Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных источников по изменению климата 12
1.1. Изменения приземной температуры воздуха в современную эпоху 12
1.1.1. Глобальные изменения приземной температуры воздуха 12
1.1.2. Изменения приземной температуры воздуха в России 22
1.1.3. Изменения приземной температуры воздуха в Московском регионе 25
1.2. Изменения температуры воздуха в нижней тропосфере 32
1.2.1. Методы измерений температуры воздуха в нижней тропосфере 32
1.2.2. Изменения температуры воздуха в нижней тропосфере за последние десятилетия 36
1.3. Изменения термического режима почвы и грунта 39
1.3.1. Измерения температуры почвы и грунта 39
1.3.2. Изменения температуры почвы и грунта за последние десятилетия 42
1.3.3. Изменения термического режима почвы и грунта в городах 45
1.4. Выводы по главе 1 50
ГЛАВА 2. Термический режим почвы и грунта в московском регионе 52
2.1. Измерения температуры почвы и грунта в Московском регионе 52
2.2. Экспериментальные исследования в Метеорологической обсерватории МГУ 62
2.2.1. Исследования микроклиматических различий на территории Метеорологической обсерватории МГУ
2.2.2. Исследование влияния материала защитных трубок вытяжных
термометров на измерения температуры почвы и грунта 74
2.3. Динамика температуры почвы и грунта в Московском регионе 82
2.3.1. Годовой ход температуры почвы и грунта в МГУ 82
2.3.2. Распределение температуры почвы и грунта с глубиной 89
2.4. Многолетние изменения температуры почвы и грунта 96
2.4.1. Вековые изменения температуры грунта по данным метеорологической обсерватории МГУ и ТСХА 96
2.4.2. Изменения температуры почвы и грунта за период 1955–2013 101
2.5. Изучение эффекта городского подземного «острова тепла» 112
2.6. Выводы по главе 2 121
ГЛАВА 3. Термический режим нижней тропосферы в московском регионе 125
3.1. Измерения температуры воздуха на различных высотах в Московском регионе 126
3.1.1. Радиозондирование в Центральной аэрологической обсерватории 126
3.1.2. Измерения на высотной метеорологической мачте в Обнинске 130
3.1.3. Измерительный комплекс на Останкинской телебашне 133
3.2. Изменения температуры воздуха в нижней тропосфере Московского региона за последние десятилетия 135
3.3. Изучение пространственных неоднородностей термического режима нижней тропосферы над Москвой 152
3.3.1. Исследование вертикальной протяжённости «островов тепла» в различных городах по данным литературных источников 152
3.3.2. Исследование вертикальной протяжённости «острова тепла» в Московском регионе 159
3.4. Термический режим нижней тропосферы в Московском
регионе во время аномального лета 2010 года 173
3.4.1. Рекорды температуры воздуха в нижней тропосфере летом 2010 года 173
3.4.2. Исследование особенностей температурных профилей в условиях разных воздушных масс 184
3.5. Выводы по главе 3 194
Заключение 197
Литература
- Глобальные изменения приземной температуры воздуха
- Исследования микроклиматических различий на территории Метеорологической обсерватории МГУ
- Измерения на высотной метеорологической мачте в Обнинске
- Исследование вертикальной протяжённости «островов тепла» в различных городах по данным литературных источников
Введение к работе
Актуальность работы
Современное глобальное потепление климата характеризуется большим комплексом изменений в климатической системе Земли. Начиная с 1970-х гг., потепление регистрируется на большей части Земного шара. Наиболее ярко изменения климата характеризует приземная температура воздуха, поэтому данный показатель является наиболее изученным в зарубежных и российских исследованиях. Однако очевидно, что современные изменения климата проявляются и в изменениях температуры более высоких слоёв атмосферы. Известно, что общее потепление тропосферы во второй половине XX века сопровождалось одновременным похолоданием более высоких слоёв – стратосферы и, особенно, мезосферы. Однако региональные особенности этих изменений и их подробное распределение с высотой остаются до сих пор малоизученными. Поэтому необходимо детальное изучение термического режима нижней тропосферы в пределах до 2–4 км над поверхностью земли. Кроме того, термический режим в конкретной точке определяется не только глобальными изменениями климата, но и местными особенностями. В частности, изменения температуры воздуха за последние десятилетия в городах происходят быстрее, нежели в фоновой местности, за счёт усиления эффекта городского «острова тепла». Поэтому исследование изменений термического режима над Московским регионом в нижних 500 м представляет интерес и с точки зрения динамики «острова тепла».
