Что влияет на климат Москвы?

Сегодня более половины населения Земли проживает в городах. По данным Организации Объединенных Наций рост городского населения будет только продолжаться, а к 2050 году составит уже 2/3 от населения планеты. Известно, что крупные города оказывают заметное влияние на атмосферные процессы. Поэтому, изучение городского климата - важная задача. Наиболее ярко влияние урбанизации прослеживается в возрастании температуры воздуха. Подобные тепловые аномалии получили название "остров тепла". О том, почему он образуется, и что особенно влияет на городской климат рассказывает научный сотрудник НИВЦ МГУ Михаил Варенцов.

- Чем занимается ваша лаборатория суперкомпьютерного моделирования  в НИВЦ МГУ?

- Сфера деятельности лаборатории разнообразна. Главным образом, сотрудники работают над совершенствованием описания различных физических процессов в моделях, которые используются для прогноза погоды и климата.

- А над чем работаете вы?

- Конкретно я занимаюсь проблемами городской метеорологии и климатологии. Здесь также требуется описание необходимых физических процессов в моделях погоды и климата. Это комплексная проблема, требующая кооперации различных организаций и коллективов. Я ей занимаюсь в рамках совместной работы с географическим факультетом МГУ, Гидрометцентром России, Институтом физики атмосферы РАН.

- Расскажите о городском климате. Что на него влияет?

- Каждый городской житель имеет небольшое представление о городском климате. Достаточно лишь сравнить ощущения от прогулки летним вечером в городе и от вечера, проведенного за городом, где значительно прохладнее. Это самый наглядный пример городского «острова тепла», который как раз и проявляется  в том, что вечера и ночи в городе намного теплее, чем за городом.

- От чего это зависит?

- Во-первых, город эффективнее поглощает солнечное тепло днем и, как аккумулятор, медленно отдает его ночью, в то время как естественные ландшафты остывают значительно быстрее. Это связано с особенностями геометрии застройки, а также с теплофизическими свойствами материалов. Даже в учебнике по физике указано, что теплофизические свойства асфальта и бетона отличаются от теплофизических свойств почвы или растительности. Конечно, большое влияние оказывают и антропогенные потоки тепла – выбросы тепла от автомобилей и заводов. А зимой огромную роль играют отопительные системы зданий, которые нагреваются сами и нагревают воздух вокруг себя.

- Это также влияет на климат?

- Да, безусловно. Именно поэтому, например, в центре Москвы может быть на 10 градусов теплее, чем в пригородах. Это большая разница, которая, конечно же, оказывает влияние на экосистемы, на различные  аспекты жизни и хозяйственной деятельности людей. Эти особенности нужно обязательно изучать и учитывать при разработке математических моделей погоды и климата и при применении этих моделей для практических задач.

- Как вы создаете подобные модели и как используете суперкомпьютеры?

- Здесь важно пояснить, зачем в контексте городских проблем нужны математические модели. Как известно, город очень неоднороден – есть районы плотной застройки, есть парки, городские водные объекты, спальные районы, сильно отличающиеся от других территорий Москвы. В самых различных задачах, начиная от прогноза погоды и заканчивая долгосрочным градостроительным планированием и адаптацией городов к климатическим изменениям, необходимо учитывать, насколько различаются метеорологические условия внутри города.

При этом проведение метеорологических наблюдений в городской среде – очень непростая задача, да и сколько бы метеостанций мы не ставили, их все равно будет недостаточно. Поэтому моделирование – это единственный инструмент, который позволяет полноценно решать подобные задачи. А поскольку речь идет о высокой пространственной изменчивости, важно проводить моделирование с высоким пространственным разрешением. Сейчас мы с коллегами занимаемся моделированием климата и метеорологического режима Москвы, используя шаги сетки порядка одного километра. В ближайшей перспективе запланирован переход к значительно более мелким шагам сетки, что позволит учитывать особенности отдельных небольших кварталов, парков и т.д. Но чем меньше шаг сетки по пространству, тем больше нужно вычислительных ресурсов. Без мощных современных суперкомпьютеров обойтись невозможно.

- А что особенно влияет на температуру – плотная застройка?

- Безусловно. Но этот вопрос, в самом деле, сложный и многофакторный. Локальное влияние отдельного парка или отдельно взятой группы домов создает свой уникальный микроклимат. При этом если мы сравним климат парковой зоны в центре города с парком где-нибудь на окраине, то заметим, что температура парка в центре города будет выше, несмотря на то, что домов и явных источников антропогенного тепла там нет.

То же самое можно сказать про жилую застройку. Если взять плотно застроенную территорию в центре Москвы и, например, в центре Зеленограда, то в центре Москвы будет также теплее. Ведь Москва – это огромный мегаполис, и локальное влияние от различных частей города как бы аккумулируется и концентрируется в центре города за счет атмосферных процессов переноса – адвекции  и диффузии. И это также необходимо учитывать в моделях.

