Микроклиматы относятся к локализованным атмосферным условиям, которые значительно отличаются от окружающего регионального климата. Эти небольшие изменения климата могут проявляться в таких ограниченных районах, как один городской квартал, склон холма или даже небольшой парк, и возникают из-за сложного взаимодействия местных физических и антропогенных факторов. Понимание микроклиматов имеет решающее значение для широкого спектра областей, включая сельское хозяйство, экологию, городское планирование, общественное здравоохранение и управление окружающей средой. Среди наиболее влиятельных факторов, формирующих микроклимат, являются физическая форма земли - ее топография - и модификация ландшафта посредством человеческой деятельности, особенно урбанизации. Взаимодействие между этими природными и антропогенными особенностями создает различные экологические условия, которые влияют на температуру, ветровые модели, влажность и распределение осадков. Эта статья рассматривает, как топография и урбанизация индивидуально и коллективно влияют на микроклиматы, и исследует практические последствия для проектирования более комфортных, устойчивых и устойчивых сообществ.

Влияние топографии на микроклиматы

Топография охватывает трехмерное расположение поверхности Земли, включая возвышение, угол наклона, аспект (направление, обращенное к склону), и наличие рельефов, таких как долины, хребты, бассейны и плато. Эти физические особенности глубоко влияют на распределение солнечной радиации, воздушного потока, влаги и температуры, тем самым создавая различные микроклиматические зоны в относительно небольших географических районах. Понимание этих эффектов имеет основополагающее значение для прогнозирования местных климатических изменений и эффективного управления природными ресурсами.

Температурные и температурные промахи

Повышение является одним из самых прямых топографических элементов управления климатом. По мере увеличения высоты атмосферное давление уменьшается, в результате чего воздух расширяется и охлаждается. Это приводит к снижению температуры воздуха с повышением, известным как скорость провисания окружающей среды, которая в среднем составляет около 6,5 ° C на 1000 метров (3,6 ° F на 1000 футов) в тропосфере. Например, горный склон всего на 500 метров выше, чем прилегающая долина, может испытывать температуры более 3 ° C.

Однако эта скорость провала не постоянна и может значительно варьироваться в зависимости от влажности, атмосферных условий и местной топографии.Например, влажный воздух охлаждается медленнее с возвышением из-за скрытого выделения тепла во время конденсации, что приводит к более низкой скорости влажного адиабатического провала.Кроме того, более высокие возвышения обычно подвержены более сильным ветрам, более низкому атмосферному давлению и уменьшенному растительному покрову, все из которых дополнительно изменяют микроклимат.Линия деревьев в горных районах иллюстрирует этот эффект, отмечая высоту, за которой холодные температуры и короткий вегетационный период препятствуют росту деревьев.

Аспект слоупа и солнечное излучение

Ориентация склона относительно солнца, называемая его аспектом, является критическим детерминантом получаемого солнечного излучения, которое в свою очередь влияет на температуру, влажность почвы и растительность.В Северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше прямых солнечных лучей в течение года, что приводит к более теплым, более сухим условиям по сравнению с склонами, обращенными на север, которые затенены и имеют тенденцию удерживать больше влаги.Этот контраст может создать резкие различия в сообществах растений, развитии почвы и времени таяния снега.

Более того, крутизна склона усиливает эти эффекты. Степные склоны, наклоненные к солнцу, могут поглощать более интенсивное солнечное излучение, повышая температуру поверхности, в то время как затененные склоны могут оставаться более холодными и влажными в течение более длительных периодов. В Южном полушарии эти отношения обратны, с северными склонами, получающими больше солнечной энергии. Эти микроклиматические изменения влияют на сельскохозяйственные практики, такие как выбор типов сельскохозяйственных культур, подходящих для более теплых или более холодных склонов, и руководство лесопользованием на основе температур и предпочтений влаги видов.

Инверсии долины и холодный дренаж воздуха

Долины и бассейны особенно подвержены уникальным микроклиматическим явлениям, таким как объединение холодного воздуха и инверсии температуры. В ясные, спокойные ночи земля быстро теряет тепло через радиационное охлаждение. Поскольку холодный воздух плотнее, он течет вниз по склону под действием силы тяжести, накапливаясь в долинах - процесс, известный как дренаж холодного воздуха. Это приводит к инверсиям температуры, где температура увеличивается с высотой, а не уменьшается, как обычно.

