Table of Contents

Понимание микроклиматов: всеобъемлющее руководство по местным изменениям климата

Изучение микроклиматов представляет собой увлекательное пересечение метеорологии, экологии и науки об окружающей среде. Микроклимат относится к локализованным атмосферным условиям в приповерхностном слое, размером от нескольких метров до максимум нескольких километров в поперечнике, характеризующимся стойкими, измеримыми различиями климатических условий от тех, что находятся в прилегающих прилегающих районах. Эти небольшие климатические изменения играют решающую роль в формировании экосистем, влияют на производительность сельского хозяйства, влияют на городское планирование и определяют успех усилий по сохранению. Понимание того, как микроклиматы формируют и функционируют, становится все более важным, поскольку мы сталкиваемся с проблемами изменения климата и быстрой урбанизации.

В этом всеобъемлющем руководстве исследуется сложный мир микроклиматов, рассматриваются многочисленные факторы, способствующие их образованию, различные типы, встречающиеся в различных средах, и их значительные последствия как для природных, так и для антропогенных систем. От тепловых островов крупных городов до прохладных, затененных подсобных лесов микроклиматы демонстрируют замечательную изменчивость климата нашей планеты в самых местных масштабах.

Что определяет микроклимат?

Микроклиматы региона определяются влагой, температурой и ветрами атмосферы вблизи земли, растительностью, почвой и широтой, высотой и сезоном.В отличие от региональных или макроклиматических моделей, которые простираются на сотни или тысячи километров, микроклиматы действуют в гораздо меньших пространственных масштабах, создавая карманы различных условий окружающей среды, которые могут резко отличаться от их окружения.

Микроклиматические условия зависят от таких факторов, как температура, влажность, ветер и турбулентность, роса, мороз, тепловой баланс и испарение. Эти локализованные изменения могут происходить на удивительно коротких расстояниях - иногда всего на несколько метров - и часто зависят от конкретных экологических особенностей, таких как здания, растительность, водоемы или топографические изменения.

Эти различия могут быть незначительными или выраженными при оценке в течение дневного (дневно-ночного) или сезонного цикла. Например, склон, обращенный на юг, может испытывать значительно более высокие температуры, чем склон, обращенный на север, всего в метрах от него, или затененная область под навесом дерева может оставаться на несколько градусов холоднее, чем прилегающее открытое поле в летние дни.

Масштаб и объем микроклиматов

Климат обычно описывается как иерархия пространственных масштабов, которые вложены и взаимосвязаны, с макроклиматами, охватывающими сотни-тысячи километров, сформированными широкими атмосферными узорами, мезоклиматами, варьирующимися от десятков до сотен километров, определяемыми топографией и особенностями, и микроклиматами, присутствующими в гораздо меньших масштабах, в основном контролируемыми свойствами области и энергетическими обменами.

Это иерархическое понимание помогает контекстуализировать, как местные условия могут отклоняться от более широких региональных моделей. Город может существовать в определенной зоне макроклимата, но отдельные районы, парки или даже конкретные улицы в этом городе могут проявлять свои уникальные микроклиматические характеристики.

Основные факторы, влияющие на формирование микроклимата

Микроклиматы могут формироваться или подвергаться влиянию таких факторов, как топография, состав почвы, структура растительности и разнообразие растений, а также масса близлежащих объектов, природных или созданных человеком. Понимание этих факторов имеет важное значение для прогнозирования того, где будут формироваться микроклиматы и как они будут вести себя в различных условиях.

Топография и территория

Изменения рельефа, такие как изменения высоты или депрессии, могут сильно влиять на развитие микроклиматов, изменяя воздействие солнца, ветров и воздушный бассейн.Физическая структура земли создает фундаментальные различия в том, как солнечное излучение достигает поверхности и как воздух движется по ландшафту.

Склоны, обращенные к югу в Северном полушарии и склоны, обращенные к северу в Южном полушарии, подвергаются воздействию более прямых солнечных лучей, чем противоположные склоны, и поэтому теплее в течение более длительных периодов времени, что придает склону более теплый микроклимат, чем области вокруг склона.Это изменение, связанное с аспектом, может создавать температурные различия в несколько градусов на очень коротких расстояниях.

Самая низкая область глена может иногда замерзать раньше или сильнее, чем близлежащее место в гору, потому что холодный воздух тонет, сухой ветер может не достичь самого низкого дна, а влажность задерживается и осадков, а затем замерзает. Эти модели холодного дренажа воздуха создают так называемые морозные карманы - области, особенно уязвимые для замерзающих температур, которые могут быть критическими соображениями для сельского хозяйства и садоводства.

Топография может влиять на вертикальный путь воздуха в местности и, следовательно, на относительную влажность и циркуляцию воздуха, при этом воздух, поднимающийся на гору, подвергается снижению давления и часто высвобождает влагу в виде дождя или снега, в то время как по мере того, как воздух проходит по подветренной стороне горы, он сжимается и нагревается, тем самым способствуя более сухим, жарким условиям там.Этот орографический эффект создает различные микроклиматы на разных сторонах горных хребтов.

Структура растительности и разнообразие растений

Растительность и ее структура оказывают значительное влияние на микроклиматы, изменяя солнечное излучение и затенение, блокируя поток ветра и поддерживая удержание влаги, причем не только климат влияет на живое растение, но и противоположный эффект взаимодействия растений с окружающей средой, который в конечном итоге известен как климат растений.

Растительность является интегральной, так как она контролирует поток водяного пара в воздух через транспирацию, и может изолировать почву ниже и уменьшить изменчивость температуры. Деревья и другая растительность создают тень, уменьшая количество солнечного излучения, достигающего поверхности земли. Они также выделяют водяной пар через транспирацию, которая оказывает охлаждающее действие на окружающий воздух.