Атмосфера является наиболее важным компонентом климатической системы Земли, однако существенное значение играют и другие её составляющие, например деятельный слой почвы и грунта вблизи поверхности земли. В связи с этим актуальным является изучение изменений термического состояния почв и грунтов за последние десятилетия. Такие исследования в основном проводятся для районов вечной мерзлоты Евразии и Северной Америки, однако для остальных районов подобных работ крайне мало. В частности, в Московском регионе такие исследования не проводились и представляют интерес как с точки зрения общей динамики температуры почвы и грунта, так и с точки зрения влияния на неё городского «острова тепла».
Цель работы
Целью данной работы явилась оценка изменений температуры воздуха в нижней тропосфере (до 4 км) и температуры почвы и грунта (в слое глубиной до 320 см) в Москве и Московском регионе, а именно выявление общего направления и скорости этих изменений, их динамики и высотного (глубинного) диапазонов, а также оценка влияния на них городского «острова тепла» Москвы.
Основные задачи исследования
Создание электронных баз многолетних данных о температуре воздуха в
нижней тропосфере до 4 км и температуре почвы и грунта в слое до 320 см в
Московском регионе, их систематизация и критический контроль.
Экспериментальные измерения температуры почвы и грунта на разных глубинах одновременно на двух площадках в МГУ для оценки микроклиматических различий и их возможного влияния на однородность многолетних рядов. В результате - получение однородных рядов данных о температуре почвы и грунта посредством введённых поправок.
Подробный анализ закономерностей суточного, годового хода и вертикального распределения температуры почвы и грунта с глубиной в слое до 320 см в МГУ.
Исследование многолетних изменений температуры воздуха в нижней тропосфере до 4 км и вековых изменений температуры почвы и грунта в слое до 320 см в Московском регионе.
Оценки высотной и глубинной протяжённости городского «острова тепла» Москвы и его влияния на термический режим воздуха в нижней тропосфере в слое до 500 м и деятельного слоя почвы и грунта в слое до 320 см в Московском регионе.
Методы исследования и данные
Для изучения термического режима нижней тропосферы в Московском регионе использованы данные регулярного радиозондирования в Центральной Аэрологической обсерватории (ЦАО) в г. Долгопрудный за период 1991-2013 гг. в слое 2-4000 м; измерений температуры воздуха на Останкинской телебашне на уровнях 2, 128, 305, 385 и 503 м за период 2000-2013 гг. и на высотной метеорологической мачте в г. Обнинск на уровнях 2, 121 и 301 м за период 1993-2013
гг., а также на уровне 2 м в Метеорологической обсерватории МГУ за период 1954-2013 гг. и в Обсерватории имени Михельсона (ТСХА) за период 1898-1965 гг.
Для исследования термического режима почвы и грунта в слое от поверхности до 320 см были использованы данные вытяжных почвенно-глубинных термометров ТПВ-50: в Метеорологической обсерватории МГУ за период 1955-2013 гг.; на станции Подмосковная за период 1956-2013 гг.; на станции ТСХА за период 1898-1965 гг. и в 2010 г.; на станциях ВДНХ, Можайск, Коломна, Ленино-Дачное за периоды 1960-1962 гг. и в 2010 г., а также на станциях Балчуг, Павловский Посад, Кашира, Новый Иерусалим, Собакино, Немчиновка за 1960-1961 гг.
Все данные обрабатывались и анализировались с помощью авторских программ, созданных на языке FORTRAN, а также стандартных программных пакетов Microsoft Excel, Microsoft Access и Statistica.
Научная новизна
Автором впервые изучены следующие особенности термического режима нижней тропосферы и деятельного слоя почвы и грунта в Московском регионе:
Исследована многолетняя динамика изменений температуры почвы и грунта на различных глубинах до 320 см в Московском регионе.
По многолетним данным выявлено существенное влияние состояния поверхности почвы на термический режим на глубинах.
Экспериментально доказано, что различия в материале защитных трубок (полиэтилен и эбонит) не оказывают заметного влияния на показания вытяжных почвенно-глубинных термометров.
Для условий Московского региона исследован эффект подземного городского «острова тепла» в деятельном слое почвы и грунта и предложен количественный показатель для характеристики этого эффекта.
По данным прямых (контактных) измерений температуры воздуха на разных высотах в трёх местах Московского региона оценена вертикальная протяжённость городского «острова тепла» в нижнем 500-метровом слое атмосферы.
Научная и практическая значимость
Полученные результаты исследования термического режима почвы и грунта в Московском регионе могут быть использованы в строительстве, сельском хозяйстве, в организациях ЖКХ и городского планирования. Данные об изменчивости температуры нижней тропосферы важны для авиации.
