Почему в городе теплее

Вы не замечали, что стоит зимой уехать из города, как вам становится заметно холоднее? Это не иллюзия: в заставленных бетонными зданиями и покрытых асфальтом городах — свой микроклимат, со своей температурой, ветровым режимом и особенностями рассеивания загрязняющих веществ. Об этом географ Павел Константинов рассказывает в первом выпуске подкаста Terra Cognita, подготовленном при поддержке Русского географического общества.

Что такое городской остров тепла?

Город — это искусственно построенная трехмерная среда. Нагреваясь за день и переизлучая тепло после захода солнца, она поддерживает более высокую температуру, чем в пригороде, где все объекты имеют другую конфигурацию и теплоемкость и быстро охлаждаются. В средней полосе России это легко почувствовать на себе летним вечером: в центре Москвы человеку допоздна комфортно в футболке, а на даче хочется накинуть теплую одежду уже во время ужина. Разница температур в Москве и области может достигать 10 градусов по Цельсию.

Изучение этого явления началось около 200 лет назад, когда в 1833 году британский ученый Люк Ховард описал остров тепла в Лондоне. Сейчас любой город с населением более 10 тысяч человек и значительной площадью заасфальтированной территории создает такие тепловые аномалии. Похожие явления можно наблюдать даже над взлетными полями крупных аэропортов.

Острова тепла в городах высоких широт — своеобразное окно в будущее. Мы в реальном времени можем наблюдать, как с ростом температуры меняются экосистемы, и прогнозировать изменения видового разнообразия целых природных зон с продолжением глобального потепления.

Как это связано с загрязнением воздуха?

Обычно температура воздуха падает с высотой. Но в городе крыши в течение дня находятся на солнце и нагреваются сильнее, чем поверхности улиц, которые значительную часть времени затенены. Из-за инверсии температуры конвекции воздуха не происходит, и загрязнение оказывается "запертым" у поверхности. Явление запирающего слоя крыш стало известно около 50 лет назад с появлением качественных тепловых карт, построенных по данным спутниковых наблюдений.

Сейчас экологи активно изучают городские "острова загрязнения". В городе много источников загрязнения воздуха, а кроме того, скорости протекания химических реакций в высоких температурах часто тоже повышаются.

Остров ветра

Повышенная температура в городе приводит к формированию острова влажности. С одной стороны, в городе нет естественных поверхностей, поэтому обычно более сухо. С другой, за счет высокой температуры в городе раньше начинаются процессы таяния, растет относительная влажность. В России этот вопрос пока практически не изучался — не хватает измерительных технологий.

Кроме того, в городе специфически перераспределяется поле осадков. Высокие здания работают как непроницаемые горные хребты, осадки выпадают на их наветренной стороне, а уже через улицу может быть совсем сухо. В Москве один и тот же холодный фронт в одних районах иногда выливает в 5-6 раз больше дождя, чем в других. Картина осложняется большим количеством мелких турбулентных циркуляций воздуха между постройками. Все это очень трудно прогнозировать.

Два года назад в Нидерландах открыли городской остров ветра, который связан с турбулентными потоками, отрывающимися от краев зданий.

Городской прогноз

Сейчас качественные прогнозы погоды основаны преимущественно на компьютерных симуляциях. Привычное «равнение на метеостанции» часто играет злую шутку в случае городов. Во многих регионах сеть метеостанций очень редкая, а нередко она вообще вынесена за пределы населенного пункта. Например, в Арктике зимой разница температур между городом и ближайшей метеостанцией может легко достигать 10-15 градусов.

В крупных городах есть свои станции, но их пока недостаточно. Даже в столице современная сеть городских наблюдений, которые необходимы для качественного прогноза, пока существует только в проекте метеорологической безопасности Москвы и на данный момент не реализована.

Сейчас прогнозы погоды внутри городов в России негосударственные, это усилия отдельных производителей. Они улавливают тренд на запрос населения, но ответить на него могут не всегда. Только за последние пять лет многие обещали сделать прогноз до каждого дома, но пока никто не реализовал.

Опасности городской погоды

Одним из доказанных следствий глобального потепления является рост частоты опасных явлений. Городская инфраструктура часто на это не рассчитана. В Москве на первое место выходит ветровая безопасность — люди в столице регулярно гибнут под падающими деревьями и рекламными щитами. Если бы в Москве были широкие проспекты как в Минске, возможно, чрезвычайных ситуаций, связанных с погодой, было бы меньше.

Нередко возникающие опасности связаны с конфликтом интересов. Зеленые насаждения — это легкие города, и люди протестуют, когда городские службы убирают деревья, хотя эти деревья могут стать опасными при ветровых шквалах. Рекламные щиты экономически эффективны, но не всегда безопасны, у них высокая парусность. Например, во время урагана в Москве 1998 года все рекламные растяжки через Ленинский проспект были сорваны и повалили столбы, к которым крепились.

Чтобы снизить число ЧС, городу нужна система, которая регулировала бы застройку и инфраструктуру с точки зрения опасных погодных явлений. Сейчас на государственном или муниципальном уровне ее не существует. Высокая температура и смог в Москве в августе 2010 года унесли жизни 11 тысяч человек и стоили 1,5% годового ВВП. Работающих решений об опасности волн жары после этого не появилось. Максимум, чего можно ожидать на данный момент, — штормовое предупреждение для всего города.

Чтобы городская погода была достаточно безопасной для населения, нужен комплексный подход. Важна не только метеорологическая оценка ситуации, но и экономическая, экологическая, также необходимо подключать службы здравоохранения.

В 2020 году в лаборатории Smart urban nature РУДН был реализован проект по предсказанию опасности жары в 30 крупнейших городах России.

В проекте используется физиологическая модель организма человека, а на вход подаются открытые данные прогноза погоды американской метеослужбы. Для городов эти данные обновляются каждые сутки и показывают, как меняется температура в течение дня. К ним добавляется городская довеска на остров тепла в каждом конкретном городе.

На выходе получается прогноз самоощущения человека. Его можно использовать для планирования дня — например, в какое время небезопасно выйти на пробежку. За осенний период апробации проекта нам удалось поймать волну жары в Краснодаре, когда ощущаемая температура воздуха превысила 50°С.

Эволюционно это шаг к индивидуальному прогнозу. В будущем такие модели будут интегрированы в смартфоны. Можно будет корректировать личные планы, чтобы снизить малейшие негативные эффекты погоды на здоровье с учетом личных особенностей — возраста, веса, истории болезней.

В планах — реализовать новый формат прогноза погоды для города, пока на примере кампуса МГУ с детальностью вплоть до здания. С таким прогнозом можно спроектировать даже маршрут передвижения — как сохранить по пути прическу, под каким деревом лучше подышать воздухом и так далее.