Table of Contents

Понимание городских тепловых островов

Городские тепловые острова (UHI) являются хорошо документированным климатическим явлением, когда урбанизированные районы испытывают значительно более высокие температуры, чем окружающая их сельская среда. Этот температурный дифференциал может варьироваться от 1 ° C до 7 ° C (1,8 ° F до 12,6 ° F) в зависимости от размера, плотности и географического местоположения города. Термин «городской тепловой остров» описывает теплый «остров» тепла, который формируется над городами по сравнению с более холодным «морем» сельских или природных ландшафтов. Этот эффект обусловлен комбинацией факторов, связанных с деятельностью человека, инфраструктурой и изменениями земельного покрова. Постоянство и интенсивность UHIs имеют глубокие последствия для городских микроклиматов, влияющих на все, от местных погодных условий до общественного здравоохранения и спроса на энергию. Поскольку глобальная урбанизация продолжает ускоряться - к 2050 году почти 70% населения мира, как ожидается, будет жить в городах - понимание и смягчение последствий UHIs становится неотложным приоритетом для устойчивого городского развития.

Физика UHIs основана на принципах энергетического баланса. Природные ландшафты, такие как леса, луга и водоемы, уравновешивают и выделяют тепло. Растительность использует солнечное излучение для фотосинтеза и эвапотранспирации, процессы, которые преобразуют тепловую энергию в скрытое тепло, тем самым охлаждая воздух. Напротив, городские поверхности, такие как асфальт, бетон, кирпич и металл, имеют высокую теплопроводность и низкое альбедо (отражательность). Они поглощают большое количество солнечного излучения в течение дня и медленно выделяют это тепло ночью, предотвращая охлаждение городской местности. Кроме того, трехмерная геометрия зданий создает «городские каньоны», которые улавливают тепло, уменьшая способность длинноволнового излучения убегать в небо. Сами здания выделяют отработанное тепло от систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха (HVAC) и промышленных процессов. Сочетание этих факторов приводит к городским районам, которые последовательно теплее, чем их окружение, особенно ночью.

Причины городских тепловых островов

Причины НИУ являются многогранными и могут быть сгруппированы в несколько ключевых категорий. Понимание этих коренных причин имеет важное значение для разработки эффективных стратегий смягчения последствий.

  • Сокращение альбедо и поглощение тепла: Городские строительные материалы — темные асфальтовые крыши, темный тротуар и кирпич — имеют низкое альбедо, то есть они отражают только небольшую долю поступающего солнечного излучения (обычно 10-30%) и поглощают остальное. Это поглощенное тепло сохраняется и повторно излучается, нагревая окружающий воздух. Напротив, естественные поверхности, такие как трава или леса, имеют более высокое альбедо и испарительное охлаждение, сохраняя температуры ниже.
  • Потеря растительности и эвапотраспирации: Деревья и растения играют решающую роль в охлаждении окружающей среды посредством эвапотраспирации — процесса, посредством которого вода испаряется из листьев и почвы, потребляя тепловую энергию из окружающей среды и понижая температуру воздуха. Урбанизация заменяет эти естественные системы охлаждения непроницаемыми поверхностями, резко снижая местное испарительное охлаждение.
  • Антропогенные выбросы тепла:] Деятельность человека генерирует значительное количество отработанного тепла. Транспортные средства, промышленные процессы, электростанции и строительство систем HVAC выделяют тепло в городскую среду. В плотных городских центрах это антропогенное тепло может составлять значительную часть общего городского энергетического бюджета, особенно в зимние месяцы или в городах с большим движением.
  • Эффект городского каньона:] Геометрия высоких зданий и узких улочек создаёт «городские каньоны», которые улавливают тепло и уменьшают потерю длинноволнового излучения в космос. Эти каньоны также снижают скорость ветра и ограничивают естественную вентиляцию, ещё больше подавляя охлаждение.Сами строительные материалы поглощают коротковолновое излучение днём и повторно излучают его как длинноволновое излучение ночью, сохраняя каньон теплым даже после захода солнца.
  • Загрязнение воздуха и парниковые газы:] Городские районы часто имеют более высокие концентрации загрязнителей воздуха, таких как черный углерод, озон и оксиды азота. Эти загрязнители могут поглощать и повторно излучать инфракрасное излучение, способствуя эффекту потепления. Кроме того, городской пограничный слой может стать более стабильным из-за тепла, улавливая загрязняющие вещества и усугубляя эффект теплового острова.