Изучение особенностей городского «острова тепла» в Московском регионе в нижней тропосфере и почве представляет большой научный интерес. Это актуально как с точки зрения моделирования этого явления, так и с точки зрения применения полученных результатов при оценке экологического влияния на окружающую среду и здоровье населения. Оценки многолетней динамики температуры воздуха на различных высотах и температуры почвы и грунта на различных глубинах могут быть использованы в физических и климатических моделях, в частности при модельном прогнозе будущих изменений климата.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Многолетние оценки суточной и годовой динамики температуры почвы и грунта в слое 0–320 см за период 1955–2013 гг., а также её вертикального распределения в зависимости от типа поверхности почвы.
-
Результаты экспериментальных сравнений термического режима почвы и грунта на двух площадках под естественным покровом в МГУ (75 серий), а также эксперимента по исследованию влияния на измерения материала защитных футляров вытяжных почвенно-глубинных термометров.
-
Оценки многолетней изменчивости температуры почвы и грунта в Московском регионе как за вековой период (1898–2013 гг.), так и за последние 59 лет (1955–2013 гг.) в слое до 320 см.
-
Оценки изменчивости температуры воздуха в слое до 4 км по данным трёх источников прямых измерений в Московском регионе за период 1991–2013 гг. Характеристики явления подземного городского «острова тепла» в Московском регионе, оценки его интенсивности в среднем за год и по месяцам.
-
Оценки вертикальной высотной протяжённости связанной с влиянием города тепловой аномалии в атмосфере Московского региона по данным трёх источников прямых измерений за период с 2002 по 2013 гг.
Личный вклад автора
Автором были полностью занесены в электронную базу данных с бумажных носителей и проверены данные о температуре почвы и грунта за период с 1955 по 1964 гг., а также данные радиозондирования за 1991–2000 гг. Автором созданы программы по обработке и чтению данных радиозондирования и измерений на Останкинской телебашне, по результатам этой работы получены два акта о внедрении от ФГБУ ЦАО и ФГУП Российская телевизионная и радиовещательная сеть (прилагаются). Большая часть статистического анализа многолетних рядов данных о температуре воздуха и почвы и грунта в Московском регионе выполнена автором. Автор работы активно принимала участие в экспериментальной части работы, а именно в сравнении термического режима почвы и грунта на двух измерительных площадках и в изучении влияния на измерения разных материалов защитных футляров (эбонита и полиэтилена) почвенных термометров. По результатам данного методического сравнения получен акт о внедрении от ФГБУ «Центральное УГМС» (прилагается).
Апробация работы
Результаты данного исследования были лично представлены автором на международных и всероссийских конференциях и школах: на Региональной конференции Международного Географического Союза (IGU), Москва, 2015; на конференции Европейского Геофизического Союза (EGU), Вена, Австрия, 2014; на Европейской научной школе-конференции по атмосфере для молодых учёных (ERCA), Гренобль, Франция, 2013; на Конференции молодых специалистов по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Обнинск, 2013; на XVI и XVII Международных школах-конференциях молодых учёных «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» в Звенигороде в 2012 и в Нижнем Новгороде в 2013 гг. Помимо этого, результаты работы были также доложены руководителем соискателя на Международных конференциях по климату городов ICUC-8 в Дублине, Ирландия в 2012 г. и ICUC-9 в Тулузе, Франция в 2015 г. Кроме того, основные результаты диссертации были представлены автором на научных семинарах ФГБУ ЦАО в Долгопрудном (2014), ФГБУ «Центральное УГМС» (2015) и ФГБУН «Институт географии РАН» (2015).
Результаты работы опубликованы в шестнадцати публикациях, в том числе в четырёх статьях в российских и зарубежных рецензируемых научных журналах, включая три статьи в российских рецензируемых научных журналах для опубликования основных научных результатов диссертации, а также в девяти статьях в различных сборниках.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём диссертации 247 страниц, основной текст изложен на 201 странице, включая 82 рисунка и 12 таблиц. Список литературы составляет 190 наименований, в том числе – 50 иностранных источников. Приложение содержит 27 страниц.
Глобальные изменения приземной температуры воздуха
Климатические условия нашей планеты лучше всего изучены для периода регулярных инструментальных измерений, в течение которого доступны данные о метеорологических величинах, полученные с помощью различных приборов. Первые барометры были созданы уже в XVII веке, а первый термометр – даже в конце XVI века, однако в то время измерения были непостоянны и производились лишь на отдельных станциях в Европе (Хргиан, 1959).
