Климатогенная роль городского озеленения

Print PDF

 

Я уже писал про климатогенную роль растительности, но вне города, сейчас два слова про её же роль внутри него

Рисунок из «Экологии города» п/р Ф.В.Стольберга (2000) показывает, чем отличается (в среднем) городской макроклимат от негородского. Микро- и мезоклимат отдельных частей города формируется, во-первых, застройкой и улицами с их тепловыделением и поливом, с другой – остатками природного окружения: зелёными территориями  и водными объектами. Как именно это происходит, описано в книге H.Sukopp & R.Wittig (Hrsg) “Stadtökologie” (Gustav Fischer Verlag, 1998) в разделе 6.9. Klimatische Bedeutung innnerstaedtischen Grün- und Wasserfläschen («Климатическое значение внутригородских «зелёных островов» и водных пространств»). S.144-148. Добавлю, что эта монография – лучшее из известных мне руководств по экологии города.

«Открытые пространства в городе, если их не застраивать и не запечатывать,  способствуют улучшению городского климата разными способами. Это особенно ценно для южных городов[1]. Биоценотическая работа «зелёных ареалов»[2] и внутренних водоёмов фактически представляет собой «благотворительность» по отношению к жизни и здоровью горожан[3]. Эта «благотворительность» простирается на ближайшие – но зачастую и на довольно дальние – окрестности соответствующих объектов. Поэтому надо последовательно рассмотреть все относящиеся сюда примеры о климатогенной роли растительности и водных объектов в современных городах.

Позитивное значение зелёных насаждений на городской климат и качество воздуха в городе зависит от площади насаждений, их композиционной структуры, состава и связанности насаждений[4]. Даже просто травяные участки[5] показывают позитивные отличия в суточном ходе температуры, изменений влажности воздуха, балансе излучения и энергии от застроенных территорий и запечатанных площадей[6].

См. рисунок 6-20.  Отрицательная зависимость среднесуточных (RH_mitt) и максимальных (R_max) значений относительной влажности воздуха от %% запечатанности территории на пробной площади в одном из районов Мюнхена в период ясной солнечной погоды летом (20-23 августа 1984[7]).

Названный биоклиматический эффект сильно усиливается, когда в структуре насаждения появляются кустарники и особенно – деревья, достаточно высокие для создания тени.  Они «перехватывают» значительную часть теплового потока за счёт чувствительности к нему. Благодаря тенистости насаждения в течение всего времени его существования в нём и на некоторой территории вокруг [тем большей, чем выше площадь] поддерживается меньшая температура воздуха и большая влажность, чем в [лишённом озеленения] окружении. Большая часть поступающего потока радиации в этом случае поглощается по верхнему периметру кроны и внутри кроны деревьев, её меньше тратится на разогрев почвы и больше утилизируется, чем в случае запечатанных поверхностей [а тем более застроенных территорий]. Кроме того, из увеличения «размерности» насаждения  за счёт деревьев естественным образом следует уменьшение скорости ветра внутри насаждения и, соответственно, более эффективная фильтрация внутрикроновых потоков воздуха с поглощением загрязнений[8].

Поскольку зелёные насаждения, на основании сказанного, внутри и вокруг себя поддерживают устойчиво сниженную  температуру воздуха и обеспечивают микроклимат, меняющийся между днём и ночью, вместо выровненного в застройке,  между ними и застроенными территориями возникает локальная циркуляция воздуха, стремящаяся уравнять эту разность (что особенно важно в ясную солнечную погоду). Возникает поток более холодного и насыщенного влагой воздуха, «протягивающийся» от зелёных насаждений к застройке. Его глубина проникновения  зависит как от структуры насаждения и характера его опушки (о чём см.выше), так и от характера «притягивающей» его застройки[9]. Если зелёные насаждения располагаются в низине, или окружены стеной, воздухообмен затрудняется, и дальность действия биоклиматического эффекта озеленения уменьшается. В этом случае отверстия в стене вместе с идущими от них дорогами могут работать как «воздухопроводы», доставляя свежий влажный воздух вглубь застроенных территорий.

На самой застроенной территории глубина проникновения прохладного влажного воздуха с «зелёных островов» определяется плотностью и этажностью застройки. Когда зелёные насаждения окружены сплошной закрытой стеной высоких домов, их биоклиматический эффект ограничивается их ближайшей окрестностью (создавая т.н. эффект оазиса). Если ж, напротив, преобладает достаточно рыхлая застройка [размеры проёмов между зданиями сопоставимы с их линейными размерами], где пронизывающие её улицы непосредственно подходят к зелёной территории, возможно глубокое вторжение прохладного влажного воздуха на застроенную территорию[10].

В этой связи существует (и особенно с точки зрения влияния планировки города на климатические характеристики, существенные для жителей) первоочередная необходимость в разъяснении 2-х вопросов:

— Насколько велики должны быть «зелёные острова», чтобы эффективно (и устойчиво) улучшать климатическую ситуацию на застроенных территориях «в зоне своего влияния»?

