Российские ученые с немецкими коллегами объяснили закономерности увеличения температуры в мегаполисах. Ранее считалось, что пространственная неоднородность температуры в городе связана главным образом с чередованием локальных климатических зон — участков с однородным типом поверхности и застройки протяженностью порядка первых сотен метров. Но оказалось, что «большое видится на расстоянии», и каждая из таких зон вносит свой вклад в формирование острова тепла на масштабе всего города. Это можно сравнить с эффектом синергии, когда результат взаимодействия нескольких факторов оказывается мощнее, чем сумма эффектов, вызванных этими же факторами по отдельности. Открытие поможет более точно прогнозировать изменения климата мегаполисов и осуществлять правильное городское планирование. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Frontiers in Environmental Science.

В мегаполисах наблюдается увеличение температуры воздуха на несколько градусов по сравнению с загородными территориями — такое явление называют островом тепла. При этом городская среда крайне неоднородна: она включает многоэтажные жилые застройки, промышленные зоны, парки и множество других объектов. Поэтому при исследовании островов тепла ученые часто сравнивают между собой разницу температур небольших однородных участков протяженностью менее одного километра, называемых локальными климатическими зонами. Такой подход позволяет объяснить основные особенности городского климата, например, в зоне многоэтажной застройки теплее, чем в «частном секторе» и парках. Однако он не дает представлений о городском острове тепла как о целостном явлении, которое создается всей территорией города и оказывает влияние на региональные циркуляции атмосферы, облачность и осадки.

Ученые из Российского университета дружбы народов (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Московского центра фундаментальной и прикладной математики (Москва) с коллегами из Рурского университета в Бохуме (Германия), Фрайбургского университета (Германия) и Берлинского технического университета (Германия) установили, что в формирование городского острова тепла значительный вклад вносит не только чередование локальных климатических зон, как считалось ранее, но и неоднородность городской среды на масштабах нескольких километров.

Исследование проводилось на примере крупнейшего российского мегаполиса — города Москвы. Здесь проживает более 17 миллионов человек и наблюдается ярко выраженный эффект городского острова тепла: среднегодовая температура на 2°С превышает значения, характерные для Московской области, а в отдельные дни контраст достигает 10°С. Для сбора данных ученые использовали данные государственных сетей мониторинга, а также «народные метеостанции» сети Netatmo. Это позволило проанализировать температуру более полутора тысяч точек в Москве и окрестностях. Далее распределение температуры сопоставили с типами локальных климатических зон, включающих такие классы, как многоэтажные и одноэтажные дома, промышленные объекты, лесопарковые зоны и другие.

Наиболее ярко эффект острова тепла выражен в районах плотной среднеэтажной застройки и многоэтажных жилых комплексов. При этом климат территорий, схожих по типу, различался в зависимости от их окружения и расположения в пределах города. Например, в зоне многоэтажной застройки в центре города теплее, чем в аналогичной, но окруженной зелеными массивами. Чтобы определить вклад неоднородности городской среды на различных масштабах в формирование острова тепла, ученые использовали детализированные картографические данные таких параметров, как плотность застройки и запечатанность территории, другими словами, степень ее заасфальтированности. Оказалось, что климат отдельно взятой точки определяется свойствами городской среды в ее окрестностях не только на локальном масштабе (в радиусе первых сотен метров), но и на мезомасштабе (в радиусе до 10 км). Это связано с тем, что тепловые эффекты небольших однородных участков аккумулируются и переносятся воздушными потоками над городом. В результате формируется мезомасштабный остров тепла, который выражен наиболее ярко в центральных районах Москвы, но за счет атмосферного переноса может распространяться к окраинам мегаполиса и даже в пригороды.

«Наше исследование показало, что наравне с особенностями застройки отдельных кварталов и микрорайонов необходимо учитывать неоднородность территории на масштабах всего города или его крупных округов. Это позволяет лучше понимать и предсказывать пространственную картину острова тепла в задачах прогноза погоды, оценки термического комфорта и градостроительного планирования. В дальнейшем мы планируем исследовать, как влияют на остров тепла скорость и направление атмосферного переноса», — рассказал Михаил Варенцов, кандидат географических наук, научный сотрудник Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ и научного центра Smart Urban Nature Аграрно-технологического института РУДН.