Изменение летних условий микроклимата Московского мегаполиса в условиях глобального потепления

В настоящее время одной из актуальных проблем, стоящих перед метеорологией и климатологией является решение задачи прогноза изменений климата. Важную роль при этом играет пространственная детализация результатов, т. е. рассмотрение ситуаций в конкретной физико-географической обстановке. Особенно ярко проблемы, возникающие при решении подобных задач, проявляются при изучении климата города, горного массива или морского побережья — там, где неоднородность подстилающей поверхности особенно высока.

Современные модели общей циркуляции атмосферы и региональные модели, использующиеся в климатическом моделировании, позволяют воспроизводить метеорологические поля с пространственным разрешением около 50−100 и 3−20 км, соответственно. Ясно, что этого не достаточно для описания особенностей городского микроклимата, причем дело не только в требовании высоких компьютерных мощностей, необходимых для увеличения пространственного разрешения моделей, -сама гидродинамическая теория обтекания препятствий развита недостаточно полно. Использование же каких-либо «оптимизаций» параметров снижает ценность применения моделей высокого разрешения, создавая априорность результатов моделирования. Кроме того, результаты моделирования, даже если они могли бы быть получены, просто невозможно проверить, поскольку адекватная наблюдательная сеть, осуществляющая измерения трехмерных полей температуры, влажности воздуха, скорости ветра и др., в городских условиях отсутствует. Иначе говоря, даже с помощью современных региональных моделей (COSMO, ММ5, WRF, ETA) пока еще невозможно непосредственно решать проблемы городской климатологии, в частности, ответить на вопрос, как глобальное потепление климата скажется на изменении температурного режима различных микрорайонов мегаполиса. А при долгосрочном планировании развития города, эта информация играет важную роль.

В связи с этим и была сформулирована основная цель работы — оценка изменений микроклимата Московского мегаполиса в условиях глобального потепления в середине и в конце XXI века. Специально для этого была разработана физико-математическая модель, способная воспроизводить процессы теплообмена в близких к реальным условиях городского ландшафта на климатическом временном масштабе осреднения.

В соответствии с этой целью были поставлены задачи диссертации:

1) разработать и реализовать в программном коде физико-математическую модель, предназначенную для детализированного (микроклиматического) воспроизведения температуры и влажности воздуха в пределах Московского мегаполиса.

2) провести районирование территории. Москвы и ближайшего ¦ Подмосковья по различным категориям устройства территории с горизонтальным размером ячейки 500 на.500 метров.

3) провести тестирование микроклиматической модели на современных климатических данных.

4) дать климатический прогноз изменений температуры и влажности в пределах Москвы для середины XXI века в зависимости от плана застройки мегаполиса и сценария глобального потепления.

Научная новизна предлагаемой работы заключается в следующем: Впервые для данной территории была разработана физико-математическая модель микроклимата мегаполиса (МозСНт), позволяющая оценивать термические условия и режим увлажнения городских ландшафтов, а также процессы теплои влагообмена на среднесуточном масштабе осредненияосуществлена проверка качества воспроизведения современного климата на данных метеостанций Московского региона.

На основе численных экспериментов исследована чувствительность микроклиматического режима Московского мегаполиса к глобальным изменениям климата и к сценарию изменений городских ландшафтова кроме того — показана возможность использования разработанной модели для решения прикладной задачи оценки возможной реакции термического режима различных районов мегаполиса на характер реорганизации городской территории.

Практическая ценность данной работы состоит в том, что разрабатываемая модель MosClim может быть использована для решения различных прикладных задач климатологического и экологического мониторинга мегаполисов.

Кроме того, Mosclim в сочетании с мезомасштабными прогностическими моделями способна улучшить качество прогноза погоды в различных районах Московского мегаполиса за счет более полной пространственной детализации. Результаты климатического прогноза в Московском мегаполисе могут быть использованы для решения задачи оптимального городского планирования.

Разработанная модель MosClim в настоящее время используется при моделировании процессов энергомассообмена внутри городских ландшафтов в рамках международного проекта MEGAPOLI (Megacities: Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLution and climate effect, and Integrated tools for assessment and mitigation) и национального проекта «Мегаполис».

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на международной конференции Европейского Геофизического Союза (EGU Вена 2010, Вена 2011), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2010, Томск, Россия, на Международной Конференции по Городской Климатологии (1СиС-7) — Йокогама, Япония, 2009), в рамках школы молодых ученых и международной конференции «С1ТЕ8−2009», Красноярск, 2009 г, на Всероссийской конференции «Михаил Арамаисович Петросянц и современные проблемы метеорологии и климатологии», Москва, 2009), на Международной конференции по изучению ветровых воздействию на здания (AWAS'08) — Чеджудо, Корея, 2008, а также на других российских научных конференциях.