Влияние городских тепловых островов на микроклимат

Влияние UHIs выходит далеко за рамки простого повышения температуры окружающей среды. Они фундаментально изменяют микроклимат города — локализованные атмосферные условия, которые отличаются от окружающего региона. Эти микроклиматические изменения могут наблюдаться в нескольких измерениях:

Температура повышается и ночью нагревается

Наиболее непосредственным эффектом являются повышенные температуры, как днем, так и, что более примечательно, ночью. В дневное время городские поверхности быстро нагреваются, а к началу дня городские центры могут быть на 2-5°C теплее сельских районов. Однако наиболее значительное воздействие происходит после захода солнца: накопленное тепло в зданиях, дорогах и тротуаре медленно высвобождается, предотвращая охлаждение города. Это ночное потепление может колебаться от 3°C до целых 12°C в крайних случаях. Отсутствие ночного охлаждения особенно вредно, поскольку снижает способность организма восстанавливаться после дневного теплового стресса, что приводит к увеличению показателей связанных с жарой заболеваний и смертности во время тепловых волн.

Измененные ветровые модели и вентиляция

УВИ несколько способов модифицируют местные ветровые поля. Градиент температуры между теплым городом и более прохладной сельской местностью может создать «странный ветерок», который притягивает более прохладный воздух с периферии к городскому центру. Это явление может обеспечить некоторое дневное облегчение, но геометрия городского каньона часто нарушает эти потоки, создавая зоны застоя воздуха. Снижение скорости ветра в уличных каньонах препятствует рассеиванию загрязняющих веществ и увеличению концентрации озона на уровне земли. И наоборот, высокие здания могут направлять ветер по определенным коридорам, создавая сильные порывы, которые представляют опасность для пешеходов и увеличивают энергетические нагрузки на сооружения.

Модифицированные осадки и гидрологические циклы

UHI могут влиять на местные погодные условия, особенно осадки. Эффект городского теплового острова усиливает конвекцию: теплый, нестабильный воздух над городами поднимается более энергично и может вызвать образование конвективных облаков. Это часто приводит к увеличению количества осадков ветром городов - иногда на 10-20% по сравнению с сельскими районами. Кроме того, городские поверхности в значительной степени непроницаемы, поэтому осадки быстро становятся стоками, а не проникают в землю. Это снижает местную влажность и доступность воды для испарения, что еще больше усугубляет эффект теплового острова. Взаимодействие между UHI и управлением ливневыми водами вызывает растущую озабоченность у городских планировщиков.

Влажность и атмосферная влажность

Городские микроклиматы, как правило, имеют более низкую относительную влажность, чем их сельские аналоги, в первую очередь из-за отсутствия испаряющихся поверхностей. В то время как абсолютное содержание влаги может быть аналогичным, более теплый городской воздух может содержать больше водяного пара, что приводит к более низкому значению относительной влажности. Эта сухость может увеличить потребность в воде для орошения и усугубить засуху на городской растительности. Однако в прибрежных городах или в городах со значительными водоемами UHI могут изменять морские бризы и образование тумана, что приводит к сложным влажным структурам.

Деградация качества воздуха

Более высокие температуры в городах ускоряют фотохимические реакции, которые производят озон на уровне земли и другие вторичные загрязнители. Более жаркие, застойные условия, типичные для UHI, также улавливают твердые частицы и оксиды азота вблизи поверхности, ухудшая качество воздуха. Это ухудшение имеет прямые последствия для здоровья: повышенные показатели астмы, хронические обструктивные заболевания легких и сердечно-сосудистые проблемы. Сочетание тепла и плохого качества воздуха во время тепловых волн создает опасную синергию, поскольку люди подвергаются более высоким уровням загрязнения и более склонны включать кондиционирование воздуха, что еще больше увеличивает потребление энергии и антропогенные выбросы тепла.

Стратегии смягчения последствий для городских тепловых островов

Эффективное смягчение последствий НИУ требует целостного подхода, который учитывает основные причины. Стратегии можно в широком смысле классифицировать на увеличение альбедо поверхности, восстановление растительности, улучшение городского дизайна и сокращение отработанного тепла. Реализация часто включает скоординированную политику в городских правительствах, частных застройщиках и общинах.

