Table of Contents

Оригинальное название: The Hidden Climates Around Us

Городские среды не монолитны в своей погоде. В пределах одного города температура может варьироваться на несколько градусов, скорость ветра резко меняется между блоками, а уровень влажности отличается от парка к парковке. Эти локализованные атмосферные зоны известны как микроклиматы — небольшие климатические условия, которые отличаются от более широкого регионального климата. Понимание микроклиматов в городах имеет важное значение для архитекторов, градостроителей, должностных лиц общественного здравоохранения и жителей, которые хотят создать более здоровые, более устойчивые и более пригодные для жизни городские пространства.

Микроклиматы образуются из-за сложного взаимодействия природных и техногенных элементов. Они влияют на спрос на энергию, стоки ливневых вод, качество воздуха и даже поведение растений и животных. По мере того, как города продолжают расширяться и глобальные температуры повышаются, явление городских микроклиматов становится критическим для решения. В этой статье исследуется наука, стоящая за микроклиматами, их причины, эффекты и практические стратегии их управления.

Понимание микроклиматов: масштаб и измерение

Микроклимат определяется как локальный набор атмосферных условий, которые отличаются от тех, которые находятся в окружающей области. Эти зоны могут быть такими же маленькими, как один сад или такими же большими, как районный район. Ключевые переменные, которые отличают микроклимат, включают температуру , влажность , скорость ветра и направление и воздействие солнечного излучения .

Метеорологи и городские климатологи измеряют микроклиматы с помощью сетей датчиков, спутниковых тепловых изображений и мобильных метеостанций. Например, датчик на велосипеде может отображать колебания температуры в городском квартале, выявляя тепловые карманы вблизи асфальтовых и более холодных зон под пологами деревьев. Эти измерения помогают количественно оценить эффект городского острова тепла (UHI) и направлять стратегии вмешательства.

Ключевые характеристики микроклиматов

  • Температура — различия 3-5 °C (5-9 °F) между центрами города и окружающими сельскими районами являются общими.
  • Гумидность — изменяется в зависимости от растительности, водных объектов и непроницаемых поверхностей.
  • Ветер — здания создают каньоны, которые воронку или блокируют воздушный поток, изменяя местные ветровые узоры.
  • Солнечный свет — тени от высоких структур и отражающих поверхностей изменяют продолжительность экспозиции.

Эти характеристики взаимодействуют динамическими способами. Например, южная площадь с темным тротуаром и малой тенью станет тепловой ловушкой, а близлежащий парк с густыми деревьями и прудом будет заметно прохладнее и влажнее.

Факторы, которые создают микроклимат в городе

Городские условия усиливают изменчивость микроклимата благодаря нескольким взаимосвязанным факторам.Понимание этих элементов является первым шагом на пути к проектированию более комфортных и устойчивых городов.

1.Геометрия и строительная морфология

Расположение и дизайн зданий глубоко влияют на местный климат. Уличные каньоны — где высокие здания выстраиваются по обе стороны узкой дороги — могут удерживать тепло и блокировать вентиляцию, повышая температуру. И наоборот, открытые площади с высокими альбедо (отражающими) поверхностями могут отражать солнечное излучение, но также могут создавать ветровые туннели, которые ускоряют движение воздуха на уровне пешеходов.

Исследования показывают, что соотношение высоты и ширины здания (соотношение сторон) влияет на дневное отопление и ночное охлаждение. Плотное ядро центра города с высоким соотношением сторон сохраняет больше тепла, чем растянувшийся пригород. Городская геометрия также контролирует количество неба — долю неба, видимую из точки, — что напрямую влияет на то, сколько длинноволнового излучения выходит ночью.

2. Поверхностные материалы и альбедо

Материалы, обычно используемые в городах — бетон, асфальт, кирпич, стекло — имеют высокую тепловую массу и низкое альбедо (отражательность). Они поглощают солнечную энергию в течение дня и медленно выделяют ее ночью, повышая температуру окружающей среды. Например, асфальтовое тротуарное покрытие может достигать температуры поверхности 60 ° C (140° F) в жаркий летний день, в то время как соседнее травянистое поле может оставаться на 15-20 ° C прохладнее.