Такие инверсии могут привести к тому, что дно долины будет на несколько градусов холоднее, чем окружающие склоны в течение длительных периодов, иногда длящихся дней при стабильных атмосферных условиях. Эти холодные бассейны создают морозные карманы, которые создают риски для чувствительных культур и растительности. И наоборот, вершины холмов и хребты остаются относительно теплее ночью из-за лучшей циркуляции воздуха и воздействия ветра. Кроме того, долины могут улавливать загрязняющие вещества и туман под слоями инверсии, отрицательно влияя на качество воздуха. Признание этих закономерностей жизненно важно для сельского хозяйства, лесного хозяйства и городского развития в долинных регионах.

Топографический ветровой канализации и укрытия

Топографические особенности также оказывают глубокое влияние на местные ветровые узоры.Ридджес, холмы и горные хребты могут выступать в качестве физических барьеров, создавая защищенные зоны на подветренных сторонах, где скорость ветра снижается.Наоборот, горные перевалы, седла и долины могут воронить и ускорять ветры, производя устойчивые локализованные ветры, известные как ветры зазора или ветры долины.

Суточные ветровые узоры, такие как горные и долинные бризы, возникают от дифференциального нагрева и охлаждения склонов и долинных полов.Днем поднимается вверх по склону теплый воздух, а ночью в долины опускается более прохладный воздух.Эти локализованные циркуляции влияют на дисперсию загрязняющих веществ, перенос влаги, образование облаков и осадков.Например, эффект дождевой тени возникает, когда влажный воздух поднимается над горным хребтом, охлаждается и осадки на наветренной стороне, оставляя подветренную сторону сухой и засушливой.

Урбанизация и изменение микроклимата

Урбанизация преобразует природные ландшафты, заменяя растительность и проницаемые почвы непроницаемыми поверхностями, такими как здания, дороги и парковки.Это преобразование коренным образом изменяет энергетический баланс, гидрологический цикл и аэродинамические характеристики местной атмосферы, приводя к выраженным изменениям микроклимата.Эти микроклиматические изменения, вызванные городским развитием, имеют значительные последствия для комфорта человека, использования энергии и качества окружающей среды.

Эффект острова тепла в городе

Эффект городского теплового острова (UHI) является наиболее известным явлением городского микроклимата, когда городские районы испытывают повышенные температуры по сравнению с их сельским окружением. Типичные перепады температур варьируются от 1 до 3 ° C (1,8 до 5,4 ° F), но могут быть намного выше во время волн тепла или ночью в спокойных и ясных условиях. UHI является результатом нескольких факторов:

  • Характеристики поверхности: Темные, непроницаемые материалы, такие как асфальт и бетон, поглощают и хранят большое количество солнечного излучения.
  • Городская геометрия: Высокие здания создают «городские каньоны», которые улавливают длинноволновое излучение, уменьшая ночное охлаждение.
  • Антропогенная жара: Отработанное тепло, выделяемое транспортными средствами, промышленными предприятиями, системами кондиционирования воздуха и отопления, добавляет городскому теплу.
  • Сокращение растительности: Потеря деревьев и зеленых насаждений уменьшает испарение и тень, ключевые процессы охлаждения.

Агентство по охране окружающей среды США предоставляет обширные ресурсы для понимания и смягчения эффекта UHI (]EPA Heat Islands).

Поверхностное альбедо и теплохранилище

Поверхностное альбедо — доля солнечного излучения, отраженного поверхностью — является критическим фактором, влияющим на городские температуры. Природные поверхности, такие как почва и растительность, обычно имеют умеренное альбедо, а также способствуют испарительному охлаждению через транспирацию. Напротив, городские материалы, такие как асфальт и темная кровля, имеют очень низкое альбедо, часто поглощая 90-95% поступающей солнечной радиации в течение дня.

Это поглощенное тепло хранится в тепловой массе зданий и тротуаров и медленно высвобождается ночью, продлевая повышенные температуры и усиливая эффект UHI. Отсутствие растительности дополнительно снижает испарительное охлаждение, усугубляя накопление тепла. И наоборот, использование материалов с высоким альбедо, включая отражающие крыши и тротуары, наряду с повышенной растительностью, может значительно смягчить эти эффекты за счет уменьшения поглощения тепла и содействия охлаждению.

Антропогенные источники тепла

Деятельность человека способствует дополнительному нагреванию городских микроклиматов за счет выбросов отработанного тепла. Транспортные средства, промышленные процессы и системы отопления и охлаждения зданий выделяют значительное количество тепловой энергии в атмосферу. В плотно построенных городских центрах, особенно в холодном климате, где требования к отоплению высоки, антропогенный тепловой поток может приближаться или даже превышать естественное солнечное отопление в зимний период.

