Землепользование и изменение климата в США

      Составляющие радиационного  и теплового балансов 

    На  территорию, занятую городом, падает меньше солнечного света, чем на окружающую ее местность. В промышленных городах  потери в продолжительности солнечного сияния могут достигать 20%. Если же говорить не о продолжительности солнечного сияния, а о количестве солнечной энергии, достигающей земной поверхности, то при прохождении слоя загрязненного городского воздуха ее потери также составляют приблизительно 20%. При прохождении загрязненной городской атмосферы наибольшие потери солнечной энергии отмечаются при максимальной относительной толщине загрязненного слоя воздуха, через который проходят солнечные лучи, то есть при малых высотах солнца над горизонтом. Наоборот, потери энергии минимальны, если солнце стоит высоко.

    В холодный сезон приход солнечной энергии в крупном промышленном городе намного меньше, чем в небольшом провинциальном городке. Различия практически исчезают летом, но в декабре достигают 25 % от радиации, теоретически ожидаемой в чистой атмосфере. Данные, полученные для Бостона, говорят о том, что средние годовые потери солнечной радиации составляют 18 %.

    Потери  солнечной радиации по спектру распределяются неравномерно. Наибольшие потери отмечаются для коротковолнового УФ-излучения. Зимой в некоторых больших  городах излучение с длиной волн менее 0,4 мкм поглощается полностью. Чувствительность УФ-излучения к загрязнению особенно отчетливо проявляется при прохождении над пригородной зоной, загрязненной шлейфами выбросов промышленных предприятий города. Например, когда такой шлейф тянется из Лос-Анжелеса к западу в городке Риверсайд, расположенному неподалеку, УФ-излучение в середине дня уменьшается на 25% (Ландсберг,1983).

    Американские  ученые Дабердт и Дэвис исследовали  загрязнение воздуха в Сент-Луисе  и его окрестностях. В приведенных ими данных определяются значения альбедо для различных местностей. Они получены в ходе летнего самолетного эксперимента при полете на высоте 160 м. 

    Таблица 2

    Альбедо различных поверхностей в Сент-Луисе  и окрестностях.

    По  Дабердту и Дэвису (Ландсберг,1983) 
 

    Из  таблицы видно, что значения альбедо  местностей, занятых под сельскохозяйственные угодья, примерно на 4 % больше, чем соответствующее  значение для давно застроенных территорий. Хотя на первый взгляд, это различие не велико, оно играет большую роль, особенно если речь идет о больших значениях энергии, приносимой на поверхность коротковолновым солнечным излучением. Данные для летнего периода, приведенные в таблице 2, подтвердились в ходе выполнения проекта METROMEX, который охватывал и регион Сент-Луиса. Уайт и несколько других ученых (Ландсберг,1983) опубликовали следующие результаты наблюдений: для пашни альбедо равняется 16,5%, а для плотно застроенной жилой части города соответствующее значение составляет 11,5%. В измерениях, проведенных для различных строительных материалов, покрытий дорог и автостоянок, получились также небольшие значения (5%). С другой стороны, парки с полностью развитым листовым покровом отражают до 20 – 25% приходящей коротковолновой радиации, а поглощенная ими радиация возвращается в атмосферу в виде скрытого тепла за счет интенсивного фотосинтеза у зеленых растений.

    Отраженная  коротковолновая радиация в городах  мала и велика в сельской местности, что связано с большим альбедо активно растущей растительности. Уходящая длинноволновая радиация в городе больше, чем  в сельской местности, однако более всего урбанизация сказывается на такой составляющей радиационного баланса, как кондуктивный поток тепла в почву. Он невелик в покрытой растительностью сельской местности, где составляет около 19% приходящего суммарного потока коротковолновой радиации, но вырастает до 50% этого потока в городе. Это отражается в более высоких значениях температуры поверхности в городе.