Лесной навес обычно смягчает температуру воздуха ниже навеса и относительную влажность, с уменьшением суточной максимальной температуры воздуха до 5,1 ° C (общее среднее значение: 1,8 ° C) и увеличением суточной минимальной относительной влажности до 12,4% (общее среднее значение: 5,1%) в долгосрочном среднем. Этот буферный эффект создает отчетливые подземные микроклиматы, которые поддерживают специализированные сообщества растений и животных.

Лесные навесы являются динамическими интерфейсами между организмами и атмосферой, обеспечивая буферизованные микроклиматы и сложные микрорайоны.Сложность структуры леса, включая высоту навеса, плотность и видовой состав, способствуют специфическим микроклиматическим условиям, обнаруженным под навесом.

Водные тела и влажность

Большие водоемы могут влиять на микроклиматы, понижая окружающую температуру воздуха и повышая влажность. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, то есть нагревается и охлаждается медленнее, чем поверхности суши. Это свойство позволяет водоемам смягчать колебания температуры в прилегающих районах.

Прибрежные районы часто испытывают более мягкие температуры по сравнению с внутренними районами на той же широте. Летом океан остается прохладнее, чем земля, обеспечивая охлаждающий эффект прибрежным сообществам. Зимой океан сохраняет тепло дольше, чем земля, сохраняя прибрежные районы теплее. Это морское влияние может простираться на несколько километров внутри страны, в зависимости от топографии и преобладающих ветровых моделей.

Микроклиматы контролируют испарение и транспирацию с поверхностей и влияют на осадки, и поэтому важны для водного цикла.Наличие или отсутствие воды - будь то в виде озер, рек, водно-болотных угодий или влаги почвы - фундаментально формирует местные климатические условия.

Состав почвы и свойства

Влияние типа почвы на микроклиматы значительно, с песчаными почвами и другими грубыми, рыхлыми и сухими почвами, подверженными высоким максимальным и низким минимальным температурам поверхности, в то время как характеристики отражения поверхности почв также важны, поскольку почвы более светлого цвета отражают больше и меньше реагируют на ежедневное нагревание.

Еще одной особенностью микроклимата является способность почвы поглощать и удерживать влагу, что зависит от состава почвы и ее использования.Глинистые почвы сохраняют влагу и тепло иначе, чем песчаные почвы, создавая отчетливые микроклиматические условия даже в пределах одного поля или сада.

Почвы, тяжелые в глине, сохраняют тепло и влагу, что смягчает температуру и влажность вблизи земли. Это удержание влаги может создавать более прохладные, более влажные микроклиматы в жаркую погоду, а также потенциально создавать более теплые условия в холодные периоды из-за свойств удержания тепла влажной почвы.

Урбанизация и построенные структуры

Площадь в развитом индустриальном парке может сильно варьироваться от лесистого парка поблизости, так как естественная флора в парках поглощает свет и тепло в листьях, которые крыша здания или парковка излучает обратно в воздух, а в городской зоне высокие здания создают свой собственный микроклимат, как затмев большие площади, так и направляя сильные ветры на уровень земли.

Городские среды создают одни из наиболее выраженных микроклиматов из-за концентрации зданий, дорог и другой инфраструктуры.По мере строительства городов они влияют на температуру (путем создания асфальтированных районов, которые поглощают лучистое тепло), доступный солнечный свет (путем создания затененных районов) и ветер (путем строительства сооружений, которые могут блокировать ветер).

Материалы, используемые в городском строительстве — бетон, асфальт, кирпич и металл — имеют очень разные тепловые свойства по сравнению с естественными поверхностями. Эти материалы обычно имеют низкое альбедо (отражательность), что означает, что они поглощают больше солнечного излучения и преобразуют его в тепло. Они также имеют высокую тепловую массу, что позволяет им хранить тепло в течение дня и медленно выделять его ночью.

Типы и примеры микроклиматов

Микроклиматы проявляются в различных формах в различных средах, каждая из которых имеет уникальные характеристики и экологическое значение. Понимание этих различных типов помогает нам оценить сложность местных климатических систем и их влияние как на природные, так и на человеческие сообщества.

Городские тепловые острова

Городской тепловой остров возникает, когда город испытывает гораздо более теплые температуры, чем близлежащие сельские районы.Это явление представляет собой один из наиболее изученных и значимых примеров антропогенной модификации микроклимата.

Температура воздуха в большом городе может быть на 2-22 ° F (1-12 ° C) выше, чем в его сельской местности. Величина этой разницы температур варьируется в зависимости от размера города, плотности зданий, растительного покрова и погодных условий. В Соединенных Штатах эффект теплового острова приводит к дневным температурам в городских районах примерно на 1-7 ° F выше, чем температуры в отдаленных районах и ночные температуры примерно на 2-5 ° F выше.

Темные поверхности поглощают значительно больше солнечного излучения, что приводит к тому, что городские концентрации дорог и зданий нагреваются больше, чем пригородные и сельские районы в течение дня; материалы, обычно используемые в городских районах для тротуара и крыш, такие как бетон и асфальт, имеют значительно разные теплоемкие свойства (включая теплоемкость и теплопроводность) и поверхностные радиационные свойства (альбедо и излучательность), чем окружающие сельские районы.

Высокие здания могут создать эффект городского каньона, который блокирует поток ветра и улавливает тепло вблизи поверхности, где люди могут его чувствовать. Эти городские каньоны - пространства между высокими зданиями - могут значительно изменить характер ветра и создать карманы застойного, нагретого воздуха.

Отходы тепла от транспортных средств, заводов и кондиционеров могут добавить тепло в их окружение, еще больше усугубив эффект теплового острова.Это антропогенное тепло представляет собой прямое добавление энергии к городской среде, особенно значимой в густонаселенных районах.

Разница температур в городах и сельских районах часто является самой большой в спокойные ясные вечера, потому что сельские районы остывают быстрее ночью, чем города, которые сохраняют большую часть тепла, хранящегося на дорогах, зданиях и других сооружениях. Это удержание тепла в ночное время может быть особенно проблематичным во время тепловых волн, поскольку это предотвращает падение температуры до уровней, которые обеспечат облегчение для городских жителей.