Началом же периода регулярных измерений принято считать середину XIX века, когда была создана глобальная метеорологическая сеть станций, действовавших на всех материках, кроме только Антарктиды (Будыко, 1974). Заметим, что речь здесь идёт о глобальной сети с непрерывными рядами данных. Вообще говоря, синхронные метеорологические измерения в разных местах осуществлялись и ранее. Первая так наз. Флорентийская сеть наземных станций недолго действовала ещё в середине XVII века; она включала в себя около десяти станций в Северной Италии, а также в Париже и Варшаве. Вторая попытка создания регулярной метеорологической сети была предпринята Мангеймским метеорологическим обществом в конце 1770-х гг. (Хргиан, 1959). Эта сеть уже охватывала значительную долю поверхности Земного шара, насчитывая около 40 станций на территории Западной Европы, Российской Империи (станции Москва, Санкт-Петербург и Пышменский завод близ Екатеринбурга), на побережье Северной Америки и даже в Британской Индии. Заметим, что на Ман-геймской сети использовались уже калиброванные приборы (термометры и ба 13 рометры) и наблюдения осуществлялись по единой программе в синхронные сроки. Однако уже в конце 1790-х гг. Мангеймское общество прекратило своё существование. Современная же сеть наземных станций была создана лишь спустя полвека, после Балаклавской бури в 1854 году.
В настоящее время в мире насчитывается около 11000 наземных метеоро логических станций (Будыко, 1971; Тимофеев, 2010; URL: http://www.wmo.int/pages/themes/climate/climate_observation_networks_systems.p hp;), ведущих наблюдения за основными параметрами атмосферы — темпера турой воздуха, атмосферным давлением, характеристиками ветра, влажности, солнечной радиации и др.
На протяжении периода инструментальных измерений программа наблюдений за климатом совершенствовалась, и в настоящее время она включает в себя кроме основных метеорологических станций, также специализированные станции мониторинга за атмосферной радиацией и загрязнением атмосферы. Однако, несмотря на большой объём наземных климатических данных, их дискретность в пространстве недостаточна для климатических исследований. В связи с этим в последние десятилетия широко применяются дистанционные методы измерений – как со спутников, так и с земной поверхности.
Рассмотрим подробнее методы измерения температуры воздуха. На наземной сети метеорологических станций температура воздуха измеряется на стандартной высоте 2 м с помощью ртутного термометра в метеорологической будке (Наставление, 1985) или с помощью термодатчиков на автоматических метеостанциях (Руководство, 2010). Погрешность измерения температуры по обоим видам приборов составляет не более ± 0,2 С (Справочник, 1971). На отечественной сети с 1966 г. принят восьмисрочный порядок наблюдений. В метеорологической будке измерения проводятся в метеорологические сроки каждые 3 часа. В России этот вид измерений температуры воздуха пока является основным, на сети Росгидромета автоматические метеостанции внедряются только с 2009 года. За границей, напротив, широко распространены автомати 14 ческие метеостанции, преимущества которых заключаются в их удобстве и высоком разрешении данных во времени.
Изменения климата в основном регистрируются на основании данных о температуре воздуха у поверхности Земли. Для оценки средней глобальной температуры используются данные также и о температуре поверхности океанов. Как известно, в конце XX и начале XXI веков повышение приповерхностной температуры1 происходит практически по всему земному шару (IPCC, 2013; Met Office, 2013a; Hansen et al., 2010 и др.). Аномалии глобально осред-нённой приповерхностной температуры за период инструментальных измерений по данным (IPCC, 2013) приведены на рис. 1.1. За период с 1880 по 2012 гг. глобальная приповерхностная температура повысилась на 0,85 С (0,65–1,06 С) со средней скоростью 0,062 ± 0,012 С/10 лет по данным глобального архива Университета Восточной Англии СRUTEM4. Рост температуры за инструментальную эпоху происходил не монотонно, наблюдались значительные межгодовые колебания. Период климатической истории, начиная с XX века, принято делить на три интервала: потепление 1910–1945 гг., слабое похолодание 1946–1975 гг. (в некоторых источниках приводятся другие временные границы – 1943–1965 гг. (Захаров, 1976)) и современное потепление с 1976 г. (Груза, Ранькова, 2003). Потепление первых десятилетий XX века происходило преимущественно в высоких широтах Северного полушария, поэтому его называют «потеплением Арктики». Максимум повышения температуры в этот период пришёлся на 30-е годы XX века, когда средняя температура в северном полушарии повысилась на 0,6 С по сравнению с концом XIX века. Наиболее интенсивное потепление наблюдалось в районе приатлантической Арктики, особенно в зимнее время года (Захаров, 1976). Вследствие потепления значительно сократилось количество арктического морского льда, происходило отступание
Глобальная приповерхностная температура – средняя из температуры приземного воздуха над континентами (на высоте 2 м) и температуры воды поверхности океанов. горных ледников и границы вечной мерзлоты (Монин, Шишков, 1979; Захаров, 1976). Считается, что одной из причин «потепления Арктики», по-видимому, является увеличение прозрачности стратосферы в связи с отсутствием крупных вулканических извержений, и, следовательно, рост притока солнечной радиации к поверхности Земли (Будыко, 1974; Кароль, 1988; Будыко, 1971). Ещё одной возможной причиной повышения температуры могли служить циркуляционные факторы и, в частности, понижение давления и усиление циклонической активности в высоких широтах Северного полушария (Захаров, 1976). Стоит отметить, что в центральных районах Азии и Африки, Австралии, а также к югу от южного тропика в период «потепления Арктики» температура воздуха даже немного понизилась, вопреки общей тенденции (Захаров, 1976). Такие районы принято называть «климатической оппозицией».
