Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности термического режима городского пограничного слоя атмосферы: средства измерений и современные представления 8
1.1. Средства мониторинга пограничного слоя атмосферы 8
1.1.1. Метеорологический температурный профилемер МТП-5 11
1.1.2. Мобильный вариант МТП-5 14
1.2. Исследования температурного режима пограничного слоя атмосферы 15
1.3. Городской остров тепла 18
1.3.1. Факторы формирования городского острова тепла и эффекты его влияния. 18
1.3.2. Исследования городского острова тепла в зарубежных странах 24
1.3.3. Исследования городского острова тепла в России 26
1.4. Инверсии температуры 33
Глава 2. Пространственно-временные характеристикитермическои структуры нижних слоев атмосферы по данным микроволновых измерений 39
2.1. Средние годовые характеристики стратификации температуры в некоторых крупных городах России поданным микроволновых.измерений 39
2.2. Сезонные характеристики температурных различий пса между центром и пригородом Москвы 43
Основные выводы главы 2: 57
Глава 3. Характеристики городского острова тепла по данным измерений мтп-5 в разнесенных пунктах Московского региона 59
3.1..Статистические характеристики разности температуры между центром и пригородом москвы 59
3.2. Сезонные внутрисуточные характеристики городского острова тепла 64
3.3. Характеристики термической неоднородности поля температуры в нижнем 300-метровом слое по данным дистанционных и контактных высотных наблюдений 68
3.4. Анализ экстремальной интенсивности гот по данным наблюдений на метеостанциях г. Москвы 72
Основные выводы главы 3: 76
Глава 4. Инверсии температуры 77
4.1. Анализ пространственных характеристик инверсий в московском мегаполисе 77
4.2. Основные характеристики инверсий температуры по измерениям мтп-5 в центральной части Москвы 81
4.3. Связь стратификации температуры с низкоуровенными струйными течениями 85
Основные выводы главы 4: 89
Глава 5. Связь горизонтального градиента температуры в большом городе (Москва) с направлением и скоростью переноса 91
5.1 Зависимость распределения контрастов приземной температуры от переноса 91
5.2 Зависимость контрастов температуры на высоте 300 м от направления и скорости переноса 100
5.3 Зависимость контрастов температуры от направления и скорости переноса в отдельные месяцы года 102
Основные выводы главы 5: 108
Заключение 110
Список литературы 114
Приложение 124
- Метеорологический температурный профилемер МТП-5
- Сезонные характеристики температурных различий пса между центром и пригородом Москвы
- Сезонные внутрисуточные характеристики городского острова тепла
- Основные характеристики инверсий температуры по измерениям мтп-5 в центральной части Москвы
Введение к работе
Изучение термического режима городской атмосферы имеет большое значение для понимания актуальных сегодня вопросов - насколько тепловые выбросы мегаполиса влияют на его микроклимат и как сильно изменяется термическая структура под этим воздействием. Термическое состояние пограничного слоя атмосферы во многом определяет интенсивность рассеивания загрязняющих веществ, и, соответственно, уровень загрязнения воздуха. Знание особенностей и закономерностей изменения термической структуры городского пограничного слоя определяет требования к точности прогнозирования температуры и обусловленных свойствами ее стратификации явлений погоды. Следовательно, расширение научных представлений о специфических физических процессах в атмосфере большого города способствует развитию методов их предсказания.
С 2000 г в московском регионе начали регулярно проводиться дистанционные измерения профилей температуры в слое до 600 м с помощью разработанных в России метеорологических температурных профилемеров (МТП-5). Принципиально новые наблюдения (непрерывные и с высоким разрешением по вертикали) дают возможность получать статистические характеристики термического режима городской атмосферы и изучать эффекты влияния большого города, что было возможным раньше лишь с помощью моделирования.
Актуальность работы.
Последние научные обобщения высотных наблюдений в московском мегаполисе на метеорологических мачтах и по данным радиозондирования (г.Долгопрудный) были сделаны более 30 лет назад. Сегодня в регионе при удалении 100-130 км друг от друга проводятся метеорологические наблюдения на двух высотных мачтах (Обнинск, Останкино), в 5 пунктах осуществляется измерение профилей температуры с помощью МТП-5. Начинает активно развиваться сеть акустического мониторинга
Накопленные данные измерений МТП-5 в разнесенных пунктах московского региона в совокупности с высотными наблюдениями представляют со-
бой редкий натурный материал для получения статистических характеристик и исследований малоизученных атмосферных процессов в городском пограничном слое. К числу последних относятся особенности формирования температурных инверсий в условиях повышенного содержания аэрозолей и притока отсутствующего за городом антропогенного тепла.