Прибрежные и морские микроклиматы

Прибрежные регионы испытывают отличительные микроклиматы из-за умеренного влияния крупных водоемов. Тела воды делают лето прохладнее, а зимой теплее из-за медленного нагрева и охлаждения воды. Эта термоумеренность создает более стабильные условия по сравнению с внутренними районами на аналогичных широтах.

Взаимодействие между сушей и морем создает уникальные ветровые модели, в том числе морские бризы в течение дня (когда более прохладный воздух из океана перемещается внутри страны, чтобы заменить поднимающийся теплый воздух над сушей) и сухопутные бризы ночью (когда картина меняется). Эти ветровые модели могут транспортировать влагу и умеренные температуры на несколько километров внутри страны.

Прибрежная растительность часто приспосабливается к этим специфическим микроклиматическим условиям, при этом в зоне распыления процветают солеустойчивые виды и влаголюбивые растения, получающие выгоду от более высокой влажности.Туман, который часто образуется вдоль береговых линий, создает дополнительные микроклиматические вариации, обеспечивая влагу растениям даже в засушливые сезоны.

Горный и поднятый микроклимат

Единственный наиболее важный микроклимат обеспечивается горами, которые предлагают максимальные изменения относительно общих климатических переменных.Горы создают драматические микроклиматические изменения через множество механизмов, включая изменения температуры, связанные с возвышением, орографические модели осадков и различия, связанные с аспектом солнечного излучения.

Температура обычно снижается с повышением примерно от 3,5 до 6,5 градусов Цельсия на 1000 метров прироста высоты. Это создает различные температурные зоны на склонах гор, каждый из которых поддерживает различные сообщества растительности и виды дикой природы. Гора может эффективно сжимать несколько климатических зон в относительно небольшой географической области.

Наветренные стороны гор часто получают значительно больше осадков, чем подветренные стороны, создавая влажные и сухие микроклиматы на противоположных склонах.Этот эффект дождевой тени может привести к пышным лесам с одной стороны горного хребта и засушливым условиям с другой, иногда в пределах нескольких километров.

Лесной навес Microlimates

Ключевой характеристикой лесных микроклиматов является то, что экстремальные температуры снижаются ниже навесов по сравнению с условиями свободного воздуха вне лесов, что приводит к эффекту буферизации микроклимата. Это буферизация создает стабильные условия, которые поддерживают разнообразные подлесистые сообщества.

Широколистные и несосновые хвойные леса смягчали дневный микроклимат примерно в два раза больше, чем сосновые леса, в то время как в ночное время значительно меньше охлаждения и даже негативного воздействия на уровни относительной влажности по сравнению с открытой площадью были зарегистрированы на участках сосновых лесов, при этом смягчающая способность была сильнее на низкой высоте, чем на большой высоте.

Топография и структура растительности были сильными предикторами местного микроклимата, с возвышением и кривизной местности, главным образом ограничивающей суточную среднюю температуру и дефицит давления пара, тогда как высота навеса имела явное угасающее влияние на экстремальные условия микроклимата, с этим буферным эффектом, особенно выраженным на склонах, подверженных воздействию ветра, но склонных насыщать, когда высота навеса превысила 20 м.

Лесной подлесок испытывает пониженные уровни света, более низкие максимальные температуры, более высокие минимальные температуры, повышенную влажность и уменьшенные скорости ветра по сравнению с открытыми участками, эти условия создают специализированные места обитания для теневых растений, влагозависимых организмов и видов, чувствительных к экстремальным температурам.

Сад и сельскохозяйственный микроклимат

Сады и сельскохозяйственные поля содержат многочисленные микроклиматы, которые могут быть намеренно созданы или естественным образом.Если у вас есть каменная стена, идущая с востока на запад, и ваш преобладающий ветер севернее, южная сторона этой стены является идеальным микроклиматическим пространством, где температура может быть на 10 ° F теплее, чем всего в 10 или 15 футах, и наклон большого куска стекла против южной стороны этой стены может создать еще более теплый микроклимат, где вы можете начать помидоры или перец неделей или двумя ранее.

Склоны, обращенные к югу, получают больше прямых солнечных лучей и быстрее нагреваются весной, что делает их идеальными для теплолюбивых культур, таких как сквош и перец, в то время как склоны, обращенные к северу, остаются более прохладными и дольше сохраняют влагу, что делает их хорошо подходящими для листовой зелени и многолетников, которые предпочитают более прохладные условия.

Понимание и манипулирование микроклиматами сада позволяет садоводам продлить вегетационные периоды, выращивать растения за пределами их типичных зон выносливости и оптимизировать условия выращивания для различных культур. Методы включают использование мульч для умеренной температуры почвы, создание ветровых ветров для защиты чувствительных растений и размещение теплолюбивых растений вблизи южных стен или других теплопоглощающих структур.

Наука, стоящая за формированием микроклимата

Понимание физических процессов, создающих микроклимат, требует изучения энергетического баланса, механизмов теплопередачи и взаимодействия между поверхностями и атмосферой. Эти процессы работают в локальных масштабах, но следуют тем же фундаментальным принципам, которые управляют климатом в больших масштабах.

Энергетический баланс и теплопередача

Микроклимат любого места в корне определяется его энергетическим балансом — соотношением между поступающей солнечной радиацией и исходящей энергией в различных формах. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, может отражаться, поглощаться или передаваться. Доля каждого зависит от свойств поверхности, таких как цвет, текстура и содержание влаги.

Альбедо относится к количеству энергии, которая отражается от поверхности, причем городские районы часто имеют более темные поверхности, чем окружающие их сельские районы, а более темные поверхности имеют низкое альбедо (они не отражают много энергии), что приводит к поглощению энергии и разогреванию городской среды.

