Модель «острова тепла» урбанизированных территорий и его трансформация

Введение. Рассматривается вопрос формирования «острова тепла», отличающегося активной термо- и аэродинамической характеристикой в воздушной зоне городского приземного слоя атмосферы «острова тепла». Изучение теплового режима города, опирающееся на местные климатические и экологические данные, является наиболее актуальной задачей в вопросе формирования и трансформации городского «острова тепла». Условия комфортного пребывания человека в городах, расположенных в южных широтах, неразрывно связаны с радиационным воздействием под влиянием солнечной радиации, которое усугубляется влиянием «острова тепла». Составление модели трансформационных изменений воздушного купола «острова тепла», а также зависимость трансформации над различными видами морфотипов деятельной поверхности городской инфраструктуры — основная задача исследования.

Методы и материалы. На основе обобщения ряда результатов метеорологических, климатических, микроклиматических и теплофизических исследований разработан программный комплекс для изучения процесса формирования и трансформации «острова тепла». Использованы данные в виде спутниковых снимков с космического аппарата Landsat-8 с сенсором TIRS.

Результаты. Анализ результатов теоретических исследований и расчетов формирования и трансформации тепловой оболочки городской территории при помощи компьютерного моделирования показал зависимость качественных и количественных термодинамических и аэродинамических характеристик «острова тепла» и коэффициента турбулентности. Установлено, что коэффициент турбулентности напрямую влияет на трансформацию купола «острова тепла» в направлении перемещения основного потока ветра. При этом чем больше коэффициент, тем динамичнее трансформация купола по длине X и по высоте Z.

Выводы. Разработанная методика качественной и количественной оценки тепло-ветрового режима модели городского «острова тепла» и его трансформации позволяет предварительно прогнозировать и производить оценку температурного поля тепловой воздушной оболочки городской среды. Составлена модель трансформационных изменений воздушного купола «острова тепла» с разнообразными морфотипами деятельной поверхности городской инфраструктуры.

1. Oke T.R. City size and the urban heat island // Atmospheric Environment (1967). 1973. Vol. 7. Issue 8. Pp. 769–779. DOI: 10.1016/0004-6981(73)90140-6

2. Bosma C., Hein L. The climate and land use change nexus: implications for designing adaptation and conservation investment strategies in Sub-Saharan Africa // Sustainable Development. 2023. Vol. 31. Issue 5. Pp. 3811–3830. DOI: 10.1002/sd.2627

3. Baykara M. An assessment of long-term urban heat island impact on Istanbul’s climate // International Journal of Environment and Geoinformatics. 2023. Vol. 10. Issue 2. Pp. 40–47. DOI: 10.30897/ijegeo.1230381

4. Huang K., Leng J., Xu Y., Li X., Cai M., Wang R. et al. Facilitating urban climate forecasts in rapidly urbanizing regions with land-use change modeling // Urban Climate. 2021. Vol. 36. P. 100806. DOI: 10.1016/j.uclim.2021.100806

5. Rao P., Tassinari P., Torreggiani D. Exploring the land-use urban heat island nexus under climate change conditions using machine learning approach: a spatio-temporal analysis of remotely sensed data // Heliyon. 2023. Vol. 9. Issue 8. P. e18423. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e18423

6. Miner M.J., Taylor R.A., Jones C., Phelan P.E. Efficiency, economics, and the urban heat island // Environment and Urbanization. 2017. Vol. 29. Issue 1. Pp. 183–194. DOI: 10.1177/0956247816655676

7. Degerli B.C., Cetin M. Evaluation of UTFVI index effect on climate change in terms of urbanization // Environmental Science and Pollution Research. 2023. Vol. 30. Issue 30. Pp. 75273–75280. DOI: 10.1007/s11356-023-27613-x

8. Giannaros C., Agathangelidis I., Papavasileiou G., Galanaki E., Kotroni V., Lagouvardos K. et al. The extreme heat wave of July–August 2021 in the Athens urban area (Greece): Atmospheric and human-biometeorological analysis exploiting ultra-high resolution numerical modeling and the local climate zone framework // Science of The Total Environment. 2023. Vol. 857. P. 159300. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.159300

9. Данилина Н.В., Власов Д.Н. «Здоровый» город как базовая концепция территориального развития // Экология урбанизированных территорий. 2020. № 2. С. 112–119. DOI: 10.24411/1816-1863-2020-12112. EDN KDYVWS.