Таким образом, актуальность представленной работы определяется:
малой изученностью и необходимостью расширения представлений о специфических городских процессах в нижних слоях атмосферы, возникающих под влиянием большого города;
отсутствием методических рекомендаций по анализу данных микроволновых измерений в большом городе с учетом высокой сезонной и внутрисуточ-ной изменчивости термической структуры городского пограничного слоя;
- необходимостью совершенствования методов прогнозирования со
стояния воздуха в большом городе, а также элементов погоды и явлений.
Целью диссертационной работы явилось решение следующих задач:
Получить внутрисуточные количественные характеристики изменчивости температуры в нижних слоях городской атмосферы в разные сезоны года;
Изучить сезонную и суточную динамику термических характеристик городского острова тепла, используя синхронные данные микроволновых измерений и наблюдений на высотных метеорологических мачтах;
Получить представление о пространственно-временной изменчивости вертикальных градиентов температуры в приземном слое;
Получить статистические характеристики повторяемости температурных инверсий в мегаполисе, их связи с синоптическими ситуациями.
Научная новизна
Получены количественные показатели сезонных и внутрисуточных осо
бенностей влияния большого города на пространственную неоднород
ность поля температуры в нижнем 300-метровом слое атмосферы.
Тепловое воздействие города на термическую структуру городского пограничного слоя летом выражено сильнее, чем зимой, ночью - больше, чем днем с характерным для светлого времени конвективным перемешиванием. Показано, что над термически неустойчивым и более теплым воздухом в городе часто холоднее, чем в пригороде, так называемая «линза холода». Этот городской эффект обнаруживается ночью и в ранние утренние часы в основном в холодный период, но с частотой 20-30% может проявляться в то же время суток и в летние месяцы.
Обнаружен устойчивый, характерный только для лета эффект утреннего (6-9 ч) нагрева городского слоя на высоте 100-300 м как результат поглощения солнечной радиации городским аэрозолем (газы, взвешенные вещества и водяной пар).
Выявлен весенний эффект влияния повышенного содержания аэрозоля в городском воздухе, который является причиной замедленного прогрева (по сравнению с загородным) приземного воздуха утром. Показано, в центре Москвы преобладают вертикальные градиенты температуры, превышающие сухоадиабатические, достигая годового максимума (2,2С/100 м) в апреле. Повторяемость градиентов температуры (у > уса) в городе в 1,5-2 раза выше, чем в пригороде. Резко отличающиеся характеристики термической устойчивости на территории мегаполиса показывают метеорологическую обусловленность утреннего и вечернего ухудшения условий рассеивания примесей в направлении от центра города к окраинам. Частота образования приземных инверсий в центральной части города по отношению к ближнему пригороду (Долгопрудный) и невозмущенной влиянием большого города местности (Обнинск) находится в соотношении 1:3:4.
По данным измерений МТП-5 описан профиль температуры в слое 0-600 м в некоторых крупных городах России (средний за год и для отдельных часов суток). Показано, что даже в осредненном за год температурном профиле обнаруживаются специфические черты термической структуры, обусловленные влиянием локальных физико-географических и антропогенных факторов.
На защиту выносятся:
Результаты исследования суточной и сезонной изменчивости вертикальных градиентов температуры в нижних слоях городской атмосферы;
Показатели суточной и сезонной динамики термических характеристик городского острова тепла;
Статистические характеристики температурных инверсий в мегаполисе, их связь с синоптическими ситуациями.
Показатели связи формирования городских контрастов температуры со скоростью переноса в нижних слоях атмосферы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Первая глава содержит краткий обзор литературы по основным разделам диссертации, а также исторический очерк климата Москвы (в области термической структуры нижней атмосферы), и описание средств мониторинга пограничного слоя атмосферы. Во второй главе представлены результаты исследования межсезонной и внутрисуточной изменчивости вертикальных градиентов температуры в нижних слоях атмосферы на примере некоторых крупных городов России, а также подробно рассмотрены особенности московского мегаполиса. В третьей главе изложены результаты анализа характеристик «городского острова тепла» в Москве, в частности, пространственно-временные характеристики острова тепла, его вертикальная структура и изменчивость характеристик в течение года. Также рассмотрены условия, при которых интенсивность «городского острова тепла» достигает экстремальных значений. В четвертой главе представлены основные характеристики инверсий температуры в центре Москве, а также анализ пространственных характеристик температурных инверсий в московском мегаполисе. В пятой главе рассмотрена зависимость температурных контрастов на территории города от скорости и направления переноса.