Поглощенная солнечная энергия нагревает поверхность, которая затем передает тепло в атмосферу через три основных механизма: проводимость (прямой теплообмен через контакт), конвекция (передача тепла через движение воздуха) и излучение (излучение инфракрасной энергии).Относительная важность каждого механизма варьируется в зависимости от свойств поверхности, атмосферных условий и времени суток.

Эвапотранспирация представляет собой еще один критический компонент энергетического баланса. Когда вода испаряется из почвы или поступает из листьев растений, она потребляет энергию (скрытое тепло), которая оказывает охлаждающее воздействие на поверхность и окружающий воздух. Этот процесс особенно важен в растительной области и помогает объяснить, почему леса и луга обычно имеют более холодные микроклиматы, чем голая почва или асфальтированные поверхности.

Роль влажности и влажности

Испарение из нашей кожи в воздух возможно только в том случае, если воздух еще не полностью насыщен влагой, а испарение также замедляет более высокую степень насыщения, что именно и говорит нам относительная влажность, при 100% влажности воздух полностью насыщен, а вода больше не испаряется из нашей кожи (или где-либо еще), что делает этот механизм охлаждения невозможным.

Влажность влияет не только на комфорт человека, но и на физиологию растений, развитие болезней и различные экологические процессы. Высокая влажность снижает скорость транспирации с растений, что может повлиять на их способность охлаждать себя и транспортировать питательные вещества. Она также создает благоприятные условия для многих грибковых патогенов и может влиять на активность насекомых.

Связь между температурой и влажностью сложна. Теплый воздух может удерживать больше влаги, чем холодный воздух, поэтому относительная влажность часто увеличивается ночью по мере падения температуры, даже если абсолютное количество водяного пара в воздухе остается постоянным. Эта связь создает суточные закономерности влажности, которые способствуют изменению микроклимата.

Ветровые шаблоны и движение воздуха

Скорость ветра является основным фактором влияния, в основном определяющим, как быстро наше тело достигнет температуры воздуха, если не будет никаких других факторов, таких как излучение и испарение, и поскольку температура воздуха ниже температуры нашего тела в большинстве случаев, есть охлаждающий эффект, если ветер сильнее, поскольку больше относительно прохладных частиц воздуха вступают в контакт с нашим телом.

Ветер влияет на микроклиматы, передавая тепло и влагу, влияя на скорость испарения и определяя, как быстро смешиваются воздушные массы. Убежища с пониженной скоростью ветра часто испытывают более высокие температурные экстремумы - теплее днем и прохладнее ночью - по сравнению с более ветреными местами, где смешивание воздуха уменьшает колебания температуры.

Топография и сооружения создают сложные ветровые структуры в микромасштабе. Здания могут создавать ветровые туннели, которые ускоряют воздушный поток в некоторых районах, создавая спокойные карманы в других. Долины могут направлять ветры, в то время как хребты и вершины холмов испытывают более сильные, более устойчивые ветры, чем окружающие низменности.

Микроклимат и сельское хозяйство

Важными приложениями знаний о микроклимате являются сельское хозяйство и микроклиматическая инженерия, воздействие изменения климата, планирование лесовосстановления и управление энергией. Сельское хозяйство представляет собой одно из наиболее значимых практических применений понимания микроклимата, поскольку рост урожая и производительность тесно связаны с местными условиями окружающей среды.

Выбор и размещение урожая

На рост и урожайность сельскохозяйственных культур сильно влияют локализованные условия, такие как температура, влага и стресс растений, с управлением микроклиматом, включающим изменение условий к тем, которые оптимизированы для роста и урожайности сельскохозяйственных культур, таким как практика орошения, затенения, ветровых ветров и управления растительностью, которые могут помочь буферизировать культуры от экстремальных условий окружающей среды, таких как жара и засуха.

Фермеры и садоводы могут оптимизировать производство, сопоставляя культуры с конкретными микроклиматами, доступными на их земле. Теплолюбивые культуры, такие как помидоры, перец и дыни, лучше всего работают в теплых микроклиматах с максимальным воздействием солнца, в то время как культуры прохладного сезона, такие как салат, шпинат и горох, процветают в более холодных, более теневых местах.

Понимание морозных карманов — низменных областей, где накапливается холодный воздух, — имеет решающее значение для защиты чувствительных культур. Например, фруктовые деревья, как правило, следует высаживать на склонах, а не в долинах, чтобы избежать позднего весеннего мороза, который может повредить цветы и снизить урожайность.

Техника продления сезона

Микроклиматические манипуляции позволяют фермерам и садоводам продлить вегетационные периоды за пределы того, что обычно возможно в их регионе. Методы продления сезона позволяют сеять семена рано и запускать растения, пока еще слишком холодно, чтобы выращивать их на улице, выращивать растения, которые обычно не хорошо себя чувствуют в вашем климате, держать урожай в более позднем сезоне, часто в течение нескольких месяцев после того, как они погибли бы в зимних заморозках, и значительно и быстро увеличивать урожайность за счет этих действий.

Теплицы представляют собой окончательный микроклиматический контроль, позволяющий полностью манипулировать температурой, влажностью и уровнем освещенности.Однако более простые методы также могут быть эффективными.Холодные рамы, крышки рядов и сплетения создают более теплые микроклиматы, которые защищают растения от заморозков и продлевают вегетационный период на несколько недель или даже месяцев.

Мулчирование создает благоприятные микроклиматы почвы за счет замедления колебаний температуры, удержания влаги и подавления сорняков.Мульчи темного цвета поглощают солнечное излучение и нагревают почву, что выгодно для теплолюбивых культур в холодном климате.Мульчи светлого цвета отражают излучение и сохраняют почву более прохладной, полезной для культур прохладного сезона в теплом климате.

Управление водными ресурсами и ирригация

Ирригация влияет на микроклиматы за счет увеличения влажности почвы и влажности при обеспечении испарительного охлаждения. Сроки, метод и количество ирригации могут быть оптимизированы на основе условий микроклимата. Районы с естественной более высокой влажностью могут требовать менее частого орошения, в то время как горячие, сухие микроклиматы могут нуждаться в более интенсивном управлении водой.