Холодные крыши и тротуары, выполненные с отражающими покрытиями или более светлыми цветами, могут снизить температуру поверхности до 10 ° C (18 ° F). Такие города, как Лос-Анджелес , начали покрывать улицы прохладным герметиком для борьбы с городским теплом. Это недорогой, высокоэффективный метод, который может быть реализован в масштабе.

3. Растительность и зеленые пространства

Растительность является одним из самых мощных инструментов для сдерживания микроклиматов. Деревья обеспечивают тень, уменьшая солнечный прирост на зданиях и тротуаре. Они также выделяют водяной пар через транспирацию , естественный процесс охлаждения, который может снизить окружающие температуры воздуха на 2-8 ° C (3,6-14,4 ° F).

Городские парки, зеленые крыши и уличные деревья создают «холодные острова» в жарких районах. Исследование в Лондоне показало, что парки могут быть на 5 ° C холоднее, чем прилегающие застроенные районы в течение дня. Однако эффект зависит от пород деревьев, плотности навеса и доступности воды. Лиственные деревья, которые обеспечивают тень летом и позволяют солнечному свету зимой, часто идеально подходят для умеренного климата.

4. Водные тела и влага

Озера, реки, пруды и даже фонтаны умеренно микроклиматизируются через испарительное охлаждение.Вода имеет высокую удельную теплоемкость, то есть она медленно нагревается и охлаждается, создавая буферный эффект на близлежащие температуры.Близость к воде может снизить дневные максимумы на 1-3 ° C и повысить влажность.

В засушливых городах особенно ценны водные объекты. Однако для их устранения требуется тщательное управление, а построенные водно-болотные угодья и удержания бассейнов не только охлаждают район, но и поддерживают биоразнообразие и управляют ливневыми водами.

5.Антропогенные источники тепла

Деятельность человека высвобождает отработанное тепло, которое непосредственно нагревает окружающий воздух. Основные факторы включают двигатели транспортных средств, промышленные процессы, системы отопления и охлаждения в зданиях и даже метаболизм человека. В плотных городских центрах этот антропогенный тепловой поток может составлять до 30% местного энергетического баланса.

Например, отработанное тепло от систем метро может повысить температуру тротуара на улицах, расположенных над улицами. Аналогичным образом, кондиционеры выбрасывают горячий воздух на улицы, усиливая эффект теплового острова. Снижение отработанного тепла за счет энергоэффективности и электромобилей может помочь смягчить этот вклад.

Эффект острова тепла в городе: подпись микроклиматов

Наиболее изученным и последовательным явлением городского микроклимата является эффект Городской тепловой остров (UHI). UHI возникает, когда городские районы значительно теплее, чем их сельское окружение, часто на 3-5 ° C (5-9 ° F) и иногда больше. Эта разница температур наиболее выражена ночью, когда населенных пунктов выделяет накопленное тепло, в то время как сельские ландшафты быстро охлаждаются.

Причины эффекта UHI

  • Высокая концентрация зданий и инфраструктуры с низким альбедо
  • Уменьшение растительного покрова, приводящее к меньшему оттенку и эвапотранспирации
  • Отходы тепла от транспорта, промышленности и зданий
  • Модифицированный поток воздуха из-за геометрии улицы, которая удерживает тепло
  • Темные поверхности, которые поглощают и излучают солнечную энергию

Эффект UHI имеет серьезные последствия. Он увеличивает спрос на охлаждение, приводя к более высокому использованию электроэнергии и выбросам парниковых газов. Он ухудшает загрязнение воздуха, способствуя образованию озона на уровне земли. Он также представляет прямую угрозу для здоровья: во время тепловых волн городские температуры могут быть смертельными, особенно для пожилых людей, малообеспеченных групп населения и тех, у кого нет кондиционера.

Согласно Агентству по охране окружающей среды США, тепловые волны являются основной причиной связанных с погодой смертельных случаев в Соединенных Штатах. Городские тепловые острова усиливают эти риски. Такие города, как Феникс и Нью-Йорк , внедрили планы действий по отоплению и системы раннего предупреждения для защиты уязвимых жителей.

Влияние микроклиматов на городскую жизнь

Микроклимат влияет почти на все аспекты жизни города, от личного комфорта до производительности инфраструктуры.