    В 1962 году Лоренц (Ландсберг,1983) отметил, что днем при солнечном свете  температура поверхности, занятой  лесом, сельскохозяйственными угодьями и водоемами сравнительно невелика; даже на малозастроенной территории она выше. Замощенные территории, например, дороги, всегда теплее, чем окружающие их поверхности. В середине дня асфальтированная улица теплее приповерхностного слоя воздуха на 17,9⁰С, крыша ангара на 17,4⁰, площадка для стоянки автомобилей на 14,1⁰.  Кесслер (Ландсберг,1983) проводя измерения получил следующие результаты: асфальтированная улица теплее окружающего ее воздуха максимум на 23,5⁰С и минимум на 2,6⁰, соответствующие значения для травянистого покрова – максимум на 9,4⁰, минимум на 2,9⁰.

    Следует отметить, что в ясную погоду температура поверхности практически всегда – как днем, так и ночью, отличается от температуры воздуха, измеренной на стандартной высоте в 2 метра. В условиях облачной, ветреной погоды оба значения температуры могу совпадать. В летний безоблачный день различия проявляются лишь ранним утром, когда подстилающая поверхность еще не успела прогреться. В таблице 2 представлены результаты серии измерений, приведенных в метеорологическом обзоре, посвященном строительству города Колумбия (Мэриленд). Эти данные получены в ходе измерений с вертолета на высоте 50-100 м над поверхностью.  
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таблица 3

    Результаты  измерений температуры воздуха  над различными поверхностями в  районе города Колумбия (Мэриленд). Солнечное  утро. (Ландсберг,1983) 

    В некоторых городах были отмечены отдельные точки с дополнительным превышением температуры на 2-3⁰С, что, по-видимому, можно приписать наличию тепловых электростанций и промышленных предприятий. Что касается излучаемой мощности, Макголдрик (Ландсберг,1983), указал, что средний суточный выброс  только искусственно произведенного тепла в пригородной области составляет от 0 до 5 Вт/кв.м. В то время как в центре города имеются площадки в несколько квадратных километров, где соответствующее значение в среднем равняется 100 Вт/м². Максимум же приходится на территорию в центре города с площадью примерно 1км², где средний суточный выброс тепла достигает 234 Вт².

    Интересная, осложненная картина в распределении  температуры наблюдается на улицах типа каньонов во внутренней части  города. На узких улицах существует радиационное взаимодействие между фасадами противостоящих зданий, а так же между зданиями и поверхностью улицы. Расположенные друг напротив друга здания служат помехой проникновению солнечной радиации на дно уличного каньона и уменьшают его освещенность. 

    Рис.5. Ход температуры внутри и неподалеку от комплекса зданий в послеполуденные и вечерние часы. (Ландсберг,1983) 

    В целом температурные контрасты  наиболее четко проявляются в  ясную спокойную погоду и  практически  исчезают в условиях облачности и  сильного ветра. Следовательно, температурное своеобразие климата города наиболее отчетливо при устойчивых антициклональных типах погоды. Именно при таких синоптических условиях различия в температуре между городской и сельской местностью оказываются значительными. Поле температуры в городе ограничивается замкнутыми изолиниями, которые создают на карте структуру, получившую в литературе название городского острова тепла. (Впервые данный термин в англоязычной литературе появился в работе Гордона Мэнли , помещенной в Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, но вполне возможно, что где-нибудь он употреблялся ранее) (Ландсберг,1983) 
 

      Городской остров  тепла 

    Остров  тепла является отражением суммы  микроклиматических изменений, связанных  с антропогенным преобразованием городской поверхности. Даже изолированный комплекс зданий создает микроклимат, отличный от того, который был бы на этой местности в ее естественном состоянии. Заасфальтированные поверхности и стены зданий в светлое время суток некоторое количество тепла, а ночью отдают его окружающему воздуху. Естественные процессы еще больше искажаются в условиях города из-за малого испарения. Солнечная энергия, расходующаяся в сельской местности утром на испарение росы, транспирацию и др., в городе непосредственно поглощается зданиями. Транспирация в городе также резко уменьшена, так как растительный покров незначителен. Положительные температурные аномалии в городах также связаны с изменениями в естественных гидрологических циклах рек и водохранилищ, осушением заболоченных территорий, расположенных в черте городов и других населенных пунктов. Свою лепту вносит и постилающая поверхность, а именно, сильный прогрев асфальта и обнаженного грунта, что связано с их малым альбедо, по сравнению с растительным покровом. Осадки, выпадающие на крыши, тротуары, дороги зачастую уходят в искусственные дренажные системы. Это снижает норму природного испарения и увеличивает восходящий поток явного тепла в структуре радиационного баланса земли под техногенной инфраструктурой.