Метеорологический температурный профилемер МТП-5
В начале 90-х годов прошлого столетия в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) был разработан новый метод дистанционного измерения профилей температуры, основанный на приеме собственного теплового излучения атмосферы в диапазоне миллиметровых радиоволн [92]. Метеорологический температурный профилемер (МТП-5) представляет собой сложное радиоэлектронное устройство [65]. МТП-5 включает высокочувствительный приемник собственного теплового излучения атмосферы в центре полосы поглощения молекулярного кислорода v = 60 ГГц, интенсивность которого зависит от распределения термодинамической температуры в измеряемом слое, а также систему сканирования, систему метеозащиты, микропроцессор и комплект программного обеспечения [15,70]. На частоте 60 ГГц коэффициент поглощения молекулярного кислорода меняется незначительно в довольно широком диапазоне частот; высокое поглощение в центре полосы обеспечило независимость измерений от условий погоды.
Данный прибор в автоматическом режиме производит непрерывное, круглосуточное наблюдение за температурой воздуха в нижнем 600-метровом слое атмосферы с дискретностью по высоте 50 м и шагом по времени 5 минут в различных физико-географических условиях [1,33].
В 1993 - 1999 гг. прибор прошел успешные международные сравнения с данными радиозондирования, привязными аэростатами, контактными датчиками на высотных метеорологических мачтах, лидарами и системами радиоакустического зондирования [32].
Так, в декабре 1993 г в Великобритании (г. Кардингтон) были проведены сравнения результатов измерения профиля температуры в слое до 500 м с данными радиозондов и данными баллонных измерений [22]. Оценка ошибки восстановления профилей температуры составляет 0,5К [105]. Расчеты ра-диояркостной температуры по данным радиозондов показали, что средняя величина и СКО разности радиояркостных температур не превышало 0,1К и 0,ЗК соответственно. Сравнение профилей термодинамической температуры, полученных по данным МТП-5 с профилями, полученными по in situ измерениям, показало, что СКО разности не превышает 1К. Однако, отсутствие интенсивных инверсий в период проведения экспериментов не позволило в полной мере оценить возможности прибора МТП-5. В 1996-1999 гг. был проведен ряд экспериментов по сравнению результатов измерения профиля температуры прибором МТП-5 с данными радиозонда и ВММ Обнинск [60,110]. Как показали сравнения с контактными датчиками, среднее значение разности температуры для высот от 10 до 300 м лежит в диапазоне от -0,1 С до 0,3С, среднеквадратичное отклонение (СКО) разности температур равно 0,9С [32].
С ноября 1996 по январь 1997 гг. сравнение проводились в США (г. Бол-дер). В августе-октябре 1999 г. в Швейцарии в рамках полевой фазы международного эксперимента MAP (Mesoscale Alpine Program) были проведены совместные измерения профиля температуры атмосферы с помощью МТП-5 и радиозондов [32]. Сравнения показали, что СКО разности температур в диапазоне высот 0-600 м не превышает 1К.
В июле-августе 1999 года в г. Обнинск был проведен эксперимент по сравнению профилей температуры в пограничном слое атмосферы, получаемых с помощью датчиков температуры, установленных на уровнях: 2, 8, 25, 75, 120, 169 и 217 м, и температурного профилемера МТП-5 [66]. Проведенные эксперименты показали, что СКО разности температур, измеренных МТП-5 и контактными датчиками, не превышает 1К. Общим недостатком названных сравнений является небольшая продолжительность (не более 3 месяцев).
В 1998 г. прибор МТП-5 был сертифицирован Госстандартом России, а в 1999 г. решением ПКПМ Росгидромета рекомендован к применению на наблюдательной сети Росгидромета в качестве измерителя профилей температуры ПСА [114].
С 2000 г. в московском мегаполисе проводятся круглосуточные синхронные микроволновые дистанционные измерения профилей температуры в слое 0-600 м с помощью приборов МТП-5. Измерения производятся в центре Москвы (на крыше здания Гидрометцентра России) и в ближайшем северном пригороде (г. Долгопрудный), а с 2002 г. - также в Звенигороде (50 км западнее Москвы).
Разнесенные измерения в мегаполисе дают возможность получить качественно новые данные о вертикальной структуре пограничного слоя атмосферы, а также количественно оценить горизонтальную неоднородность термического поля в пределах мегаполиса. Ценность непрерывных дистанцион ных измерений возрастает в периоды формирования неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий.