1. Общественное здравоохранение и тепловой комфорт

Экстремальное тепло в микроклиматах может вызвать тепловое истощение, тепловой удар и усугубить сердечно-сосудистые и респираторные состояния. Индекс тепла (который сочетает в себе температуру и влажность) может быть значительно выше в плохо затененных городских карманах. Уязвимые группы населения включают работников на открытом воздухе, бездомных и жителей старых зданий без кондиционера.

И наоборот, прохладные микроклиматы в хорошо спроектированных парках могут обеспечить убежище во время тепловых событий. Городские планировщики все чаще используют индексы теплового комфорта, такие как физиологическая эквивалентная температура (ПЭТ), для проектирования пространств, которые обеспечивают безопасность и комфорт людей.

2. Потребление энергии и выбросы углерода

Более высокие температуры от UHI увеличивают спрос на кондиционеры, что в свою очередь генерирует больше отработанного тепла и выбросов. Исследование показало, что в некоторых городах США эффект UHI отвечает за до 20% общей охлаждающей нагрузки. С другой стороны, более холодные микроклиматы зимой могут снизить потребности в отоплении. Понимание этих закономерностей является ключом к оптимизации энергетических характеристик здания.

Министерство энергетики США рекомендует отражающие крыши, зеленые крыши и посадку деревьев, чтобы уменьшить использование энергии охлаждения на 10-30% в отдельных зданиях.

3. Городское сельское хозяйство и продовольственная безопасность

Микроклимат может создать благоприятные условия для выращивания продуктов питания в городах. Стены, обращенные к югу, и защищенные дворы могут продлить вегетационные периоды, позволяя выращивать теплолюбивые культуры, такие как помидоры и перец, в более прохладном климате. И наоборот, морозные карманы могут ограничивать варианты. Общинные сады и фермы на крыше извлекают выгоду из понимания местного микроклимата для выбора соответствующих культур и времени посадки.

4. Водные ресурсы и управление штормовыми водами

Повышение температуры и снижение проникновения почвы в городские микроклиматы могут привести к более высоким темпам испарения и более интенсивному стоку во время штормов. Однако зеленая инфраструктура, такая как дождевые сады и проницаемые тротуары, может помочь управлять ливневыми водами, а также охлаждать область. Эти системы имитируют естественную гидрологию и создают микроклиматы, которые поддерживают разнообразную растительную и животную жизнь.

5 Биоразнообразие и экосистемные услуги

Городские микроклиматы могут поддерживать удивительное биоразнообразие. Крутые, влажные участки в городских парках могут содержать виды, обычно встречающиеся в лесных подлесках. Более теплые микроклиматы на фасадах зданий могут содержать теплостойкие растения и насекомых. Однако экстремальные микроклиматы также могут подчеркивать местные виды. Усилия по сохранению могут поощрять разнообразие микроклимата в качестве стратегии устойчивости в условиях изменения климата.

Стратегии смягчения последствий и адаптации

Эффективное управление городскими микроклиматами требует сочетания планирования, технологий и участия сообщества.

1.Зеленая инфраструктура

  • Зеленые крыши — растительные крыши, которые изолируют здания, уменьшают стоки и охлаждают воздух.
  • Уличные деревья — стратегическая посадка вдоль тротуаров и площадей для обеспечения тени и испарения.В городе Мельбурне используются виды деревьев, отобранные для будущих климатических условий.
  • Парки и открытые пространства — большие городские парки действуют как «крутые острова», которые приносят пользу окружающим районам.
  • Вертикальные сады — зеленые стены на фасадах зданий снижают температуру поверхности и улучшают качество воздуха.

2. Холодные материалы и поверхности

  • Холодные крыши — высокая солнечная отражательная способность (альбедо) снижает температуру поверхности.В Нью-Йорке действует программа установки прохладных крыш на общественные здания.
  • Прохладные тротуары — отражающие или проницаемые тротуары для улиц, парковок и тротуаров.
  • Материалы для изменения фазы — инновационные строительные материалы, которые поглощают и выделяют тепло для стабилизации температуры в помещении.

3.Городское проектирование и планирование

  • Ориентация улиц и зданий — максимизация пассивного солнечного усиления зимой и тени летом.
  • Ветровые коридоры — сохранение или создание путей для естественной вентиляции из близлежащих водоемов или зеленых насаждений.
  • Зонирование для зеленых насаждений — требование минимального покрытия навеса деревьев в новых разработках.