          Линейные размеры, а также интенсивность городских островов тепла весьма сильно зависят от особенностей рельефа. В условиях сложного рельефа на развитие острова тепла влияют различные локальные циркуляции. Помимо этого, заметное влияние оказывают крупные реки, протекающие по территории городов. Например, река Потомак  в Вашингтоне является причиной расщепления острова тепла на две части, эпицентр одной из которых в деловом секторе округа Колумбия, а эпицентр другой части – по другую сторону реки (территория штата Виргиния) в городах Арлингтон и Алегзандрия. Дополнительное влияние на структуру острова тепла оказывают широкие зеленые пояса, окаймляющие берега этой реки (Ландсберг, 1983). На аналогичное явление указывал Эмондс (Ландсберг, 1983), изучавший температурные условия в городах Бонн и Бейель, находящихся на противоположных берегах Рейна. 
 

      Скорость ветра 

    Из  множества наблюдений на городских  метостанциях можно сделать вывод  о том, что скорость ветра в  городах ниже чем в сельской местности. Это можно объяснить наличием множества препятствий (высокие здания, эстакады, мосты) на пути воздушного потока.  
 
 

    Рис.6. Фронт морского бриза над территорией  Нью-Йорка. Наблюдается замедление фронта над застроенной территорией. (Ландсберг,1983) 

    Соответственно  теории, которую выдвинул Энджелл и др.(Ландсберг,1983) город можно рассматривать как единое пассивное препятствие на пути воздушного потока, замедляющее его скорость. Согласно выводам Луза и Борнштейна (Lim, Cai, Zhou, 2005), все фронты, скорость которых над сельской местностью лежит в интервале от 4 до 14 м/с, независимо от направления движения замедляются над городом примерно в два раза.

    Рис.7. Вертикальный профиль скорости ветра  в процентах к скорости геострофического ветра по Давенпорту (Ландсберг, 1983) 

    Поле влажности в городе 

    Поле  влажности в городе изменяется под  действием нескольких факторов. Одним  из них является радикальное изменение  свойств подстилающей поверхности. Подстилающая поверхность в городах  как правило водонепроницаемая  – крыши, мостовые способствуют скорейшему удалению осадков и сбросу их в канализацию. В центральной части городов мало растительности ( в некоторых городах в центре растительность отсутствует и вовсе ), поэтому транспирация в городах значительно ниже, чем в сельской местности. С другой стороны, в городах сжигается много углеводородов, а вода является одним из конечных продуктов данного процесса. Кроме того, во многих промышленных процессах высвобождается водяной пар и испаряется большое количество воды. Например, теплоэлектростанции выбрасывают из труб на большие высоты пар и влагу, а на уровне поверхности земли большое количество водяного пара образуется из выхлопов автомобилей в результате сжигания углеводородов. Большинство данных говорит о том, что относительная влажность, измеренная на стандартной высоте 2 м, в городе меньше, чем в сельской местности. Это особенно ясно видно при сравнении одновременных наблюдений в аэропортах, находящихся вне городов и в их пределах. Два характерных примера таких наблюдений для районов Нью-Йорка и Чикаго показаны в таблице 5 (аэропорты в обоих городах расположены на уровне моря). Из данных таблицы следует, что низкая относительная влажность наблюдается во внутригородских аэропортах чаще, чем в расположенных вне города. Наоборот, высокая относительная влажность в аэропортах, расположенных внутри городов, отмечается реже.