В настоящее время измерения профилей температуры с помощью приборов МТП-5 проводятся во многих крупных городах России: Красноярск, Оренбург, Уфа, Нижний Новгород, Челябинск, Новосибирск, Самара, Набережные Челны, Норильск, Астрахань, Казань, Санкт-Петербург. В московском регионе проводятся наблюдения в 5 пунктах (Красная Пресня, Долгопрудный, Тушино, МГУ, Звенигород). За рубежом подобные наблюдения проводятся во Франции, Италии, Швейцарии, Японии, США, Канаде, Кореи, Тайване, Испании и Китае [118].
В Центральной аэрологической обсерватории на базе стационарного профилемера МТП-5 была разработана и реализована мобильная версия профилемера ММТП-5, который отличается наличием специальной системы автоматического горизонтирования профилемера [28]. Мобильные комплексы позволяют ставить и решать недоступные ранее задачи по изучению тонких структур и специфических эффектов в самых нижних слоях атмосферы; наибольший эффект от использования ММТП-5 при проведении полевых экспериментов может быть получен при организации синхронных измерений однотипными приборами, в частности, в комбинации - стационарный МТП-5 и ММТП-5 [28,98].
В настоящее время уже проведено несколько экспериментов с использованием мобильной версии МТП-5. Так в 2004 году в Нижнем Новгороде проводились исследования пространственно временной неоднородности городского острова тепла [28]. В 2006- 2007 гг. с использованием ММТП-5 проводились мобильные наблюдения в районе г. Кисловодск [34].
Можно отметить, что впервые оригинальные натурные методы обследования пространственных размеров городского острова тепла были предприняты еще в начале 20-го века. Первыми такие эксперименты - объезды города с измерением температуры воздуха - провели Шмидт, Толнер и Штейнгаузер в 1927 году [99]. В нашей стране аналогичные исследования проводились летом 1963, 1964 и 1966 гг. в Саратове и Энгельсе, по результатам которых был получен не ожиданный вывод - оказалось, что в городах степной зоны Нижнего Поволжья температура в летнее время ниже или такая же, как в окрестностях Саратова [72].
Сезонные характеристики температурных различий пса между центром и пригородом Москвы
В настоящем разделе обсуждаются результаты, полученные для срединных месяцев каждого из сезонов года, за исключением зимнего — из-за больших погодных аномалий в январе 2004 - 2007 гг. (эти месяцы были в основном теплее обычного) для характеристики зимних условий выбран месяц февраль.
Февраль. Как видно на рисунке 2.6, в феврале воздух в самом нижнем слое измерений в центре Москвы теплее, чем за городом в течение всех суток; разность средней месячной приземной температуры центр — пригород более 1С удерживается почти 20 ч (с 16 до 11 ч утра), а максимальные различия {АТ(0)М-д = 1,2-1,6С) приходятся на темное время суток — с 18 до 10 ч. В течение четырех дневных часов (11-15 ч) разница в температуре не превышает 1С.
В Приложении 1 (таблица 1.1) приводятся данные среднего значения и стандартного отклонения средней за час температуры воздуха и градиента температуры на различных уровнях в феврале.
На 100 м температура в центре города близка к температуре на окраине в течение всех суток, т.е. на этой высоте поле температуры однородно над всем мегаполисом (рисунке 2.6). Практически исчезает на непродолжительное время днем с 12 до 16 ч горизонтальная неоднородность и в слое 200-300 м, но большую часть суток слой между 200 и 300 м над центром города немного холоднее окраин. В темное время суток с 22 до 9 ч примерно на 0,6-1,0С (как будет показано ниже, подобное явление имеет место и в апреле, но значительно менее интенсивно, чем в феврале). Показателем (индикатором) процессов, приводящих к столь специфическому явлению, служат вертикальные градиенты температуры. На рисунке 2.7, иллюстрирующем их суточный ход, видно, что в феврале ночью в окрестностях вертикальный градиент температуры меньше 0 (у 0С/100м), что указывает на наличие приземной инверсии температуры, охватывающей нижний как минимум 300-метровый слой. Приземная инверсия за городом и на окраинах города сохраняется с полуночи до 8 ч утра, после чего она переходит в приподнятую и полностью разрушается к 11 ч. В приземном слое к этому времени уже развиваются адиабатические процессы, и формируется вертикальный градиент температуры, превышающий у ,. Столь радикальные внутрисуточные преобразования термического состояния нижнего 100-метрового слоя на окраинах мегаполиса (от сильной устойчивости до сильной неустойчивости) происходят на фоне практически неизменной сверхадиабатической неустойчивости в центре города.