—  На каком удалении от зелёных насаждений в застройку может быть обнаружен эффект улучшения климата?

Некоторые результаты по Западному Берлину показаны в таблице 6-14. Она сопоставляет данные о дальности подтвержденного климатического эффекта (в м) для нескольких  озеленённых территорий и пустырей, с разбивкой по дням с разными погодными условиями и направлением ветра.  Эффект определялся сохранением горизонтальной разницы температуры  как минимум 0,5К (на высоте 2 м), в сравнении с контролем в центре застройки (Δt), значения эффекта в таблице усреднялись по разным направлениям. Для малых садиков в районе Priesterweg/ Südgelände приведены средние и максимальные значения из наблюдавшихся, для остальных территорий – минимальные и максимальные значения диапазона. 1 – наветренная, 2 – подветренная сторона, 3 – прочие направления. Наибольшей эффект фиксируется с подветренной стороны «зелёного острова», что вполне ожидаемо.

Таблица 6.14.

Территория	Площадь, га	Погодные условия (по отношению к скорости ветра)
		С затруднённой конвекцией (движение воздуха <2 м/с)	С умеренно затруднённой конвекцией (2-4 м/с)	С нормальной конвекцией (>4м/с)
Großer Tiergarten 1 2 3	212	0-200До 1300-	-400-1500280-800	—
Садики в Priesterweg/Südgelände 1 2 3	Около 125	270 (мах. 500)270 (мах. 500)260 (мах. 500)	80 (мах. 200)260 (мах. 500)160 (мах. 1000)	100 (мах. 200)540 (мах.1100)20 (мах. 100)
Городское кладбище Steglitz 1 2 3	Около 36	50-220280-4200-70	-100-25050-300	—
Пустыри в окрестностях Ангальского вокзала- 1- 2- 3	Около 30	-100-200150-600	100-3000-300-	0-200300-1000-
Городской парк Steglitz 1 2 3	17.6	90-14060-9080-90	60-7020-2800-30	—

Также свою роль играет и периметр «зелёного острова», его форма. Чем он больше, тем сильнее (при равной площади) биоклиматический эффект растительности (т.е. изрезанные формы «острова» предпочтительнее округлых, правда такой участок и сохранить труднее в условиях агрессивной городской среды). Наибольшее воздействие растительности на климатические условия на застроенных территориях наблюдаются при погодных условиях, затрудняющих конвекцию. Так, при данных условиях влияние Тиргартена прослеживается на глубину до 1,5 км., однако наветренная сторона сокращает его до 200 м, благодаря создаваемой турбулентности воздушных потоков.

Рисунок 6-21 показывает зависимость между площадью «зелёного острова», и разностью температур Δt , созданной его биоклиматическим эффектом (получена для разных озеленённых территорий Берлина, при среднезатруднённой конвекции, 9 июля 1982 г., 23.00 среднеевропейского времени). Она показывает логарифмическую зависимость Δt  от площади в га, с коэффициентом корреляции 0,7. Большая или меньшая величина отклонений отдельных точек от этой зависимости можно объяснить воздействием местных факторов, действующих по периметру территории, и препятствующих воздухообмену или способствующих ему и, соответственно, модифицирующих общее воздействие, зависящее от площади. Принципиально здесь то, что с помощью названной выборки данных эффект фитомелиорации от существующих зелёных насаждений может быть количественно оценен и спрогнозирован.

Климатический эффект водных объектов (в сравнении с зелёными насаждениями) отличается сразу по многим параметрам. В таблице 6-15 приведены важнейшие параметры влияния городских водоёмов на климатическую ситуацию в близлежащей застройке, позволяющие соответствующим эффектом управлять. Массы воды выступают исключительно сильным поглотителем лучистой энергии, так что даже при максимальном поглощении суточная амплитуда температур у поверхности водного зеркала выражена очень слабо. Это связано с 2-мя существенными факторами:

— запускается круговорот водных масс в самом водоёме: благодаря конвекции и адвекции холодная вода у зеркала заменяется потоком более тёплых вод из глубины;

— исключительно высокой удельной теплоёмкостью воды, 4,2 кДж/кг-К, что в 4 раза выше, чем у бетона (0,9 кД/кг-К).

Большая часть энергообмена между водой и воздухом тратится на турбулентный перенос скрытой теплоты, благодаря малым значениям отношения Боуэна над поверхностью воды.

Верхние водные слои, остающиеся исключительно холодными в сравнении с приходящей из воздухак солнечной радиацией, в сравнении с быстронагревающейся застройкой создают т.н. «эффект оазиса» — освежающий, охлаждающий, ободряющий и т.д. Он отличается тем, что поглощение энергии в поверхностных слоях воды существуенно выше, чем рассчитанное для радиационного баланса всего водоёма. «Дополнительная» энергия, а он компенсирует избыточный нагрев на застроенной территории, ибо последнее чувствительно к адвективному переносу, который и организуется водными объектами.