10. Алексеева Л.И., Горлач И.А., Кислов А.В. Вертикальная структура и сезонные особенности «острова тепла» и распределения влажности над Москвой по спутниковым данным // Метеорология и гидрология. 2019. № 8. С. 107–118. EDN EEYWIE.

11. Гиясов А., Сокольская О.Н. Формирование городской застройки с учетом экологических факторов атмосферной среды в жарких маловетреных и штилевых климатических условиях : монография. Краснодар : ПринтТерра, 2016. 140 с. EDN WLTSOP.

12. Ле М.Т., Бакаева Н.В. Формирование средо-защитных объектов городской среды для условий жаркого и влажного климата // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 9. С. 52–59. DOI: 10.33622/0869-7019.2021.09.52-59. EDN GROODL.

13. Матвеев Л.Т., Матвеев Ю.Л. Формирование и особенности «острова тепла» в большом городе // Доклады Академии наук. 2000. Т. 370. № 2. С. 249–252. EDN YNRFIR.

14. Мохов И.И. Связь интенсивности «острова тепла» города с его размерами и количеством населения // Доклады Академии наук. 2009. Т. 427. № 4. С. 530–533. EDN KPTVAT.

15. Бакаева Н.В., Черняева И.В. Алгоритм оценки градостроительной деятельности на основе принципов биосферной совместимости // Градостроительство и архитектура. 2019. Т. 9. № 2 (35). С. 5–14. DOI: 10.17673/Vestnik.2019.02.1. EDN TAIUHV.

16. Кузнецова И.Н., Брусова Н.Е., Нахаев М.И. Городской «остров тепла» в Москве: определение, границы, изменчивость // Метеорология и гидрология. 2017. № 5. С. 49–61. EDN YNWCKX.

17. Демин В.И. О роли антропогенных и естественных факторов в оценке городского «острова тепла» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 5. С. 25–33. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-5-25-33. EDN QKMWZD.

18. Оленьков В.Д., Бирюков А.Д., Сухоруков В.А. Использование данных дистанционного зондирования земли для построения карты городского «острова тепла» // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования Российской академии архитектуры и строительных наук по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2019 году : сб. науч. тр. РААСН. 2020. С. 286–294. EDN JYFGGF.

19. Балдина Е.А., Константинов П., Грищенко М., Варенцов М. Исследование городских «островов тепла» с помощью данных дистанционного зондирования в инфракрасном тепловом диапазоне // Земля из космоса: наиболее эффективные решения. 2015. № S. С. 38–42. EDN UIQLYF.

20. Faurie C., Varghese B.M., Liu J., Bi P. Association between high temperature and heatwaves with heat-related illnesses : a systematic review and meta-analysis // Science of The Total Environment. 2022. Vol. 852. P. 158332. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.158332

21. Cecilia A., Casasanta G., Petenko I., Conidi A., Argentini S. Measuring the urban heat island of Rome through a dense weather station network and remote sensing imperviousness data // Urban Climate. 2023. Vol. 47. P. 101355. DOI: 10.1016/j.uclim.2022.101355

22. Erdem Okumus D., Terzi F. Evaluating the role of urban fabric on surface urban heat island: the case of Istanbul // Sustainable Cities and Society. 2021. Vol. 73. P. 103128. DOI: 10.1016/j.scs.2021.103128

23. Meili N., Paschalis A., Manoli G., Fatichi S. Diurnal and seasonal patterns of global urban dry islands // Environmental Research Letters. 2022. Vol. 17. Issue 5. P. 054044. DOI: 10.1088/1748-9326/ac68f8

24. Исаков С.В., Шкляев В.А. Определение суммарного влияния антропогенноизменных поверхностей на возникновение эффекта «городского острова тепла» с использованием геоинформационных систем // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 1 (162). С. 178–182. EDN RWUDXJ.

25. Chander G., Markham B.L., Helder D.L. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors // Remote Sensing of Environment. 2009. Vol. 113. Issue 5. Pp. 893–903. DOI: 10.1016/j.rse.2009.01.007

26. Khorrami B., Heidarlou H.B., Feizizadeh B. Evaluation of the environmental impacts of urbanization from the viewpoint of increased skin temperatures: a case study from Istanbul, Turkey // Applied Geomatics. 2021. Vol. 13. Issue 3. Pp. 311–324. DOI: 10.1007/s12518-020-00350-3