Только на короткое время -с 11 до 16ч-в слое 100-300 м - над всем мегаполисом - устанавливается горизонтальная однородность. На рисунке 2.8 представлено распределение у нижнего 100-метрового слоя атмосферы в центре Москвы и в Долгопрудном, которое показывает, что в центре Москвы повторяемость у уса составляет примерно 95%, в Долгопрудном - в два раза меньше (43%). Повторяемость у 0С/100 м в центре Москвы около 1%, в Долгопрудном - 23%.
Можно отдельно обсудить природу отмеченной выше ночной «линзы холода» над центром мегаполиса. Не исключено, что определенную роль в появлении отрицательной разности температуры между центром и окрестностями на высотах 200-300 м играют радиационные процессы (выхолаживание) над городским куполом. С нашей точки зрения более убедительным объяснением этого являются резкие различия в условиях вертикального обмена: за городом 150-300 м ночью - это слой температурной инверсии, а в городе (в отсутствии инверсии) это верхняя часть слоя турбулентного обмена, обеспечивающего смешение воздуха с более холодным с вышележащих уровней.
При этом в термически неустойчивом воздухе в центральной части мегаполиса вертикальное перемешивание способствует очищению приземного слоя от загрязнений. Следовательно, существует метеорологическая обусловленность увеличения загрязнения воздуха от центра к окраинам, если не доминирует крупномасштабный интенсивный перенос.
С заходом солнца в пригороде наблюдается быстрый переход из неустойчивого состояния ПСА в устойчивое (рисунок 2.7), а в центре мегаполиса — лишь уменьшается величина сверхсуходиабатического градиента температуры в нижнем 150-метровом слое, в котором продолжают рассеиваться загрязняющие примеси. Вектор усиления термической устойчивости направлен от центра города к окраинам, но скорость этого процесса вечером заметно меньше, чем утренний переход от устойчивости в неустойчивое состояние. Это указывает на сдерживающее влияние антропогенного тепла, включая тепло конденсации водяного пара, поступающего в воздух при работе двигателей внутреннего сгорания автомобилей при нарастающем вечернем пике транспортных потоков. Еще одной ссылкой на вклад этого источника дополнительного тепла может служить изотермия в слое 300-500 м в центре города в отличие от инверсии за городом. Апрель. В этом месяце городской нижний слой атмосферы (100-150 м) в течение суток как и зимой в городе теплее, чем в окрестностях: ночью различия в приземной температуре максимальны АТ(0)м-д = 1,6-1,8С, днем они уменьшаются до 0,5-0,8С (рисунок 2.10). Весенний температурный режим нижней атмосферы в мегаполисе по нескольким признакам отличается от зимнего. К числу главных отличий относится меньшая продолжительность значительной горизонтальной неоднородности поля приземной температуры (больше 1,0С), такой она сохраняется с 16 до 7 часов, то есть на четыре часа меньше чем в феврале.
Особо отметим нехарактерный ни для какого другого месяца утренний «провал» в суточном ходе разности приземной температуры (АТ(0)м_д). С 8 до 10 ч величина разности приземной температуры между центром города и пригородом по сравнению с ночной уменьшается в 4 раза, достигая суточного минимума (АТ(0)Мд = 0,5С). Основной причиной такого «провала» в суточном ходе АТ(0)м д является, безусловно, меньший, чем в пригороде приток солнечной радиации в городе, что обусловлено несколькими факторами. Известно, в апреле с еще незащищенной растительным покровом подстилающей поверхности в городской воздух попадает большое количество мелкодисперсного аэрозоля, а интенсивное вымывание его происходит редко -на апрель в наших широтах приходится годовой минимум осадков. Данные наблюдений в метеорологической обсерватории МГУ указывают, что в этом месяце в дополуденное время наблюдается значительное увеличение аэрозольной мутности атмосферы [65]. Все это в утренние часы (при еще низком слое перемешивания) становится причиной городского ослабления солнечной радиации и, как следствие, приводит к уменьшению различий в приземной температуре между центром и окраинами. Возможно, определенную роль в уменьшении притока солнечной радиации на подстилающую поверхность в городе играют и антропогенные газы, суточный максимум которых приходится именно на это время. Но следует отметить, значительного накопления газовых примесей в приземном слое из-за преобладающих умеренных скоростей переноса воздушных масс в апреле не происходит; эпизоды высокого загрязнения воздуха в этом месяце формируются редко (с нашей точки зрения антропогенные газы играют более заметную роль в летнее время).