По теме диссертации опубликовано 12 работ (3 статьи в рецензируемых журналах и 8 тезисов докладов).

Структура диссертационной работы выглядит следующим образом:

В главе 1дан краткий исторический обзор этапов развития городской метеорологии и климатологии со времени ее зарождения — начала 19 века до наших дней, рассмотрены наиболее популярные направления ее развития. Во второй части главы описаны особенности городского пограничного слоя атмосферы, а также рассмотрены основные пространственные масштабы процессов, изучаемых в городской метеорологии и важных для решения диссертационной задачи.

Глава 2 посвящена' описанию физико-математической основы и структуры разработанной микроклиматической модели МобСНпги ее месту в иерархии современных моделей. Также подробно рассмотрены основные подходы к моделированию атмосферных процессов в условиях города, описан процесс получения необходимой информации о характеристиках подстилающей поверхности на локальном масштабе в Москве и области и приведена схема программной реализации модели.

Глава 3посвящена постановке задачи климатического моделирования в мегаполисах, описанию модельного комплекса МОЦА + модель МозСНш и верификации результатов моделирования на современных данных.

В главе 4описывается попытка детализации температуры воздуха в Московском мегаполисе в весенний период по данным прогностической мезомасштабной модели COSMO. Сравнивается успешность моделирования температуры и влажности воздуха с результатами специально проведенного эксперимента UrbEx, в ходе которого напрямую измерялись термические и влажностные характеристики приземного слоя воздуха в различных городских ландшафтах, а также турбулентный поток тепла от земной поверхности.

В главе 5описывается технология климатического прогноза температуры и относительной влажности воздуха в Московском мегаполисе в середине и конце XXI века и обсуждаются результаты. Также приведены результаты расчета средней температуры по административным округам Москвы в середине XXI века в зависимости от различных сценариев застройки мегаполиса.

1. Братсерт У. Х. Испарение в атмосферу Л., 1985.

2. Вильфанд P.M., Ривин Г. С., Розинкина И. А. Мезомаспггабный краткосрочный прогноз погоды в Гидрометцентре России на примере COSMO-RU. // Метеорология и гидрология. 2010а. — № 1. — С. 5−10.

3. Вильфанд P.M., Ривин Г. С., Розинкина И. А. Система COSMO-RU негидростатического мезомасштабного краткосрочного прогноза погоды в Гидрометцентре России: первый этап реализации и развития. //Метеорология и гидрология. — 2010b. — № 8. — С. 6−20.

4. Волощук В. М. //Вертикальный турбулентный' обмен в приземном слое// Метеорология и гидрология. 1975. — № 10. — С. 19−25.

5. Григорова Е. С. О мезоклимате московского мегаполиса// Метеорология и’гидрология.- М., 2004. № 10- С. 36−45.

6. Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на комплекс «Федерация» «Москва-Сити». // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. Volume 4, Issue 2, 2008, pp.58−59.

7. Дмитриев A.A., Бессонов Н. П. Климат Москвы (особенности климата большого города).- JL: Гидрометеоиздат, 1969. 324 с.

8. Зилитинкевич С.С.// Строение приземного слоя атмосферы при нестационарных условиях //Метеорология и гидрология. 1963. — № 1. -С. 31−37.

9. Зилитинкевич С. С. Динамика пограничного слоя атмосферы, JI. Гидрометиздат, 1970, 292 с.

10. Кислов А. В., Розинкина И. А., Чернышев А. В. Технология моделирования микроклиматических особенностей горной территории в рамках модели общей циркуляции атмосферы/ // Метеорология и гидрология. 2006. — № 10. — С. 45−53.

11. Кислов A.B., А. Г. Георгиади, Л. И. Алексеева, О. П. Бородин. Построение полей температуры воздуха и атмосферных осадков в районах с редкой измерительной сетью (на примере бассейна р. Лена) // Метеорология и гидрология № 8, 2007, 41−48.

12. Кислов А. В. Константинов П. И. Моделирование летнего температурного режима Московского региона // Вестник Московского университета. Сер. 5. География. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2007, № 1, 45−48.

13. Кислов А. В. Константинов П. И. Детализированное пространственное моделирование температуры Московского мегаполиса // Метеорология и гидрология<№ 5, 2011; 25−32.