Холодные крыши и отражающие поверхности

Одной из наиболее немедленных и экономически эффективных стратегий является установка «холодных крыш». Эти крыши покрыты высоко отражающими материалами (часто белого или светлого цвета), которые отражают большую часть поступающего солнечного излучения. Холодные крыши могут снизить температуру поверхности крыши до 30 ° C (54 ° F) и более низкие температуры окружающего воздуха на 1-2 ° C в прилегающих районах. Аналогичным образом, отражающие тротуары - светлые бетонные или модернизированные покрытия - могут снизить температуру поверхности земли и помочь смягчить эффект городского теплового острова. Такие города, как Лос-Анджелес и Феникс, внедрили прохладные указы крыши и стимулирующие программы для ускорения принятия.

Зеленая инфраструктура и городская растительность

Увеличение количества растительности в городах является наиболее естественным и эффективным долгосрочным решением. Зеленая инфраструктура включает посадку деревьев вдоль улиц и в парках, зеленые крыши (растительные крыши), зеленые стены, дождевые сады и проницаемое тротуар. Деревья обеспечивают тень и прохладу посредством испарения - одно зрелое дерево может производить до 100 галлонов воды в день, обеспечивая эквивалентный охлаждающий эффект нескольких комнатных кондиционеров. Зеленые крыши не только снижают интенсивность тепла на острове, но и улучшают управление ливневыми водами, снижают потребление энергии в зданиях и обеспечивают среду обитания для дикой природы. Исследования показали, что увеличение покрытия навеса деревьев в городе на 10% может привести к снижению температуры 0,5-1,5 ° C (0,9-2,7 ° F).

Городской дизайн и политика планирования

Продуманное городское планирование может смягчить UHI с помощью правил зонирования и руководящих принципов проектирования. Стратегии включают в себя ориентирование улиц для максимизации естественной вентиляции, создание препятствий для строительства, чтобы обеспечить воздушный поток, и сохранение или создание открытых зеленых коридоров. Включение водных объектов, таких как фонтаны, пруды и станции тумана, также может обеспечить локализованное охлаждение через испарение. Политика, которая требует прохладных крыш в новом строительстве, требует теневых конструкций на парковках и защищает существующий древесный покров, становится все более распространенной. Такие города, как Сингапур, имеют интегрированные зеленые строительные нормы, которые требуют растительных фасадов и материалов с высоким альбедо, демонстрируя потенциал для существенных улучшений микроклимата.

Снижение антропогенных выбросов тепла

Еще одним важным компонентом является решение проблемы отработанного тепла в зданиях, транспортных средствах и промышленности. Повышение энергоэффективности зданий снижает количество тепла, выделяемого системами ВВАК. Содействие развитию общественного транспорта, велосипедного транспорта и электромобилей снижает тепло от двигателей внутреннего сгорания. Системы охлаждения и рекуперации тепла в районах также могут минимизировать сброс отработанного тепла. Городская политика, поощряющая компактное развитие смешанного использования, может снизить потребность в автомобильных поездках и снизить общий спрос на энергию.

Тематические исследования смягчения последствий изменения климата на городских тепловых островах

Несколько городов по всему миру реализовали амбициозные программы по смягчению последствий УИГ. Их опыт дает ценные уроки для других городских районов.

Лос-Анджелес, Калифорния, США

Лос-Анджелес был лидером в инициативах прохладной крыши. Программа города «Крутая Лос-Анджелес», часть более широкого плана адаптации к климату, стимулировала установку отражающих крыш как на жилых, так и на коммерческих зданиях. К 2020 году было установлено более 1 миллиона квадратных футов прохладных крыш. Город также расширил свой городской лес, посадив более 1,5 миллиона деревьев с 2017 года в рамках инициативы «Миллион деревьев Лос-Анджелеса». Эти усилия способствовали измеримому снижению интенсивности городского теплового острова — некоторые исследования сообщают о снижении температуры в центре города в течение летних дней. Лос-Анджелес также экспериментировал с отражающими покрытиями тротуара на отдельных улицах, хотя долгосрочная долговечность и обслуживание остаются проблемами.

Нью-Йорк, Нью-Йорк, США

Программа «CoolRoofs» в Нью-Йорке, запущенная в 2009 году, применяет отражающие покрытия на крышах пяти районов. К 2023 году программа обработала более 10 миллионов квадратных футов пространства на крыше. Департамент парков и отдыха города также реализует комплексный план посадки деревьев на улице, направленный на достижение 30% покрытия навесов деревьев к 2035 году. Кроме того, Нью-Йорк интегрировал зеленую инфраструктуру в свои планы управления ливневыми водами, требуя новых разработок, включающих зеленые крыши или проницаемые поверхности. Результатом стало заметное снижение местных пиковых температур и потребления энергии для охлаждения.