Применение мульчи в сочетании с теневой сеткой поддерживало высокие урожаи качественных персиков при значительном сокращении потребности в орошении, при этом затенение древесного полога уменьшало транспирацию, в то время как мульча уменьшала испарение, как повышая влажность под покровом, так и поддерживая уровень влажности почвы.

Капельное орошение и другие методы точного полива могут быть адаптированы к конкретным микроклиматам в поле или саду, обеспечивая воду там и тогда, когда это необходимо наиболее эффективно. Этот подход сохраняет воду при оптимизации условий выращивания для различных культур или районов.

Микроклимат в городском планировании и дизайне

По мере роста городского населения понимание и управление городскими микроклиматами становится все более важным для создания пригодных для жизни, устойчивых городов. Градостроители и дизайнеры могут использовать принципы микроклимата для улучшения теплового комфорта, снижения потребления энергии и повышения качества жизни жителей города.

Смягчение последствий для городских тепловых островов

Хотя эти вопросы остаются открытыми, хорошая новость заключается в том, что решение проблем тепловых островов может реально достичь снижения температуры в городах с температурой в несколько градусов по Цельсию, и хотя отдельные населенные пункты часто не имеют возможности оказать существенное влияние на глобальное повышение температуры, вызванное изменением климата, они имеют возможность смягчить более высокие температуры, вызванные городскими тепловыми островами, при этом смягчение городских тепловых островов является относительно достижимым, поскольку это требует односторонних действий отдельных городов для изменения решений по городскому дизайну.

Посадка деревьев, особенно вдоль мощеных улиц, представляет собой одну из наиболее эффективных стратегий охлаждения городских микроклиматов. Деревья и растения могут помочь снизить пиковые летние температуры на 2-9°F в городских районах. Деревья обеспечивают тень, уменьшая количество солнечного излучения, поглощаемого тротуаром и зданиями, а также охлаждают воздух посредством испарения.

Холодные тротуары являются альтернативой обычным бетонным или асфальтовым тротуарам и дорогам, которые могут достигать пиковых летних температур 120-150°F и излучать это тепло, способствующее эффекту ночного городского теплового острова, с прохладными тротуарами, отражающими и / или проницаемыми материалами, которые помогают снизить температуру поверхности.

Зеленые крыши и зеленые стены добавляют растительности в здания, обеспечивая изоляцию, уменьшая стоки ливневых вод и создавая более прохладные микроклиматы.Эти особенности могут значительно снизить потребление энергии здания при одновременном улучшении качества воздуха и обеспечении среды обитания для городской дикой природы.

Дизайн здания и ориентация

Форма и высота зданий могут влиять на воздушный поток, при этом размеры и размеры зданий влияют на то, как воздух перемещается по городу в течение дня, играя большую роль в улавливании или рассеивании тепла. Стратегическое размещение и дизайн зданий могут улучшить естественную вентиляцию, уменьшить накопление тепла и создать более удобные открытые пространства.

Ориентация здания влияет на увеличение солнечного тепла и естественное освещение. В Северном полушарии стены, обращенные на юг, получают наиболее прямой солнечный свет, что может быть полезно в холодном климате, но проблематично в жарком климате. Стены, обращенные на восток и запад, испытывают интенсивное утреннее и дневное солнце, соответственно, что может привести к перегреву.

Расстояние между зданиями влияет на характер ветра и тени. Узкие улицы с высокими зданиями создают городские каньоны, которые могут улавливать тепло, но также обеспечивают тень. Более широкие улицы позволяют больше солнечного света, но могут испытывать более сильные ветры. Баланс этих факторов требует тщательного рассмотрения местных климатических условий и желаемых результатов.

Парки и зеленые пространства

Парки, открытые земли и водоемы могут создавать более прохладные зоны в пределах города. Городские парки служат прохладными островами в пределах более широкого городского теплового острова, обеспечивая тепловое облегчение для близлежащих жителей и рабочих. Эффект охлаждения парков может выходить за их границы, влияя на температуры в окружающих районах.

Размер, форма и состав растительности парков влияют на их микроклиматическое воздействие. Большие парки со зрелыми деревьями обеспечивают более существенное охлаждение, чем небольшие парки с ограниченной растительностью. Парки с водными особенностями - прудами, фонтанами или ручьями - создают дополнительное охлаждение за счет испарения.

В городском планировании понимание микроклиматов имеет важное значение для создания устойчивых и комфортных жилых помещений, с включением зеленых насаждений, оптимизацией ориентации зданий и использованием отражающих материалов, способных смягчить воздействие городских тепловых островов и повысить общую пригодность для жизни.

Микроклиматы и сохранение биоразнообразия

Микроклиматические условия играют важную роль в определении пригодности среды обитания для видов животных, при этом выживаемость видов, поведение и модели миграции зависят от изменений температуры, влажности и вегетативного укрытия, и в результате микроклиматы являются важным фактором в формировании экологических сообществ и биоразнообразия.

Микрорефугии и адаптации к изменению климата

Микроклиматическая неоднородность сильно буферизировала виды против региональных истреблений, связанных с недавним изменением климата, при этом потери населения по всей Англии сократились в районах, где топография вызвала большую изменчивость микроклимата. Эти микрорефугии - небольшие районы с благоприятными микроклиматами - могут позволить видам сохраняться даже в условиях, когда региональный климат становится менее подходящим.

Рефугии и перетасовки между микроклиматами могут часто буферизировать виды и сообщества от последствий регионального изменения климата и вызывать неожиданные реакции видов, а потенциальное сдерживающее воздействие микроклиматов может сделать их эффективным средством сохранения биоразнообразия в некоторых районах.