4. Участие и политика сообщества

  • Планы действий по отоплению — системы раннего предупреждения и общественные центры охлаждения, реализуемые в Париже и Ахмедабаде.
  • Программы городского лесного хозяйства — добровольные усилия по посадке деревьев и техническому обслуживанию.
  • Стимулы для зеленых крыш — налоговые льготы или бонусы плотности в таких городах, как Торонто и Портленд.

Тематические исследования: города, ведущие

Сингапур: город-сад

Сингапур интегрировал зеленую инфраструктуру в свою городскую ткань в течение десятилетий. Город-государство предписывает зеленые крыши и вертикальные сады на новых зданиях, и он разработал обширные соединители парка, которые связывают микроклиматы по всему острову. Сады у залива оснащены охлажденными консерваториями, которые демонстрируют, как микроклиматы могут быть спроектированы как для сохранения, так и для общественного пользования. подход Сингапура уменьшил эффект UHI до 2 ° C в некоторых областях.

Чикаго: смягчение последствий на острове тепла

Чикаго запустил инициативу по зеленой крыше в начале 2000-х годов, в том числе зеленую крышу площадью 20 000 квадратных футов на мэрии. Крыша летом снижает температуру поверхности на 4-8 ° C и экономит энергию. Город также поддерживает надежную программу посадки деревьев и использует прохладные тротуары в переулках. Эти усилия улучшили тепловой комфорт и уменьшили стоки ливневых вод.

Портленд, Орегон: климатически-ориентированное планирование

Комплексная политика землепользования Портленда отдает приоритет зеленым насаждениям, навесам деревьев и пешеходному дизайну. В городе есть Древесный кодекс, который требует от разработчиков сохранения или замены деревьев. Портленд также обеспечивает стимулы для прохладных крыш и проницаемых тротуаров. Исследования показывают, что хорошо затененные районы Портленда на несколько градусов холоднее, чем близлежащие незатененные районы.

Недавние исследования, опубликованные в , показывают, что сочетание зеленых крыш с отражающими тротуарами дает наибольший охлаждающий эффект, снижая пиковые температуры в городах до 3 ° C.

Оригинальное название: Microclimates in a Warming World

По мере повышения глобальной температуры и уплотнения городов понимание и управление микроклиматами станут еще более критическими. Ожидается, что изменение климата усилит эффект UHI, особенно во время волн тепла. Однако активные меры могут компенсировать некоторые из этих воздействий.

Новые технологии, такие как цифровые двойные модели и Сети датчиков IoT , позволяют в режиме реального времени контролировать и динамически управлять городскими микроклиматами. Например, интеллектуальные ирригационные системы могут эффективно реагировать на данные о местной влажности и температуре в аквапарках. Гражданские научные инициативы, такие как NIHHIS/NOAA Heat Mapping Campaign, привлекают жителей к сбору данных о микроклимате, которые информируют о местных действиях.

Такие политические рамки, как Парижское соглашение и Цели устойчивого развития ООН , поощряют города к принятию решений на основе природы. Интегрируя соображения микроклимата на каждом уровне городского планирования — от строительных норм до региональных транспортных сетей — мы можем создавать города, которые не только более прохладны, но и более справедливы, устойчивы и пригодны для жизни.

Вывод: от феномена к действию

Микроклиматы не являются любопытством; они являются фундаментальной реальностью городской жизни. Они формируют наш комфорт, здоровье, использование энергии и природные экосистемы, которые сосуществуют с нами. Признавая факторы, которые создают микроклиматы - от строительных материалов до растительности и водных объектов - мы можем разработать меры, которые смягчают худшие последствия, особенно городской остров тепла.

Каждый город имеет уникальный отпечаток микроклимата. Путь вперед включает в себя сотрудничество между градостроителями, архитекторами, экологами, экспертами в области общественного здравоохранения и сообществами. Инструменты доступны: зеленые крыши, прохладные поверхности, навесы деревьев, интеллектуальные датчики и поддерживающая политика. Задача состоит в том, чтобы реализовать их в масштабе, с вниманием к справедливости и долгосрочной устойчивости. Микроклимат, который мы создаем сегодня, будет формировать городскую среду завтрашнего дня.