Сингапур, Сингапур

Сингапур, плотный тропический город-государство, принял видение «Город в природе» для борьбы с городским теплом и повышения пригодности для жизни. Его стратегия включает обширную посадку деревьев (более 200 000 деревьев, посаженных с 2020 года), обязательные зеленые крыши для новых зданий и создание вертикальной зелени на фасадах. Город также построил «Охлажденные пешеходные дорожки», затененные деревьями и охлажденные системами тумана, которые снижают местные температуры на 2-4 ° C. Инструменты моделирования микроклимата Сингапура помогают планировщикам идентифицировать уязвимые к теплу районы и расставлять приоритеты. Результатом является город, который, несмотря на его экваториальное расположение, поддерживает относительно комфортную среду и служит глобальной моделью для смягчения последствий теплового острова.

Влияние на здоровье и экономику городских тепловых островов

Микроклиматические изменения, вызванные ВИУ, имеют прямые последствия для здоровья человека и экономики городов. Понимание этих последствий имеет важное значение для анализа затрат и выгод от инвестиций в смягчение последствий.

Риски для общественного здравоохранения

Городские острова тепла усугубляют связанную с жарой заболеваемость и смертность, особенно во время экстремальных жарких явлений. Поскольку ночное охлаждение уменьшается, человеческий организм имеет меньше возможностей для восстановления, что приводит к увеличению случаев теплового удара, теплового истощения и сердечно-сосудистого стресса. Уязвимые группы населения - пожилые люди, дети, домохозяйства с низким доходом без кондиционера и работники на открытом воздухе - непропорционально страдают. Исследования из таких городов, как Чикаго и Париж, показали, что во время тепловых волн смертность в плотных городских районах может быть вдвое выше, чем в окружающих пригородных или сельских районах. Кроме того, более низкое качество воздуха в UHIs способствует респираторным и сердечно-сосудистым заболеваниям, еще больше обременяя системы здравоохранения.

Экономические издержки и спрос на энергию

Более высокие температуры в городах приводят к увеличению потребления энергии, особенно для кондиционирования воздуха. Это увеличение спроса достигает пика в жаркие дни, создавая нагрузку на электрические сети и повышая риск отключений электроэнергии. По оценкам Управления энергетической информации США, UHI увеличивают потребление энергии для охлаждения в жилых помещениях на 10-20% во многих американских городах. Для такого города, как Лос-Анджелес, дополнительные затраты на электроэнергию для охлаждения могут превышать 100 миллионов долларов в год. И наоборот, тот же эффект UHI может снизить спрос на энергию для отопления в зимние месяцы, но чистое воздействие, как правило, является значительным увеличением ежегодных затрат на энергию. Кроме того, повреждение инфраструктуры, связанное с теплом, такое как пристегнутость дорог, расширение железных дорог и потеря надежности коммунальных услуг, добавляет к расходам на техническое обслуживание.

Заключение

Городские Тепловые острова представляют собой критическую проблему для современных городов, фундаментально изменяя микроклиматы и усугубляя последствия потепления планеты. Их причины - в том числе уменьшение альбедо поверхности, потеря растительности, антропогенное тепло и городская геометрия - глубоко переплетаются со встроенной средой. Результирующие микроклиматические изменения - более высокие температуры, измененный ветер и осадки, ухудшенное качество воздуха и повышенный спрос на энергию - влияют на миллионы городских жителей ежедневно. Однако проверенные стратегии смягчения последствий влияют на миллионы городских жителей. Тем не менее, проверенные стратегии смягчения последствий предлагают путь вперед: прохладные крыши и тротуары, зеленая инфраструктура, умный городской дизайн и снижение отработанного тепла. Кейсовые исследования из Лос-Анджелеса, Нью-Йорка и Сингапура демонстрируют, что согласованные действия могут снизить интенсивность UHI, обеспечивая при этом множество сопутствующих преимуществ, таких как улучшение здоровья, экономия энергии и повышение пригодности для жизни. По мере продолжения урбанизации интеграция смягчения последствий тепловых островов в планирование адаптации к климату будет иметь важное значение для строительства устойчивых, справедливых и устойчивых городов. Для дальнейшего чтения