Стратегии сохранения, которые защищают районы с высоким микроклиматическим разнообразием, могут быть более эффективными в сохранении биоразнообразия в условиях изменения климата, чем стратегии, ориентированные исключительно на текущее распределение видов.Имитация защиты 10 самых холодных микроклиматов (9% мест на ландшафте) приводит к 100%-ной вероятности сохранения всех очаговых таксонов в будущем, в то время как защита 10 в настоящее время наиболее биоразнообразных мест, обычно используемая стратегия сохранения, приводит к 3%-ной вероятности сохранения всех очаговых таксонов в будущем, предполагая, что мы должны учитывать микроклиматы, если мы надеемся понять будущие последствия изменения климата и разработать эффективные стратегии сохранения для ограничения потери биоразнообразия.

Неоднородность среды обитания и разнообразие видов

Сложности микроклимата необходимы для существования различных форм жизни, потому что, хотя любой отдельный вид может переносить только ограниченный диапазон климата, сильно контрастирующие микроклиматы в непосредственной близости обеспечивают общую среду, которая может поддерживать различные сообщества.

Топографическая изменчивость создает разнообразие микроклимата, которое поддерживает более высокое богатство видов. Склоны, вершины хребтов и долины, обращенные к северу и югу, а также районы с различной влажностью почвы обеспечивают различные микроклиматические условия, которые могут поддерживать различные виды сборок. Эта неоднородность среды обитания особенно важна в горных районах и других топографически сложных ландшафтах.

Исследователи нагорья обнаружили прочные связи между распределением некоторых растительных ассоциаций и различными микроклиматическими факторами, такими как влажность почвы, температура воздуха и влажность. Понимание этих связей помогает экологам прогнозировать, как распределение видов может измениться в условиях изменения климата и определять области, которые могут служить рефугией.

Управление лесами и восстановление

Экологический ущерб, вызванный природными и антропогенными нарушениями, может быть смягчен путем понимания микроклимата, при этом условия микроклимата, такие как тень, влага и температура, влияют на выживание саженцев, рост и восстановление экосистемы, и эти локализованные условия окружающей среды могут улучшить успех усилий по лесовосстановлению и восстановлению окружающей среды.

Практика лесопользования влияет на подземные микроклиматы, которые, в свою очередь, влияют на успех регенерации, подземные растительные сообщества и среду обитания диких животных.Селективные рубки, которые поддерживают покров навеса, могут сохранить благоприятные микроклиматы для устойчивых к тени видов, в то время как прозрачные рубки создают резко разные микроклиматические условия, которые благоприятствуют солнцелюбивым, адаптированным к помехам видам.

Линейные модели для наблюдаемого диапазона данных предсказывали увеличение средней температуры почвы в вегетационный период на 2,0 ° C с уменьшением высоты навеса каждые 10 м, со слабой отрицательной связью между высотой навеса и средней влажностью почвы в вегетационный период, а высота навеса, суммируемая при умеренном разрешении (15 м), лучше объясняет различия в температуре в нарушенных ландшафтах.

Микроклимат и изменение климата

Условия микроклимата могут изменить выживание видов, миграцию и стабильность экологических систем, при этом человеческая деятельность, такая как землепользование и городское развитие, способна дополнительно влиять на экологические реакции микроклимата, формируя, как изменение климата влияет на окружающую среду, а городские тепловые острова являются прямым примером того, как влияние человека может усиливать условия, которые влияют на изменение климата в районе, коррелируя с воздействием на окружающую среду и общество.

Борьба с экстремальными климатическими условиями

Местный климат может стать мощным рубежом в сглаживании последствий глобального изменения климата и создании более устойчивых местных экосистем, при этом хорошее управление местным климатом может снизить местные температуры на 1,5-2 градуса Цельсия, и таким образом, местное управление климатом может служить буфером против прогнозируемого повышения температуры на 1,5 градуса Цельсия в ближайшие десятилетия.

В настоящее время имеются широко распространенные свидетельства того, что растительность изменяет микроклиматические температуры в каждой экосистеме на Земле. Эта буферная способность становится все более важной по мере повышения глобальной температуры и более частых и тяжелых экстремальных погодных явлений.

По мере того, как изменение климата увеличивает частоту и интенсивность экстремальных температур, управление микроклиматом будет играть важную роль в управлении сельским хозяйством. Фермеры могут использовать микроклиматические манипуляции для защиты сельскохозяйственных культур от теплового стресса, засухи и других проблем, связанных с климатом.

Природные климатические решения

Хотя технологические решения для потепления и сушки являются одной из основных областей, вызывающих озабоченность в области политики, экологи предложили природные климатические решения или «природные решения» в качестве готового подхода к смягчению будущих последствий изменения климата, с природными решениями, включая стратегии восстановления, сохранения и другого землепользования, которые могут быть применены для увеличения улавливания углерода для смягчения будущего глобального потепления, и в то время как большинство природных решений сосредоточены на улавливании углерода, растительность также может использоваться в качестве природного решения для непосредственного смягчения потепления и атмосферной сушки.

Эта перспектива изменения местного энергетического баланса путем повышения уровня влажности почвы и растительности показывает, как можно управлять местным климатом, с этой концепцией управления микроклиматом, подчеркивающей возможность для людей напрямую изменять свою непосредственную окружающую среду и создавать буфер против глобального изменения климата, и, делая это, эта перспектива представляет собой многообещающий третий способ борьбы с изменением климата рядом с смягчением последствий и адаптацией.

Проекты по лесовосстановлению и облесению не только секвестрируют углерод, но и создают более прохладные, более влажные микроклиматы, которые могут принести пользу окружающим районам. Инициативы по озеленению городов обеспечивают аналогичные преимущества в городах, уменьшая эффекты тепловых островов, улучшая качество воздуха и предоставляя возможности для отдыха.

Мониторинг и прогнозирование

Мониторинг окружающей среды представляет собой систематический сбор данных с течением времени для понимания условий и обнаружения изменений, при этом постоянный мониторинг микроклимата с течением времени позволяет исследователям наблюдать ежедневные и сезонные колебания, что показывает, как микроклиматы реагируют на изменения условий окружающей среды.

