Антропогенное воздействие и обратные связи в атмосферном пограничном слое урбанизированных территорий

В начале XX века в связи с потребностью адаптации условий жизни значительной части населения Земли, проживающего в больших городах и на пригородных урбанизированных территориях, появилось большое количество исследований, посвященных взаимосвязи антропогенных потоков тепла, влаги и загрязнений с климатом города и структурой городского пограничного слоя атмосферы.

Развитию таких исследований способствует созданные в последние десятилетия численные модели, предназначенные для прогноза погоды и климатических изменений на конкретных ограниченных территориях, разработанные международными метеорологическими консорциумами, такие как, например, WRF, COSMO, HIRLAM. Роcгиромет РФ является членом метеорологического консорциума COSMO (COnsortium for Small-scale MOdeling) и разработанная этим консорциумом негидростатическая модель атмосферы, сопряженная с многослойной модели деятельного слоя суши, широко используется для прогностических целей и климатических исследований в Гидрометцентре РФ, МГУ им. М.В. Ломоносова, Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

В последние годы стали активно развиваться работы по теоретическому исследованию обратных связей между энергетикой и климатом города и анализу метеорологических и климатических параметров, характеризующих потребности городского хозяйства в энергетических ресурсах.

При этом до сих пор явно недостаточное внимание удаляется комплексному исследованию трансформации пограничного слоя атмосферы на урбанизированных территориях под совместным воздействием теплового, газового (в т.ч. за счет потоков водяного пара) и аэрозольного загрязнения городской атмосферы.

Проблема, решению которой посвящен предлагаемый проект, состоит в наличии специфики взаимодействия атмосферы с поверхностью урбанизированных территорий. Главным особенностью атмосферы городской агломерации является наличие переходного слоя между поверхностью и верхней границей городских строений – городского покрывающего слоя.

Научная новизна предлагаемого проекта заключается в комплексном подходе к исследованию роли антропогенных факторов в формировании и динамике городского покрывающего слоя (urban canopy layer) и его взаимодействия с городским атмосферным пограничным слоем (urban boundary layer) с учетом обратных связей между энергопотреблением городского хозяйства и метеорологическими характеристиками урбанизированных территорий. Важным и пока малоисследованным является действие антропогенной обратной связи между газово-аэрозольным загрязнением атмосферы городов, обусловленном энергопотреблением городского хозяйства, и температурой атмосферного воздуха в городе.

Такая задача представляется очень актуальной и может быть решена только при использовании как теоретических оценок, так и численного моделирования. В рамках выполнения предлагаемого проекта на основе теоретически обоснованных методов параметризации планируется в рамках использования модели COSMO-CLM учесть изменение радиационных, конвективных и турбулентных потоков, а также потоков явного и срытого тепла за счет теплового и аэрозольного загрязнения пограничного атмосферного слоя.

На основе расчетов с помощью модели COSMO и одномерной модели вертикального развития атмосферного пограничного слоя (single column model) планируется оценить влияние изменений горизонтального переноса тепла за счет адвекции на структуру городского пограничного слоя атмосферы.

В проекте будут использованы методы классической теории обратных связей в том виде, в котором они нашли широкое применение в теории климата, однако в отличие от обычно применяемого в качестве метрики радиационного баланса на верхней границе атмосферы, будет использоваться энергетический баланс поверхности или городского покрывающего слоя.

Для описания действия обратных связей интегральные модели планетарного пограничного слоя атмосферы будут адаптированы для случаев устойчивой и неустойчивой стратификации с учетом суточного хода радиационных притоков тепла. С помощью построенных моделей будет проанализирован суточный ход отклика температуры городского покрывающего слоя на действие обратной связи температура - антропогенный поток тепла.

Итогом выполнения проекта должно стать построение модели покрывающего слоя городской атмосферы, предназначенной для исследования действия обратных связей и использования для описания антропогенного воздействия на городской пограничный слой атмосферы в мезомасштабных климатических моделях.

 

Основные результаты первого года выполнения проекта

Разработана концепция простой модели городского покрывающего слоя (urban canopy layer) с блоком энергетики города для включения ее в существующие модели городского пограничного слоя атмосферы. Предварительные результаты были представлены на Всероссийской конференции посвященной памяти А.М. Обухова «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», Москва, ноябрь 2020 г.

Проведен анализ данных о климатических условиях, тепловом, газовом и аэрозольном загрязнении больших городов России для учета этих данных при описании действия обратных связей в пограничном слое атмосферы урбанизированных территорий. Выполнено сравнение различных биоклиматических характеристик для крупных городов России. Предварительные результаты были представлены на Всероссийской конференции посвященной памяти А.М. Обухова «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», Москва, ноябрь 2020 г.

Выполнен обзор существующих в свободном доступе одномерных моделей вертикального развития пограничного слоя атмосферы и анализ возможности использования таких моделей для описания роли теплового, газового и аэрозольного загрязнении городской атмосферы в формировании и динамики климата города.

Проведены расчеты влияния теплового загрязнения на характеристики городской атмосферы с помощью модели COSMO-CLM. Результаты и анализ этих расчетов опубликованы в журнале «Известия РАН. Физика атмосферы и океана».

Дополнительно к заявленным целям и задачам проекта был подготовлен обзор «Городской аэрозоль и моделирование аэрозольных эффектов в региональных климатических моделях».

В силу особенностей этого года в рамках проекта были дополнительно выполнены исследования воздействия весеннего карантина 2020 года на качество воздуха в Москве. Во время карантина резко уменьшилось количество автомобилей на улицах города и соответственно объем выбросов загрязняющих веществ городским транспортом. При этом загрязнение городского воздуха от других источников, таких как промышленность, полигоны твердых бытовых отходов и др. изменилось не так значительно. Таким образом был поставлен уникальный эксперимент по оценке влияния различных антропогенных воздействий на загрязнение и состав атмосферного воздуха. Анализ данных ГПБУ «Мосэкомониторинг» за первое полугодие 2020 года выявил существенно различный характер изменений уровня загрязнения атмосферного воздуха во время карантина вблизи автомагистралей и в жилых районах. Особенно ярко эти различия проявляются в данных о концентрации угарного газа (СО), содержание которого во время карантина весны 2020 года в жилых кварталах Москвы снизилось примерно на треть по сравнению с средними значениями в весенние сезоны предыдущих лет. Результаты опубликованы в журнале «Доклады РАН. Науки о Земле».