Второй особенностью термической структуры нижней атмосферы в апреле является ослабление (по сравнению с февралем) «линзы холода» в слое 200-300 м над центральной частью мегаполиса. Она обнаруживается только ночью и наиболее выражена с 3 до 6 ч. Природа ее образования, как обсуждалось выше, связана с принципиально различающимися условиями вертикального перемешивания в центре и на окраинах. Как видно на рисунке 2.11, в апреле приземный слой в окрестностях города с 22 почти до 6 ч находится в состоянии сильной устойчивости (уо-юо 0С/100 м), но над приземной инверсией температуры в слое 200-300 м в отличие от февраля удерживаются вертикальные градиенты температуры близкие к сухоадиабатическому.
Сезонные внутрисуточные характеристики городского острова тепла
Учитывая, что термический режим в мегаполисе характеризуется существенной внутрисуточнои изменчивостью, проведен анализ характеристик ГОТ отдельно для ночи и дня. Построены гистограммы распределения величины АТ(кдм-д в самом нижнем слое измерений и на уровне 300 м за периоды с 09-19 ч (день) и 21-07 ч (ночь) по данным 2004-2007 гг. для каждого из сезонов года (по аналогии с предыдущими разделами, анализировались центральные месяцы сезонов). На рисунке 3.2 представлено дневное распределение интенсивности ГОТ. Во все сезоны воздух у земли в приземном слое в центре мегаполиса с частотой около 85% теплее, чем в ближнем пригороде, но ЛТ(0)м.Д 2С наблюдается редко - примерно в 10% (зимой около 20%), таблица 3.3). Значений Л Т(0)М-д -2С у земли днем практически не наблюдается.
Внутрисуточные особенности изменчивости ГОТ отражают рисунки 3.4-3.5, где представлено распределение повторяемости разности температуры на высоте 300 м между центром Москвы и Долгопрудным. Обращает на себя внимание различающаяся по сезонам наибольшие частоты величин АТ(300)м-д- Так, в феврале днем на высоте 300 м в 60% случаев в центре холоднее, чем в пригороде («линза холода»), а в июле в 70% в центре Москвы теплее, чем в пригороде. В переходные сезоны - апрель и октябрь, отрицательные и положительные значения Л Т(300)М-д имеют примерно одинаковую повторяемость (около 50%).
Днем существенные различия температуры (больше 2С) между центром Москвы и Долгопрудным на высоте 300 м наблюдаются в основном летом и зимой и имеют повторяемость около 10%. Но знак температурных контрастов меняется на противоположный - на Пресне на высоте 300 м в июле теплее, а в феврале на 2С холоднее. С учетом преобладающих горизонталь ных градиентов температуры у земли приведенные выше данные еще раз указывают на сильную стратификацию вертикальной структуры городского пограничного слоя. Ночное распределение Л Т(300)м-д это подтверждает.
Ночное распределение АТ(300)м-д на высоте 300 м показано на рисунке 3.5. Здесь хорошо видно, что летом «тепловой купол» почти в 60% случаев простирается до высоты 300 м и выше. В другие сезоны такое явление также возможно, но не чаще чем в 41% случаев.
Как следует из таблицы 3.3 различия в температуре между центром и пригородом АТ(300)М-д величиной + 1С составляют в среднем за год примерно 90%. Значительно большей изменчивостью величина ЛТ(300)М-д характеризуется в феврале: в этом месяце в интервале + 1С находится лишь 60% величин АТ(300)м_д.
В предыдущих разделах представлены результаты анализа данных дистанционных измерений профилей температуры с помощью приборов МТП-5 в разнесенных точках московского мегаполиса. Отдельный интерес представляет сравнение дистанционных и контактных наблюдений, поскольку преобладает мнение о более высокой точности последних.
Для проведения таких сравнений была подготовлена база данных наблюдений за температурой воздуха на высотной метеорологической мачте (ВММ) в Обнинске (высоты 2, 121 и 301 м), на телевизионной башне в Останкино (2, 128 и 305 м), а также данных МТП-5, установленного на крыше здания Гидрометцентра РФ [23].
Для изучения особенностей поля температуры использовались синхронные данные средней за час температуры воздуха в нижнем 300 м слое атмосферы (2007 г). Для удобства данные приведены к высотам 0, 100 и 300 м.
Анализ наблюдений в трех пунктах (центр, городская окраина, невозмущенная большим городом местность) показал, что величина парной корреляции приземной температуры в трех пунктах зимой превышает 0,9 (R = 0,94-0,98), а летом — R = 0,88-0,95. Корреляция температуры на высоте 300 м мало изменяется от сезона к сезону и составляет 0,97-0,98 [67]. Корреляция остатков (за вычетом суточных изменений) превышает 0,80.