Поскольку микроклиматы представляют собой гиперлокальные системы, для получения точных результатов необходимы научные инструменты и передовые методы, учитывающие физику теплопередачи и измерения температуры воздуха в микроклимате. Современные сенсорные сети, технологии дистанционного зондирования и подходы к моделированию улучшают нашу способность картировать и прогнозировать условия микроклимата в тонких пространственных масштабах.

Понимание того, как микроклиматы будут реагировать на будущие изменения климата, имеет решающее значение для планирования сохранения, адаптации сельского хозяйства и городского дизайна. Климатические модели, которые включают процессы микроклимата, могут обеспечить более точные прогнозы местных воздействий и помочь определить районы, которые могут служить в качестве рефугии или испытывать самые серьезные изменения.

Практические применения и стратегии управления

Изучение микроклиматов дает важную информацию в различных областях науки и прикладных наук, помогая исследователям понять, как локализованные условия окружающей среды влияют как на природные, так и на созданные человеком системы. Эти знания могут быть применены в многочисленных практических контекстах для улучшения результатов в сельском хозяйстве, сохранении, городском планировании и других областях.

Оценка сайта и картирование

Первым шагом в управлении микроклиматом является понимание того, какие микроклиматы существуют на конкретном участке. Для этого требуется систематическое наблюдение и измерение температуры, влажности, ветра и других соответствующих переменных по всему ландшафту. Простые методы включают в себя указание, где мороз образуется впервые осенью, где снег тает первым весной и какие области остаются влажными или сухими дольше всего после дождя.

Более сложные подходы используют датчики температуры и влажности, размещенные в нескольких местах, для создания подробных карт микроклимата. Эти карты могут выявить закономерности, которые не сразу очевидны, и помочь определить оптимальные местоположения для различных видов использования.

Топографический анализ с использованием цифровых моделей возвышения может предсказать микроклиматические модели на основе склона, аспекта и возвышения.Модели солнечного излучения могут оценить, сколько солнечного света получают различные области в течение года, что учитывает затенение от местности и растительности.

Создание и изменение микроклиматов

Понимание и работа с микроклиматами на вашей собственности и в вашем саду предлагает ряд преимуществ, с использованием принципов дизайна пермакультуры, чтобы влиять на эти микроклиматы, способные увеличить урожайность, расширить разнообразие растений, которые вы можете выращивать, и продлить вегетационный период.

Ветровые ветры — розетки деревьев или кустарников, посаженные перпендикулярно преобладающим ветрам — создают защищенные микроклиматы, которые могут увеличить в несколько раз высоту ветра, который может привести к снижению скорости ветра, меньшему испарению и более стабильным температурам, что приносит пользу как культурам, так и животноводству.

Использование тепловой массы в микроклимате может помочь сэкономить на расходах как на отопление, так и на охлаждение, потому что любой источник тепловой массы, от камней и прудов до бочек с водой и поднятых кроватей, поглощает тепло от солнца в течение дня и высвобождает его в течение ночи, с каменными стенами и водными особенностями, полезными для умеренных температур для ландшафтных насаждений, а в домах или садах поднятые кровати и горшки могут быть значительно теплее, чем в наземных насаждениях.

Тень структуры - будь то натуральные (деревья) или искусственные (теневая ткань, перголы) - создать более прохладные микроклиматы, которые могут защитить теплочувствительные растения, обеспечить удобные открытые пространства и снизить затраты на охлаждение для зданий. количество и сроки тени могут быть отрегулированы путем выбора лиственных по сравнению с вечнозелеными растениями или регулируемые тени структуры.

Адаптивное управление

Микроклиматические условия меняются с течением времени в связи с ростом растительности, изменениями в землепользовании и изменчивостью климата.Эффективное управление микроклиматом требует постоянного мониторинга и корректировки стратегий на основе наблюдаемых результатов.

По мере роста деревьев они создают больше тени и изменяют характер ветра, изменяя микроклиматы под ними и вокруг них. Сады и ландшафты должны быть спроектированы с учетом этих изменений, предвидя, как условия будут развиваться по мере созревания растительности.

Изменение климата меняет исходные условия, потенциально делая некоторые традиционные стратегии управления микроклиматом менее эффективными, создавая возможности для новых подходов. Адаптивное управление, которое реагирует на изменяющиеся условия, будет иметь важное значение для поддержания желаемых результатов.

Глобальные примеры значительных микроклиматов

Во всем мире отличительные микроклиматы создают уникальные среды, которые поддерживают специализированные экосистемы, обеспечивают необычное сельскохозяйственное производство или представляют особые проблемы для человеческих сообществ.

Известные региональные микроклиматы

Ницца (Nice) район Франкфурт-на-Майне, Германия - небольшая область на северном берегу реки Майн, где ветровое укрытие и солнечный свет, отраженный от реки, производят средиземноморский климат и поддерживают один из крупнейших садов южных европейских растений к северу от Альп.

Амман, Иордания, имеет экстремальные примеры микроклимата, и почти в каждом районе есть своя собственная погода, с некоторыми районами, такими как северные и западные пригороды, среди самых холодных в городе, и могут испытывать мороз или снег, в то время как другие более теплые районы, такие как центр города, могут быть при гораздо более высоких температурах одновременно.

Сидней, Австралия, имеет микроклимат, происходящий заметно в теплые месяцы, с внутренним, в западных пригородах Сиднея, климат более сухой и значительно более жаркий с температурой обычно около 3-7 ° C (5-13 ° F) выше Сиднея CBD. Этот температурный градиент создает различные климатические зоны в столичном районе.

Сельскохозяйственный микроклимат

Сорана, коммуна в итальянской долине Пешиа, имеет микроклимат, который считается идеальным для выращивания бобов Сораны. Этот специализированный микроклимат позволяет производить уникальный сельскохозяйственный продукт, который получил защищенное обозначение статуса происхождения.

Винодельческие регионы во всем мире зависят от конкретных микроклиматов, которые обеспечивают оптимальные условия для различных сортов винограда. Такие факторы, как уклон, близость к водоемам и высота, создают тонкие колебания температуры и влажности, которые влияют на характеристики и качество вина.