14. Кислов A.B., Суркова Г. В. Пространственно-детализированный климатический прогноз температуры воздуха и осадков в Восточной Сибири на основе учета локальных особенностей подстилающей поверхности) // Метеорология и гидрология № 3, 2009, 43−51.

15. Константинов П. И. Изменение микроклимата Москвы в первой половине XXI века при глобальных изменениях климата и различных сценариях застройки мегаполиса // Проблемы региональной экологии. 2010. № 02. С. 111−115.

16. Кратцер П. А., Климат города, пер. с нем., М., 1958.

17. Курбацкий А.Ф.

Введение

в моделирование турбулентного переноса импульса и скаляра. Новосибирск, Изд-во «Гео» 2007 г, 331 с.

18. Ландсберг Г. Е. Климат города. Л.: Гидрометеоиздат. — 1983. — С. 248.

19. Монин A.C., Яглом A.M., Статистическая гидромеханика, т1, СПб: Гидрометеоиздат, 1992, 467с.

20. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики. М., «Финансы и статистика», 1982, 344с.

21. Рейнольде О. Динамическая теория несжимаемой вязкой жидкости// Проблемы турбулентности//М. 1936 с 185 227.

22. Ривин Г. С. Европейские прогностические сообщества и их системы мезомасштабного прогноза погоды, 2009// http://meteoinfo.ru.

23. Шерстюков Б. Г. Сценарии климата Московского региона до 2050 года //Метеорология и гидрология -2005а. -№ 7. —С.26−32.

24. Шерстюков Б. Г. Ошибки. описания регионального климата атмосферно-океаническими моделями CGCM2, HadCM3 и ЕСНАМ4 на примере Московского региона//Метеорология и гидрология. -2005b. -№ 5. -С.22−26.1 лз.

25. Шерстюков Б. Г. Сценарии тенденций некоторых характеристик климата Москвы в условиях текущего глобального потепления //Труды ВНИИГМИ-МЦЦ. -2003. -вып. 171. -С.51−78.

26. Ashie, Y., Т. Kono, and К. Takahashi, 2005: Development of numerical simulation model of urban heat island, Annual report of the earth simulatorcenter, April 2004—March 2005, The earth simulator center, 85−88.

27. Baklanov, A., S. Joffre, and S. Galmarini (Eds.), 2005: «Urban Meteorology and Atmospheric Pollution (EMS-FUMAPEX)». Atmos. Chem. Phys., Special Issue 24. http://www.atmos-chemphys.net/specialissue24.html.

28. Baklanov, A., A. Rasmussen, B. Fay, E. Berge, and S. Finardi, 2002: Potential and shortcomings of numerical weather prediction models in providing meteorological data for urban air pollution forecasting. Water, Air Soil Poll.: Focus, 2 (5−6): 43−60.

29. Baklanov and Grisogono (eds.), 2007: Atmospheric boundary layers: nature, theory and applications to environmental*modelling and security. Springer Publishers, 241, doi: l 0.1007/978−0-387−74 321−9.

30. Glazunov A.V., Lykossov V.N. Large-eddy simulation of interaction, of ocean and atmospheric boundary layers. Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling, 2003, V. 18, pp. 279−295.

31. Hidalgo, J., G. Pigeon, and V. Masson, 2008: Urban-breeze circulation during the CAPITOUL experiment: Observational data analysis approach, Meteorol. Atmos. Phys., 102(3−4): 223−241.

32. Foken, T- 2008: Micrometeorology. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 306pp.

33. FortuniakK., KtysikK., Wibig J. Urban-rural contrasts of meteorological parameters in Lodz. (Department of Meteorology and Climatology, University of Lodz, Poland)//Theor. and Appl. Climatol.- 2006, — 84. № 1−3, с 1434—4483.

34. Grimmond, C. S. B. and T. R. Oke, 1999: Heat storage in urban areas: local-scale observations and evaluation of a simple model. J. Appl. Meteor., 38, 922−958.

35. Howard L. 1818: The climate of London / deduced from meteorological observations. London: W. Phillips.

36. Hu’seyn Toros, Mete Tayanc Urbanizationeffects on regional climate change in the case of four large cities of Turkey// Climatic Change 1997. Vol.35. P. 501−524.

37. Jacobsen, I., and E. Heise, 1982: A new economic method for the computation of the surface temperature in numerical models. Beitr. Phys. Aim., 55- 128−141.

38. Kanda, M., 2006a: Large eddy simulations on the effects of surface geometry of building arrays on turbulent organized structures. Bound. Layer Meteor., 118, 151−168.