Этот избыточный тепловой ввод не только повышает температуру воздуха в городах, но и влияет на сроки и интенсивность эффекта UHI, часто усиливая ночное потепление и продлевая теплые периоды.Смягчение антропогенного тепла с помощью энергоэффективных технологий и городского дизайна является важной стратегией для снижения городского потепления.

Городской навес и ветровые узоры

Трехмерная структура городов, называемая слоем городского навеса, драматически влияет на местный поток ветра и турбулентность. Высокие здания образуют уличные каньоны, которые направляют и ускоряют ветры в определенных местах, таких как перекрестки, создавая при этом зоны спокойствия и застоя во дворах и защищенных зонах.

Городская геометрия может уменьшить естественную вентиляцию, улавливая тепло и загрязняющие вещества, что ухудшает качество воздуха и тепловой дискомфорт.Однако при определенных условиях шероховатость городских поверхностей может увеличить турбулентность, усиливая вертикальное смешивание и потенциально снижая температуру поверхности в ветреные периоды.Влияние сети на ветровые узоры зависит от высоты здания, расстояния, ориентации и преобладающего направления ветра.

Комбинированные эффекты топографии и урбанизации

Когда топографические особенности и урбанизация взаимодействуют, их комбинированное воздействие на микроклимат может быть сложным и высоко локализованным. Понимание этих взаимодействий имеет решающее значение для градостроителей и менеджеров по охране окружающей среды, стремящихся создать устойчивую и комфортную городскую среду.

Городское развитие в долинах и бассейнах

Города, расположенные в долинах или бассейнах, часто испытывают усиление городских тепловых островных эффектов в сочетании с явлениями холодного дренажа воздуха.В дневное время городская ткань поглощает солнечное излучение и нагревает воздух, а ночью холодный воздух, стекающий с окружающих склонов, может накапливаться в дне долины, создавая сложный температурный профиль.

В крупных мегаполисах эффект UHI может доминировать, поддерживая повышенные температуры даже ночью. Однако в небольших городах или во время сильных радиационных событий охлаждения, объединение холодного воздуха может привести к заморозкам в городской местности, создавая проблемы для сельского хозяйства и растительности. Кроме того, стабильные воздушные инверсии часто улавливают загрязняющие вещества в долинных бассейнах, что приводит к плохому качеству воздуха и опасностям для здоровья. Бассейн Лос-Анджелеса является классическим примером, где окружающие горы усугубляют накопление тепла и смога (]NOAA Ресурсы загрязнения .

Hillside и Ridge Development

Городское развитие на склонах холмов и хребтов подвергает здания повышенной скорости ветра и переменной солнечной радиации в зависимости от склона. В Северном полушарии склоны, обращенные на юг, могут испытывать чрезмерное накопление тепла, если они построены с материалами с низким альбедо, в то время как склоны, обращенные на север, остаются более прохладными и влажными. Эти изменения влияют на потребности в энергии зданий, при этом воздействие ветра увеличивает потери тепла в холодные сезоны и солнечный прирост, влияющий на потребности в охлаждении летом.

Топографическое затенение прилегающими холмами создает микроклиматическое разнообразие в городских районах, влияя на то, где разработчики находят здания и как кварталы работают энергетически.Вдумчивая интеграция ориентации здания и материалов с топографией может оптимизировать энергоэффективность и комфорт жильцов.

Прибрежные городские районы

Прибрежные города испытывают микроклиматы, сформированные как топографией, так и морскими влияниями. Морские бризы - ежедневный береговой ветер, вызванный дифференциальным нагревом земли и океана - умеренные температуры и улучшение качества воздуха путем вентиляции городских районов. Однако прибрежная топография, такая как скалы, холмы или наголовья, может либо направлять, либо блокировать эти охлаждающие морские бризы.

Например, город, построенный на вершине прибрежного блефа, может получать сильные, устойчивые береговые ветры, усиливая охлаждение и циркуляцию воздуха. И наоборот, города, расположенные в защищенных бухтах или за прибрежными холмами, могут испытывать снижение проникновения морского бриза, что приводит к более теплым, застойным воздушным массам внутри страны. Урбанизация может еще больше нарушить эти естественные ветровые модели, если высокие здания препятствуют потоку, усиливая городскую жару и проблемы загрязнения.