Производство кофе также зависит от микроклиматических условий, при этом лучший кофе часто выращивается в горных районах, где высота, облачный покров и диапазоны температур создают идеальные условия для выращивания. Понимание и управление этими микроклиматами имеет важное значение для поддержания качества кофе и адаптации к изменению климата.

Будущие направления в исследованиях и применении микроклимата

По мере развития технологий и углубления нашего понимания климатических систем появляются новые возможности для более эффективного изучения и управления микроклиматами.

Технологические достижения

Недавние технологические достижения в области мониторинга температуры значительно расширили наше понимание тепловых островов и их последствий распределения, причем традиционно городские тепловые острова измеряются путем измерения разницы температур между центром города и окружающими сельскими районами, как измерено наземными температурными мониторами, но в последние несколько десятилетий спутниковые измерения температуры воздуха позволили непрерывно отображать эффект теплового острова в городских ландшафтах, а в последнее время распределенные сети мониторинга и общественная наука позволили еще более подробно отображать.

Достижения в области дистанционного зондирования, включая тепловизионные данные со спутников и беспилотников, позволяют составлять карты температуры поверхности и условий растительности с беспрецедентным пространственным и временным разрешением. Эти технологии могут идентифицировать микроклиматические модели на больших площадях и отслеживать изменения с течением времени.

Сети датчиков с низкой стоимостью и инициативы в области гражданской науки демократизируют мониторинг микроклимата, позволяя общинам, фермерам и садоводам собирать подробные местные данные. Этот подход на низовом уровне дополняет профессиональные исследования и предоставляет ценную информацию для принятия решений на местном уровне.

Моделирование и прогнозирование

Сложные компьютерные модели теперь могут имитировать условия микроклимата на основе топографии, растительности, зданий и других факторов. Эти модели помогают предсказать, как предлагаемые изменения, такие как новое развитие, посадка деревьев или изменение климата, будут влиять на местные условия.

Подходы машинного обучения и искусственного интеллекта применяются к прогнозированию микроклимата, используя большие наборы данных для выявления закономерностей и отношений, которые могут быть не очевидны с помощью традиционного анализа. Эти инструменты могут помочь оптимизировать стратегии управления микроклиматом и прогнозировать будущие условия при различных сценариях.

Интеграция с планированием и политикой

Включение соображений микроклимата в рамки планирования и политики представляет собой важный рубеж для повышения пригодности для жизни в городах, устойчивости сельского хозяйства и эффективности сохранения. Строительные кодексы могут потребовать рассмотрения воздействия микроклимата, правила зонирования могут защитить важные микроклиматические особенности, а планы сохранения могут отдавать приоритет районам с высоким разнообразием микроклимата.

В стратегиях адаптации к изменению климата все чаще признается важность управления микроклиматом. Зеленая инфраструктура, городские леса и другие природные решения, создающие благоприятные микроклиматы, интегрируются в планы действий по изменению климата на местном, региональном и национальном уровнях.

Вывод: Важность мышления в малом

Микроклиматы демонстрируют, что климат действует в нескольких масштабах одновременно, при этом местные условия часто существенно отличаются от региональных. Понимание этих небольших вариаций имеет важное значение для решения многих наиболее насущных проблем, с которыми мы сталкиваемся, от питания растущего населения до сохранения биоразнообразия и создания пригодных для жизни городов в условиях потепления.

Формирование микроклиматов является результатом сложных взаимодействий между топографией, растительностью, водой, почвой и инфраструктурой человека. Эти факторы создают мозаику условий окружающей среды в каждом ландшафте, от самого маленького сада до самой большой столичной области. Понимая, как эти факторы взаимодействуют, мы можем лучше предсказать, где будут формироваться микроклиматы и как они будут вести себя.

Практическое применение знаний о микроклимате обширно и растет. Фермеры могут оптимизировать размещение сельскохозяйственных культур и продлить вегетационные сезоны. Градостроители могут проектировать более прохладные, более комфортные города. Биологи-охранники могут идентифицировать рефугии, которые помогут видам выжить в условиях изменения климата. Садоводы могут выращивать растения за пределами своего типичного ареала. Все эти приложения зависят от понимания и работы с микроклиматами, а не против них.

По мере ускорения процесса изменения климата буферная способность микроклиматов становится все более ценной. Районы с разнообразными микроклиматами могут быть более устойчивыми к изменению климата, обеспечивая рефугию для видов и возможности для адаптации. Управление микроклиматами для повышения этой буферной способности представляет собой практический, доступный подход к адаптации к климату, который может быть реализован в местных масштабах.

Изучение микроклиматов напоминает нам о том, что глобальные процессы проявляются на местном уровне сложными и разнообразными способами. Хотя мы должны решать проблему изменения климата в глобальном масштабе посредством сокращения выбросов и других стратегий смягчения последствий, мы также можем принимать меры в местном масштабе путем понимания и управления микроклиматами в наших общинах, фермах, садах и природных районах. Эти местные действия, умноженные на миллионы объектов по всему миру, могут внести значительный вклад в адаптацию к изменению климата и устойчивость.

Заглядывая вперед, продолжающиеся исследования процессов микроклимата, улучшенные технологии мониторинга и лучшая интеграция соображений микроклимата в планирование и управление улучшат нашу способность создавать устойчивые, устойчивые ландшафты. Независимо от того, проектируем ли мы сад, планируем ли мы город, управляем ли лесом или сохраняем биоразнообразие, понимание микроклиматов дает важные идеи, которые могут улучшить результаты и помочь нам адаптироваться к неопределенному будущему.

Для получения дополнительной информации по связанным темам изучите ресурсы из Программы по теплому острову Агентства по охране окружающей среды США , инициатив по адаптации к изменению климата , а также Межправительственной группы экспертов по изменению климата по климатическим воздействиям и стратегиям адаптации.