Для оценки теплового влияния Москвы на поле температуры ПСА были рассчитаны для каждого месяца повторяемость разности средней часовой температуры на трех уровнях. На рисунке 3.6 показано распределение приземной разности температуры ЛТ(0) в срединные месяцы каждого сезона с модальным смещением в сторону положительных разностей, что указывает на устойчивость формирования острова тепла центре мегаполиса.
Весьма неожиданно оказалось, что район Красной Пресни в феврале ночью в 60% случаев холоднее района Останкино, правда, лишь в 2% более чем на 2С. Днем в феврале Красная Пресня теплее Останкино в 70% случаях, чаще всего менее чем на 2С.
По сравнению с февралем в августе наблюдаются значительные внутри-суточные колебания разности приземной температуры между пунктами, и чаще формируется выраженное пятно городского тепла (рисунок 3.7). Практически каждую ночь Пресня в августе теплее Обнинска и Останкино: в 90% случаев на Пресне больше чем на 1С температуры выше чем в Останкино, различия между Обнинском значительнее, примерно в 35% случаев приземная температура воздуха в центре Москвы на 5 С и более выше, чем в Обнинске.
В дневные часы в августе величина разности приземной температуры между Пресней и Обнинском в 55% положительная, но почти каждый третий день (35%) днем в районе Пресни прохладнее, чем в Обнинске до 1-3С. Требует отдельного анализа тот факт, что в период 12-15 ч примерно в 70% случаев в районе Пресни оказывалось холоднее, чем в районе Останкино - в среднем на 1,7С. Одним из объяснений может стать предположение о влиянии перегрева тела башни в часы максимального солнечного прогрева [18,44]. Нельзя исключать и проявления топографических особенностей района Красной Пресни — лучшей проветриваемое на ландшафтно-неоднородной местности с учетом более интенсивного конвективного перемешивания в центре города.
Для анализа характеристик ГОТ и условий формирования значительных контрастов температуры в большом городе использовались данные срочных наблюдений приземной температуры воздуха на сети метеостанций, расположенных на территории Москвы (ВДНХ, Балчуг, МГУ, Тушино). По наблюдениям в 2002-2006 гг. подготовлена выборка случаев, когда разность температуры в городе в стандартные сроки наблюдений была не менее 5С, таких случаев оказалось 264. Обозначим разность температур между метеостанциями более 5С — ЛТМС. Как было показано в разделе 2, наибольшей интенсивности ГОТ достигает в ночное время. В подготовленном ряду данных в дневные часы максимальные величины ЛТМС составили 5,6-7,9С. Такие случаи наблюдались в послеполуденные часы при прохождении атмосферного фронта с сильными ливневыми дождями и грозами.
Основные характеристики инверсий температуры по измерениям мтп-5 в центральной части Москвы
Особое внимание к температурным инверсиям в работе обусловлено их влиянием на процессы вертикального обмена в ПСА, в первую очередь перенос примесей. По данным микроволновых измерений профилей температуры в центре Москвы в районе Красной Пресни проводилось изучение следующих характеристик инверсии температуры: повторяемость инверсий; величина инверсии (разность температуры на верхней и нижней границах в период максимального развития инверсии), время существования инверсии (инверсии длительностью менее часа в рассмотрение не принимались). Использованы данные измерений МТП-5 в нижнем 600-метровом слое атмосферы за период февраль 2002 - сентябрь 2004 гг.
Продолэюителыюстъ инверсий. В зависимости от продолжительности, инверсии температуры были разбиты на несколько групп: 1) непрерывной продолжительностью до 6 ч.; 2) продолжительностью от 7 до 12 ч.; 3) продолжительностью от 13 до 24 ч.; 4) продолжительностью более 24 ч. Наибольшая продолжительность инверсий наблюдается в зимние месяцы (ноябрь-февраль), наименьшей продолжительностью отличаются летние инверсии. В центре города наибольшую повторяемость имеют инверсии продолжительностью не больше 12 ч: в 2002 году таких инверсий было 87,5% из всех наблюдаемых случаев, в 2003 - 89,9%, в 2004 - 90,3%. Более чем в 50% от общего числа случаев наблюдаются непродолжительные инверсии, время их существования менее 6 ч.
Инверсии продолжительностью более 12 ч наблюдаются достаточно редко. На рисунке 4.1 представлено распределение продолжительности инверсий в каждом месяце года. Величина инверсии температуры (разность температуры на верхней и нижней границах) изменяется в довольно широких пределах и в значительной степени определяется генезисом инверсии.