Исследования микроклиматических различий на территории Метеорологической обсерватории МГУ
Одной из основных особенностей городского климата является наличие так называемого «острова тепла» — повышенных значений температуры воздуха в пределах города по сравнению с сельской местностью (Будыко, 1974; Ландсберг, 1983; Кратцер, 1958 и др.; Ber, 1964). Это явление впервые было исследовано в Лондоне в 1820 году Люком Говардом (Ландсберг, 1983). Интенсивность «острова тепла», т.е. разность значений температуры воздуха в центре города и за городом, зависит от множества различных факторов: времени суток, времени года, местоположения, численности населения и т.д. Как отмечено Ландсбергом, эффект городского «острова тепла» присущ любому городу и даже посёлку, деревне и отдельным городским кварталам.
Главными причинами, определяющими формирование «острова тепла» являются (Ландсберг, 1983): изменение альбедо земной поверхности (для городских районов оно меньше, чем для сельских, что приводит к большему поглощению солнечной радиации поверхностью); пониженное испарение в пределах города за счёт увеличения искусственно созданных поверхностей; антропогенные выбросы тепла за счёт городской деятельности; наличие в городской атмосфере индустриальной дымки и пр. Дополнительный нагрев воздуха над городом создаёт местную циркуляцию – так называемый «городской бриз», усиливая восходящие движения над центром города. В отдельные дни в крупных мегаполисах, таких как Москва и Нью-Йорк, приток антропогенного тепла может даже в несколько раз превышать поток солнечной энергии (Будыко, 1974).
В средних широтах интенсивность «острова тепла» (разность между среднегодовой температурой воздуха внутри и за пределами города) составляет обычно 0,5–1,5 C (Кратцер, 1958), а для больших городов, таких как например Париж или Нью-Йорк 2,0–2,5 С (Ландсберг, 1983). Максимальная интенсивность «острова тепла» может достигать 10–15 C, как правило, в ночное время суток (Кратцер, 1958; Ландсберг, 1983; Оке, 1982; Lokoshchenko, Isaev, 2003; Адаменко, 1975). Максимальная интенсивность «островов тепла» некоторых европейских и североамериканских городов, соотнесённая с их населением, приведена на рис. 1.4. (Оке, 1982). По рис. видно, что даже большие сёла с населением около 1000 человек создают свои «острова тепла», а в крупных мегаполисах интенсивность «острова тепла» может достигать 12 С. (Оке, 1982). Заметим, что Т.Оке аппроксимировал эту зависимость линейными функциями, тогда как аналогичное исследование М.Мягкова для европейских городов, приведённое на рис. 1.5 (Мягков и др., 2007), показало её нелинейный характер (качественно близкий к функции квадратного корня).
Вертикальная мощность островов тепла в среднем оценивается в 200–300 м, но она зависит от множества факторов, таких как скорость ветра, термическая стратификация, и т.д. (Ландсберг, 1983; Адаменко, 1975; Bornstein, 1968; Davidson, 1967). В работе (Bornstein, 1968) отмечено, что в утреннее время в Нью-Йорке мощность острова тепла может быть более 500 м. Обычно «остров тепла» выделяется при картировании средней суточной температуры воздуха или минимальной температуры воздуха, реже – максимальной температуры за сутки (например, (Локощенко, 2012)). Однако при выявлении островов тепла порой используются и некоторые другие дополнительные характеристики – например, даты последних и первых заморозков, высота снежного покрова, и др. (Ландсберг, 1983). Пространственная конфигурация «острова тепла» может быть различной, например, могут существовать несколько локальных очагов острова тепла, отделённых друг от друга благодаря сложному рельефу, наличию водных объектов и другим местным факторам. Интересной особенностью является наличие в городах, например в зелёных зонах, локальных «островов холода» (Оке, 1982). Известным примером такого «острова холода» является Императорский дворец с садами в Токио, где температура в ночные часы на несколько градусов ниже, чем в центре города (Narita et al., 2009).
