского типа), окислительный, или фотохимический, и смог ледяного типа.

Восстановительный смог характерен для крупных промышленных центров. Он представляет собой воздушную смесь частиц сажи и оксидов серы и азота. Оксиды при взаимодействии с водой атмосферы образуют аэрозоли серной и азотной кислот. За счет раздражающего действия кислот на бронхи и дыхательные пути смог оказывает отрицательное влияние на здоровье людей. В 1952 и 1962 гг. такой смог стал причиной смерти нескольких тысяч человек в Лондоне.

Фотохимический смог наблюдается в городах с высокой интенсивностью радиации солнца. Он образуется при взаимодействии солнечного света с оксидами азота и углеводородами, содержащимися в выхлопных газах автотранспорта и промышленных выбросах. Фотохимический смог – это комплексная воздушная смесь, состоящая из оксидантов, в основном озона, смешанного с другими окислителями, включая слезоточивый газ – пероксиацетилнитрат (ПАН).

Первоначальная реакция образования смога:

NO₂ + hu ® NO + O.

Атомарный кислород взаимодействует с кислородом О₂ и неактивным веществом М (например, азотом):

О + О₂ + М ® О₃ + М, NO + O₃ ® NO₂ + O₂.

Таблица 3.3