Последствия для городского планирования и дизайна

Признание комбинированного влияния топографии и урбанизации на микроклиматы имеет жизненно важное значение для создания устойчивой, комфортной и энергоэффективной городской среды.Планировщики, архитекторы и политики могут использовать различные стратегии для смягчения неблагоприятных последствий и использования выгодных эффектов.

Зеленая инфраструктура и растительность

Интеграция растительности и зеленой инфраструктуры в городские ландшафты обеспечивает множество микроклиматических преимуществ. Уличные деревья, зеленые крыши, парки и дождевые сады предлагают тень и усиливают испарение, охлаждают воздух и снижают температуру поверхности. На склонах, обращенных на север, в Северном полушарии деревья могут помочь поддерживать более прохладные, влажные условия; на склонах, обращенных на юг, они необходимы для смягчения теплового стресса.

В условиях долины зеленая инфраструктура может улучшить качество воздуха путем фильтрации загрязняющих веществ, попавших в ловушку под инверсионные слои. Кроме того, проницаемые зеленые поверхности уменьшают стоки ливневых вод, смягчая городские наводнения. Программа EPA «Зеленая инфраструктура» предоставляет всеобъемлющие рекомендации по эффективному осуществлению этих стратегий.

Ориентация здания и отражающие материалы

Архитекторы и городские дизайнеры могут использовать топографические знания для оптимизации ориентации здания для пассивного солнечного отопления и охлаждения. Например, здания на южных склонах в более прохладном климате могут быть ориентированы на максимизацию зимнего солнечного усиления при использовании свесов или затеняющих устройств для снижения летнего тепла. Включение кровельных и тротуарных материалов с высоким альбедо снижает поглощение тепла, особенно эффективно в плоских, плотно построенных районах.

Городское зонирование, сохраняющее естественные дренажные каналы и ветровые коридоры, облегчает вентиляцию и уменьшает накопление тепла.Поддержание этих естественных путей поддерживает движение воздуха, которое рассеивает загрязняющие вещества и снижает городские температуры.

Сотрудничество с естественной топографией

Вместо того чтобы противопоставлять природный ландшафт, городские планировщики должны работать с топографией, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду и повысить микроклиматические преимущества. Избегание интенсивного развития в подверженных морозу долинах может уменьшить потери урожая и ущерб от мороза. Сохранение линий хребта и вершин холмов, поскольку зеленые насаждения или районы с низкой плотностью поддерживают естественное воздействие ветра и солнечный доступ, улучшая качество воздуха и тепловой комфорт.

Проектирование уличных планировок и строительство кластеров, которые следуют естественным контурам, помогает поддерживать естественный дренаж и воздушный поток. Использование градиентов склона для дренажа с помощью силы тяжести и озеленения снижает риски эрозии и наводнений. Эти подходы способствуют устойчивому городскому росту, гармоничному с существующей окружающей средой.

Реализация мер по адаптации к городскому климату

По мере того, как изменение климата усиливает волны тепла, штормы и другие экстремальные погодные явления, понимание и управление микроклиматическими взаимодействиями между топографией и урбанизацией становится все более важным. Города могут осуществлять меры по адаптации, такие как расширение городского лесного хозяйства, увеличение зеленого покрытия крыши, продвижение отражающих строительных материалов и улучшение городских вентиляционных коридоров.

Местное моделирование климата, включающее подробные топографические данные и городскую морфологию, может помочь выявить горячие точки теплового стресса и накопления загрязнения.Целенаправленные мероприятия, основанные на таких анализах, повышают устойчивость городов, здоровье населения и качество жизни.

Заключение

Микроклиматы, сформированные взаимодействием топографии и урбанизации, представляют как проблемы, так и возможности для управления местными условиями окружающей среды. Возвышение, аспект склона и особенности рельефа земли управляют естественной микроклиматической изменчивостью, в то время как урбанизация изменяет эти условия через изменения поверхности, выбросы тепла и измененный воздушный поток. В сочетании эти факторы создают сложные и пространственно разнообразные микроклиматы, которые влияют на температуру, влажность, ветер и качество воздуха.

Интегрируя знания о топографических влияниях с устойчивыми методами городского проектирования, такими как зеленая инфраструктура, отражающие материалы и ориентированность на здания с учетом климата, планировщики и политики могут смягчить неблагоприятные воздействия, такие как городские тепловые острова и накопление загрязнения. Охват естественного ландшафта, а не преодоление его, повышает устойчивость городов и способствует более здоровым, более комфортным сообществам перед лицом продолжающихся изменений окружающей среды.