Климатические особенности города Москвы за последние десятилетия отражены в некоторых известных работах. Так, средняя годовая температура по данным метеостанций в Москве по данным (Климат Москвы, 1969) составляла за период 1946–1965 гг. +4,1 С, при этом отмечалось, что центральный район — по данным станции Балчуг — имеет среднюю годовую температуру на 1,4 С выше, чем парковый район Измайлово. Также в (Климат Москвы, 1969) отмечена более высокая продолжительность безморозного периода в центральных районах Москвы по сравнению с окраиной города.
По данным (Климат, 1995) в среднем за 40-летний период 1950–1989 гг. внутри города Москвы разность среднесезонной температуры составляет между центром (станция Балчуг) и периферией города (станции ТСХА и ВДНХ) около 1,0 С зимой и весной, 1,2 С летом и 0,7 С осенью. Разность же среднегодовых значений между центром Москвы и пригородами составляет около 1,5 С. Центр столицы характеризуется меньшим количеством туманов, более слабыми ветрами и отсутствием низких температур, которые характерны для сельской местности. Кроме того, в загородной местности не наблюдается такого количества штилей в году, как в пределах застроенного городского пространства. В пределах города чаще выпадают ливни и случаются грозы. Такое выделение города Москвы на общем фоне сформировалось, по всей видимости, с конца 1950-х годов (Климат, 1995).
Климату Москвы посвящена обширная монография (Мягков и др., 2007). Прежде всего рассмотрено историческое влияние климата на расселение и формирование городов России, и в частности города Москвы. Подробно рассмотрено распределение различных климатических характеристик в Москве – тепловой и радиационный баланс, поле ветра, температуры воздуха и влажности. Обсуждаются микроклиматические особенности Москвы, в частности особенности архитектурной климатологии. Обширный раздел работы посвящён биоклиматической комфортности.
По данным работы (Lokoshchenko, 2014) интенсивность острова тепла в среднем за инструментальный период в Москве составляет 1,5 С. Стоит отметить, что в начале XX века интенсивность острова тепла составляла 0,5–1,5 С, в то время как в середине века она возросла до 1,5–2,0 C, что может быть связано с ростом самого города. В работе показано, что наиболее ярко этот эффект выражен зимой в годовом ходе и в ночные часы в суточном ходе. Максимальная интенсивность острова тепла вплоть до 10–14 C была отмечена при анти-циклональных условиях.
Измерения на высотной метеорологической мачте в Обнинске
В тёплое время года так бывает всегда, однако при значительной высоте снежного покрова (более 15 см при его росте в начале зимы и более 5 см при сходе весной) наблюдения по всем восьми вытяжным термометрам на участке под естественным покровом производятся только один раз в сутки. Заметим, что до 1970-х гг. наблюдения за температурой грунта под естественным покровом проводились на станциях четыре раза в сутки на трёх глубинах - не только на 20 и 40, но и на 60 см.
Участок с оголённой (обнажённой) поверхностью площадью 12x20 м2 не предусмотрен Наставлениями ни Госкомгидромета СССР (Наставление, 1985) в прошлом, ни Росгидромета ныне, и измерения на нём являются долгосрочным научным экспериментом, начатым ещё в 1954 году, со времени основания Метеорологической обсерватории МГУ. Ныне подобные участки используются лишь на двух станциях в России - в МГУ и на ОГМС (объединённой гидрометеорологической станции) Иркутск. Второй такой оголённый участок в Иркутске действует с 1 ноября 1886 года, там же используется и стандартный участок под естественным покровом. С того времени измерения на оголённом участке проводились на четырёх глубинах «не покрытой никакой растительностью земли»: 40, 80, 160 и 320 см, а позднее, с 1913 года, - также и ещё на двух глубинах 240 и 500 см. В то время там применялись деревянные «трубы» (футляры), а резервуары термометров были облиты салом и, таким образом, «сделаны нечувствительными». В последние десятилетия в Иркутске, однако, используются лишь семь стандартных глубин от 20 до 320 см (кроме 60 см). Здесь накоплен самый длинный в России (и, вероятно, в мире) ряд данных о температуре грунта под обнажённой поверхностью. Однако площадь оголённого участка в Иркутске, по крайней мере ныне, составляет лишь 44 м , что может приводить к искажающему боковому влиянию окружающего участок естественного покрова на показания термометров на больших глубинах. Таким образом, оголённый участок в МГУ на сегодня – единственный показательный в России с учётом его большой площади (в 15 раз больше, чем в ОГМС Иркутск).