39. Kanda, M., 2006b: Progress in the scale modeling of urban climate: Review. Theor. Appl. Climatol., 84, 23−33.

40. Kusaka, H. and F. Kimura, 2004a: Coupling a single-layer urban canopy model with a simple atmospheric model: Impact on urban heat island simulation for an idealized case. J. Meteor.Soc. Japan, 82, 67—80.

41. Kusaka, H. and F. Kimura, 2004b: Thermal effects of urban canyon structure on the nocturnal heat island: Numerical experiment using a mesoscale model coupled with an urban canopy model. J. Appl. Meteor., 43, 1899−1910.

42. Kusaka, H., H. Kondo, Y. Kikegawa, and F. Kimura, 2001: A simple single-layer urban canopy model for atmospheric models: Comparison with multilayer and slab models. Bound. Layer Meteor., 101, 329−358.

43. Martilli, A., A. Clappier, and M.W. Rotach, 2002: An urban surface exchange parameterisation for mesoscale models. Boundary-Layer Meteorol., 104, 261−304.

44. Martilli A, Santiago JL (2007). CFD simulation of airflow over a regular array of cubes. Part II: analysis of spatial average properties. Boundary-Layer Meteorol 122:635−654.

45. Masson, V., 2000: A physically-based scheme for the urban energy budget in atmospheric models, Boundary-Layer Meteorol., 98, 357−397.

46. Nunez, M. and Оке, T.R. 1977: The energy balance of an urban canyon. Journal of Applied Meteorology 16, 11−19.

47. Nakamura, Y. and-Oke, T.R. 1988: Wind, temperature and stability conditions in an east-west oriented urban canyon. Atmospheric Environment 22,2691−2700.

48. Lowry, W.P. 1977: Empirical estimation of urban effects on climate: A problem analysis. Journal of Applied Meteorology 16, 129−135.

49. Mills, G. 2009: Luke Howard, Tim Оке and the study of urban climates, IAUC newsletter.

50. Myrup, L. O- 1969: Anumerical model of the urban heat island. Journal of Applied Meteorology 8, 908−918.

51. Оке, T.R. 1968: Toward a more rational understanding of the urban heat island: McGill Climate Bulletin. 20pp.

52. Оке, T.R., Yap, D. and Maxwell, G.B. 1972: Comparison of urban/rural cooling rates at night. Proceedings Int. Symp. On Environment and Second Conf. on Biometeor., American Meteorological Society, Boston, pp 17−21.

53. Оке, T.R. 1987: Boundary Layer Climates. 2nd edition. Routledge.

54. Оке, T.R. 1975: The distinction between canopy and boundary-layer urban heat islands. Atmosphere 268−277.

55. Pielke RA (1984). Mesoscale Meteorological Modeling. Academic Press, 612p.

56. Rotach M.W., et al. (2005) BUBBLE an Urban Boundary Layer Meteorology Project. // Theor. Appl. Climatol. 81: 231−261.

57. Rotach M.W., Gryning S.-E., Batchvarova E., Christen A. and Vogt R. (2004): 'Pollutant dispersion close to an urban surface the BUBBLE tracer experiment'. Meteorol. Atm. Phys. 87 (1−3): 39−56.

58. Santiago J. L, Martilli A, Martin F (2007). CFD simulation of airflow over a regular array of cubes. Part I: Three-dimensional simulation of the flow and validation with wind-tunnel measurements. Boundary-Layer Meteorol 122:609−634.

59. Stewart I.D. and Oke T.R. 2010 Thermal differentiation of local climate zones using temperature observations from urban and rural field sites. Preprint, Ninth Symposium on Urban Environment, Keystone, CO, August 2−6.

60. Sundborg, A. 1950: Local climatological studies of the temperature conditions in an urban area. Tellus 2, 221−231.

61. Sundborg, A. 1951. Climatological studies in Uppsala with special regard to the temperature conditions in the urban area. Geographica 221 C1.

62. Teijung, W.H. 1976: Climatology for Geographers. Annals of the Association of American Geographers 66, 199−222.

63. Zilitinkevich S. Mammarella F, Baklanov A, Joffre S. The effect of stratification on the aerodynamic roughness length and displacement height// Atmos. Environ, 2007, 20−35.

64. Zilitinkevich S.S., Esau I.N. Similarity theory and calculation of turbulent fluxes at the surface for the stably stratified atmospheric boundary layers. Boundary-Layer Meteorol., 125,2007, 193−296.