Связь величины с продолжительностью инверсии температуры (2002-2004 гг., центр Москвы). На рисунке 4.3 представлена зависимость продолжительности инверсии от ее величины при максимальном развитии. Видно, инверсии продолжительностью более 10 ч в период максимального развития имеют величину не менее 3С. Самые длительные инверсии (больше суток) в период максимального развития достигают 8-12С. Столь экстремальные значения интенсивности и продолжительности инверсий наблюдаются только в холодный сезон года в антициклоне, когда радиационные инверсии усиливаются инверсиями оседания. В теплый период года в центре Москвы величина инверсий редко превышает 4С. В большинстве случаев летние инверсии температуры по характеру формирования относятся к радиационному типу, образуются в основном во второй половине ночи, и с восходом солнца - быстро разрушаются. Второй по повторяемости тип летних инверсий - адвективные, наблюдающиеся перед теплым фронтом, либо в теплом секторе циклона при адвекции новой порции тепла.
Время разрушения инверсии во многом зависит от ее величины, характера синоптического процесса и времени года. В теплый сезон года преобладающее время разрушения инверсий с 5:00 до 9:30 ч. В холодную часть года время разрушения инверсий смещается к середине дня, но могут сохраняться до 12-14 ч. Можно отметить, что радиационные инверсии разрушаются через 1 -2 ч после восхода солнца.
В отдельных случаях в теплый сезон инверсионные профили температуры в отсутствие облачности сохраняются дольше обычного -до 11-12 ч дня. Такие инверсии образуются в результате нарушения радиационного баланса в городском пограничном слое из-за скопления примесей в слое инверсии либо при переносе продуктов горения природных пожаров из удаленных от Москвы районов. На рисунке 4.4 представлены данных об инверсии в эпизоде (август 2008 г.) выноса на район Москвы воздуха, загрязненного продуктами лесных пожаров из черноземных областей европейской России.
Низкоуровенные струйные течения - малоизученный природный объект в первую очередь из-за недостатка наблюдательных средств за этими явлениями. В то же время исследование струйных течений нижнего уровня (СТНУ) имеет высокую практическую ценность, в частности, при обслуживании полетов малой авиации, в области прогноза загрязнения воздуха. Подобные явления в мире начали изучать еще в середине 20 века [77]. В Москве систематизированные данные о вертикальных профилях скорости ветра были получены впервые в 1970-1975 гг. по контактным измерениям на Останкинской телебашне. Толчком к развитию исследований СТНУ послужило освоение дистанционных измерений характеристик ветра в нижней атмосфере с помощью акустического зондирования атмосферы; этим исследованиям посвящено небольшое количество научных работ [35, 43-47, 75].
СТНУ — это протяженные зоны сильного ветра в пределах планетарного пограничного слоя атмосферы. Их протяженность обычно составляет несколько сотен (до тысячи) километров, скорость ветра на оси достигает 50-70 м/с: от 50 м/с над ETC до 70 м/с над Дальним Востоком [3].
Общепринятого критерия для выделения СТНУ, подобного критерию ВМО для струйного течения свободной атмосферы, пока не существует. Некоторые авторы в качестве такого критерия используют скорость ветра на оси СТНУ 10-15 м/с. В районе Москвы, например, повторяемость СТНУ с максимальной скоростью 15 м/с в холодный период года больше, чем в теплый, а в ночные и утренние чаще, чем в дневные. СТНУ вдвое чаще бывают связаны с теплыми фронтами, чем с фронтами других типов.
Нефронтальные СТНУ располагаются перед теплыми и холодными фронтами параллельно им, а также часто наблюдаются после прохождения фронтов. Перед холодными фронтами СТНУ развивается в так называемом потоке теплой несущей полосы - в наиболее теплом и влажном воздухе теплого сектора. Вокруг оси СТНУ развивается спиральная циркуляция, восходящая ветвь которой сливается с восходящими движениями воздуха непо средственно перед холодным фронтом, в результате чего происходит активное образование облаков.
В появлении фронтальных СТНУ основную роль играют адвекция, с одной стороны, шероховатость и турбулентное перемешивание - с другой. Для нефронтальных СТНУ решающим фактором является неоднородность турбулентного перемешивания по высоте. Разница условий формирования фронтальных и нефронтальных СТНУ обусловливает различия их свойств. Например, фронтальные СТНУ наблюдаются как днем, так и ночью, а нефронтальные - существенно чаще в ночные и утренние часы [3].
Наш интерес к явлению СТНУ вызван их связью с инверсионными условиями. Наличие струйного низкоуровенного течения сопровождается специфическими перемещениями воздуха и, соответственно, примесей, что может вносить существенные коррективы в оценку комплекса метеорологических условий, определяющих пространственное распределение концентраций загрязнений воздуха не только у земли, но и в пограничном слое атмосферы.