Сведения о подобных экспериментальных участках, организованных в XIX веке, содержатся в (Ваннари, 1897). Так, например, такие участки действовали в то время в Павловске и Иркутске в течение всего года, а также в летнее время в Вышнем Волочке и в зимний сезон в Скопине. Данные о температуре грунта (Тг) в МГУ на всех глубинах вплоть до 320 см в среднем за период 1955– 1965 гг. приведены в (Климат Москвы, 1969); за период 1977–2000 гг. – в (Справочник, 2003), только в пахотном слое до 20 см за период 1966–1980 гг. – в (Климат, 1995). Кроме того, данные о Тг под естественным покровом в МГУ приведены в (Климатологический справочник, 1972).
В данной работе были также использованы значения температуры почвы и грунта на других станциях Москвы и Московской области (Справочник, 1964; Климатологический справочник, 1972). Самой старой из этих станций является метеорологическая станция при Тимирязевской Сельскохозяйственной Академии (обсерватория имени В.А. Михельсона или ТСХА), которая была основана в Москве в 1879 г. Непрерывный ряд наблюдений за температурой почвы ведётся здесь с 1898 года по настоящее время. Сначала для измерений использовались глубины 25, 50, 100, 150, 200 и 320 см, в настоящее время измерения осуществляются на стандартных глубинах. Для нашей работы был доступен ряд наблюдений за температурой грунта с 1898 по 1966 гг. (Справочник, 1964; Климатологический справочник, 1972). В пределах современной Москвы были также использованы данные станций ВДНХ, Ленино-Дачное и Балчуг.
Агрометстанция ВВЦ (ранее ВДНХ – Выставка Достижений Народного Хозяйства) располагается на северо-востоке города, на террито рии Всероссийского выставочного центра. Станция впервые была открыта 1 августа 1939 года и работала по июль 1940 года. Вновь наблюдения здесь возобновились 20 мая 1948 года, таким образом, станция имеет непрерывный ряд на 61 блюдений за основными метеорологическими параметрами с 1948 г. Данные наблюдений за температурой на глубинах грунта доступны за период с 1948 по 1965 гг.
Метеорологический режим центра Москвы характеризует станция «Балчуг». Эта станция основана 20 сентября 1946 года. С момента основания она не переносилась и работает без перерывов. Название менялось: с 20 сентября 1946 года по 1 ноября 1946 года «Москва Южная», затем — «Москва, Балчуг» и с 1 августа 1956 года — «Москва Гидрометобсерватория». С 1 января 1969 года она вновь стала называться «Москва, Балчуг». Кроме основных наблюдений на этой станции ведутся наблюдения за загрязнением воздуха и осадков. Наблюдения за температурой почвы и грунта на отдельных глубинах доступны с 1948 по 1960 гг. Данные измерений на этой станции имеют очень важное значение для пространственного анализа, т.к. это – единственная станция, расположенная в самом центре города, которая характеризует режим центральной части Москвы. Кроме того, данная станция находится в зоне плотной городской застройки. Она исключительно важна с точки зрения исследований городского «острова тепла» в столице.
В работе были также использованы данные ныне закрытой станции Ле-нино-Дачное, которая раньше располагалась на юго-востоке современной Москвы. Эта станция была основана 30 сентября 1951 года. Наблюдения за температурой почвы и грунта здесь доступны с 1951 по 1965 гг.
Таким образом, для анализа были выбраны 4 станции (кроме МГУ) в разных частях Москвы. В Московской области были использованы данные следующих станций с доступными рядами наблюдений: Новый Иерусалим (село Лучинское, северо-запад Московской области, основана в 1925 г.), Можайск (запад Московской области), Собакино (юго-запад Московской области, основана в 1921 г.), Коломна (юго-восток Московской области, работает с 1913 г.), Кашира (юго-восток Московской области) и Павловский Посад (восток Московской
Исследование вертикальной протяжённости «островов тепла» в различных городах по данным литературных источников
Распределение температуры грунта с глубиной под естественным покровом было также проанализировано по данным станции Подмосковная, расположенной в 24 км к западу от Москвы (рис. 2.18 б). Так же как и в МГУ, среднегодовые значения температуры грунта на всех глубинах за период 1956–1964 гг. там ниже (+6,8 +6,9 С), чем в среднем за последующие 50 лет (+7,2 +7,3 С), что подтверждает тренд к повышению температуры грунта. Отметим, что температура грунта на всех горизонтах в МГУ за оба периода оказалась больше, чем на Подмосковной, что может быть следствием влияния городского «острова тепла». Как показано в (Lokoshchenko, Korneva, 2015), в Московском регионе это влияние проявляется не только в приземном слое воздуха, но и в верхнем слое грунта.