- Наблюдаются ли резкие скачки температуры в определенных районах города?

- Естественно, между городом и окружающими территориями, как и внутри города, наблюдаются большие температурные контрасты. И как я уже сказал, в условиях сильных морозов, например, разница может достигать 10 градусов и более.

Яркий пример – морозы в январе 2017 года. В Москве тогда проходил велопарад, и участники ехали по Садовому кольцу в тулупах. Тогда в центре Москвы температура была около -25-ти градусов, а за городом падала до -35-ти.

- Как подобные скачки температуры могут влиять на человека?

- Множество исследований говорят о том, что колебания температуры оказывают серьезное влияние на здоровье людей. Например, в 2010 году в России была катастрофическая жара. Тогда же по стране выросла смертность. Многие пожилые люди, в квартирах которых не было кондиционеров, попали под удар. При этом в крупных городах, в первую очередь в Москве, смертность выросла значительно сильнее, чем за городом. На это, естественно, повлияли не только особенности городского климата. Но с большой вероятностью и они внесли свой вклад.

- Есть ли возможность уравновесить показатели температуры в разных районах?

- Безусловно, возможности есть. Существует комплекс мер, которые можно применять при благоустройстве территории, при планировании новых районов и жилых домов. Сегодня эти меры применяются в Европе. К ним относится озеленение крыш, стен и даже трамвайных путей. Также крыши и стены домов можно красить в белый цвет. За примерами далеко ходить не надо – достаточно вспомнить греческие или марокканские города, расположенные в жарком климате. С древних времен люди учились приспосабливаться к жаркому климату.

Решений много, и чтобы просчитать эффективность каждого из них как раз и нужны методы моделирования. Задавая различные условия в модели, мы можем увидеть, как это скажется на температуре и на показателях метеорологической комфортности. В рамках диссертации я проводил эксперимент – что будет, если увеличить площадь Москвы в два раза.

- Что же?

- Будет жарче.

- Куда еще жарче?

- Летом этого года мы так не думали.

- А что с этажностью?

- Повышение этажности может на локальном уровне привести к некоторому понижению температуры за счет затенения. Но в целом, конечно, плотная застройка  − это территория, отнятая у естественной среды, к тому же, сделанная из искусственных материалов.

Строительство многоэтажного дома предполагает также строительство парковок, придомовых территорий. Если не применять специальные меры, учитывающие влияние застройки на микроклимат и климат города в целом,  то станет  только хуже.

- Учитывают ли строительные компании эти меры? Есть ли спрос на исследования ученых в этой сфере?

- Конкретно у наших исследований спроса пока нет. Насколько я знаю, наиболее продвинутые строительные компании и агентства используют некоторые простые модели. Но применяют их, в лучшем случае, на масштабе отдельно взятых зданий. И, в основном, на этих моделях рассматриваются другие проблемы, например, проблема устойчивости зданий к ветровой нагрузке или соответствие зданий требованиям по освещенности. А проблемы метеорологической комфортности вряд ли учитываются в масштабе города.

Город необходимо развивать комплексно, ведь если плотно застроить одну часть города, она будет влиять и на остальные. Вспомним 2010 год – аномальную жару и ветер, который дул не с запада, а с востока. Считается, что именно на западе Москвы экологическая ситуация намного лучше, чем в восточных районах. Это связано с тем, что преобладающий западный ветер обычно приносит на запад города более свежий и прохладный воздух. Далее воздушная масса проходит через весь город, вбирает тепло и загрязнения, и естественно, на востоке экологическая и метеорологическая обстановка может быть хуже.

Летом 2010 года произошла обратная ситуация: воздух приходил с востока, вбирал все выбросы и городское тепло, а затем попадал в западные районы Москвы.

- Как привлечь местную власть к этой проблеме? Почему они не интересуются этим?

- Скорее всего, они просто не слышали о подобных проблемах. У нас нет возможностей для диалога с властью и органами, принимающими решения. Это отличает нашу страну от стран Европы, например, где большой интерес к подобным исследованиям идет именно со стороны местной власти. Есть и небольшие подвижки – недавно благодаря совместной работе с Гидрометцентром России влияние особенностей города стали учитывать в модели при прогнозе погоды для Москвы. Но в контексте градостроительного планирования диалога пока нет. 

- Как людям справляться со скачкообразными изменениями погоды в городах?

- Когда у нас стоит сильная жара, а кондиционера нет, по возможности, лучше на время уехать из города, хотя бы в Подмосковье. Это позволит минимизировать все негативные последствия теплового стресса.