В условиях современного потепления климата очень важной задачей является изучение изменений температуры грунта во времени. Логично предпо 97 ложить, что одновременно с повышением температуры воздуха, которое наблюдается в Москве за последние 100 лет (Lokoshchenko, Vasilenko, 2009), повышается и температура грунта на различных глубинах. Для анализа долговременных трендов на глубинах были рассмотрены самые длинные доступные ряды данных о температуре грунта в Москве.
Как уже было сказано в разделе 2.1, наиболее долговременный ряд данных о температуре почвы существует по данным станции ТСХА: начиная с 1898 г. по настоящее время. В нашем распоряжении был только ряд температуры почвы и грунта с 1898 по 1950 и с 1957 по 1965 гг. на глубинах 25, 50, 100, 150, 200 и 320 см, опубликованный в открытых источниках (Климатологический справочник, 1972; Справочник, 1964). Начиная с 1966 по настоящее время из всех московских станций непрерывный временной ряд данных доступен только по данным МГУ для глубин 20, 40, 60, 80, 160, 240, 320 см. Таким образом, из двух рядов данных этих станций был составлен объединённый ряд за период с 1898 по 2013 гг. для глубины 150–160 см. Различие в Тг на глубинах 150 и 160 см, очевидно, является незначимым, как это видно на рис. 2.18, так что объединение данных измерений на этих глубинах не требует введения специальной поправки. Заметим, что на практике, вследствие выпучивания скважин или насыпного грунта реальная глубина нахождения термометров часто оказывается смещённой на ±2–3 см.
Различие же в пространственном расположении станций было учтено отдельно. На основании сравнений синхронных данных в обоих местах за 9 лет (с 1957 по 1965 гг.) было осуществлено приведение данных ТСХА к ряду данных в МГУ (Lokoshchenko, Korneva, 2012). Методика подобного приведения рядов подробно изложена, например, в (Алисов, 1952). За этот период была определен поправочный коэффициент к ряду данных на станции ТСХА, который рассчитывался как разность между среднемесячными значениями температур на станции МГУ и ТСХА. Пример рядов среднемесячных данных температуры грунта для июля приведён на рис. 2.22. На верхнем фрагменте рис. 2.23 видно, что исходные значения температуры грунта в июле на станции ТСХА выше, чем в МГУ, в среднем за 9 лет на 1,1 С. Это может быть связано с тем, что территория Метеорологической обсерватории МГУ находится в зелёной зоне, рядом с Ботаническим садом МГУ и вдали от крупных зданий, что способствует меньшему прогреву почвы, особенно в летнее время года. Исправленный ряд с учётом средней за 9 лет разности температур в июле приведён на нижнем фрагменте рис. 2.23. Аналогичное сравнение данных о Тг на глубине 150–160 см в ТСХА и МГУ было проведено во все месяцы года, и для каждого месяца была рассчитана разность Тг на станции МГУ и ТСХА. Стоить отметить, что эта разность имеет хорошо выраженный годовой ход (рис. 2.24). В тёплое время года (с июня по сентябрь) его значение отрицательно и колеблется от -0,5 до -1,1 С, т.е. температура на станции ТСХА в это время года выше, чем в МГУ. Как уже было сказано выше, это может быть связано с микроклиматическими различиями на этих станциях. В зимний период разность температур грунта положительна, Тг в МГУ на глубине 160 см превышает значения Тг на станции ТСХА. В среднем за год оказывается, что температура грунта в МГУ на 0,16 С ниже, чем на станции ТСХА, что соответствует среднему значению поправочного коэффициента к станции ТСХА -0,16 С.
Исправленный совмещённый ряд среднегодовых данных с учётом поправочного коэффициента приведён на рис. 2.25. Изменения среднегодовой Тг показаны с помощью линейного, кубического и полиномиального тренда 6-й степени. Линейный тренд (чёрная линия) показывает увеличение температуры за весь период приблизительно на 1,8 С со скоростью 0,016 С/год. Кубический тренд (синяя линия), имеющий две степени свободы, показывает немонотонное увеличение температуры, а именно период похолодания во второй половине XX века, а также современное потепление, начавшееся с 1970-х годов. Наиболее подробно характеризует изменения температуры полиномиальный тренд 6 степени (красная линия), который воспроизводит реальные периоды похолодания 40-х и потепления 60-х годов, затем снова понижение температуры в 80-х– 90-х годах и период современного потепления конца 20-го – начала 21 века, соответствующие изменениям температуры воздуха.