См. таблицу физических и климатических характеристик городских водоёмов с учётом их положения относительно районов сплошной застройки

	Типичные характеристики и их ценность (в отношении благоприятности климата)
Внешнее (солнечное) излучение	В зависимости от положения солнца, длины волны и мутности воды проникает на большую или меньшую глубину
Поглощение радиации	В коротковолновой области 90-97%, в длинноволновой 95%
Альбедо	Зеркальное отражение: низкое при малых углах падения (<300), высокое при  углах падения больших 300Диффузное рассеяние: низкое независимо от угла падения
Верхний  свет	При зеркальном отражении
Нижний свет	За счёт рассеянного излучения молекул воды и, возможно, отражения от дна водоёма
Удельная теплоёмкость	Высокая, вода 4.2 кДж/кг * К, бетон 0.9 кДж/кг*К
Теплопроводность	Незначительная; вода 0.6 Вт/м*К, бетон 1.6 Вт/м* К
Отклонение температуры верхних прогреваемых слоёв воды от основной массы (Δt)	Зависит от глубины водоёма Т, Δt ~ T-1/4
Коэффициент Боуэна, ß	Незначительный: вода — -0.2, застроенные территории 1-2
Перемешивание масс	Происходит через  обмен трения и конвекционный обмен
Шероховатость, z0	Очень низкая, z0 воды – 1-2 см., притом что сопротивление трения городских местообитаний z0 = 1-3 м
Эффект оазиса	Основан на скрытом потреблении энергии, превосходящей радиационный баланс; последний уравновешивается за счёт адвективного переноса энергии с застроенных территорий
Краевой эффект	Создан влиянием берега на водные массы и наоборот, в т.ч. прибрежной растительностью
Местная циркуляция над водоёмами	Зависит от величины водоёма и застроенности береговой линии; в течение дня более вероятно, чем ночью
Перемещение воздушных масс	Со слабыми ветрами, через сопутствующее им ускорение водотока
Испарение	Высокое; при направлении ветра параллельно длинной оси водного зеркала испарение тем не менее существенно ниже, чем при перпендикулярном направлении ветра
Положение в или около городского района	Может использоваться как воздухозаборник, нагнетающий свежий воздух из близлежащих районов, благодаря низкому трению движущихся воздушных масс о поверхность водного зеркала
Эффект «удержания места»	Область вокруг водоёма становится недоступной для дальнейшего уплотнения городской застройки

Величина водоёма определяет также его краевой эффект, который определяет микроклиматическую специфику на границе между береговой линией и водным зеркалом. Если берег покрыт растительностью, то в периоды хорошей погоды она больше испаряет в сравнении с чистой водной поверхностью. Повышение относительной влажности воздуха вдоль береговой линии является конечным следствием интенсивной транспирации растительности; поэтому она уменьшается, когда сводится чисто к испарению с открытой водной поверхности, без растительности. Willer (1950) показал, что разница в относительной влажности между обоими типами местообитаний значительна, устойчива и достигает максимума ранним вечером (40%).

Разовьётся ли между городским водоёмом и его застроенным окружением атмосферная циркуляция по типу городских бризов – сравнимых с морскими или озёрными бризами, появляющимися на сравнимых по масштабу берегах естественных водоёмов – зависит от размера и глубины водоёма. Когда последний   достаточно глубок, он может ежедневно – при контрасте между перегретой застройкой и относительно холодной массе воды – создавать приземный воздушный поток, компенсирующий эту разность давлений, и направленный от водоёма к участкам застройки. Природные бризы ночью меняют направление на противоположное, так как берег быстро охлаждается и становится холодней водоёма, отдающего полученное за день тепло много медленней; возникает воздушный поток в противоположном направлении. Напротив, городская застройка нагревается настолько сильно, что ночью воздушный поток противоположного направления не возникает; лишь иногда появляется слабая местная  циркуляция.

Когда река пронизывает городскую агломерацию, она формирует слабовыраженный градиент изменения погодных условий в направлении течения, формируя конвекционный оборот воздушных масс со сдвигом «по направлению к реке и вниз по течению». Reiter 1955) посредством измерений над р.Инн смог показать, что, если считать водную поверхность грубой границей раздела, то в эффект вовлечения воздушных масс с приречных территорий вовлекаются слои до высоты 3 м включительно. При погодных условиях, затрудняющих конвекционный обмен, эффект «увлечения воздушных масс водотоками» играет вспомогательную роль в доставке пригородного воздуха в городские районы.

Исследования влияния внутригородских водоёмов на температурный и влажностный режим их застроенного окружения показали для ясных солнечных дней, что снижение температуры и увеличение влажности распространяется на ширину улицы, прилежащей к водоёму, и зависит от интенсивности движения. Различные изменения, произведённые в Японии, подтверждают, что на улице шириной 100 м, идущей перпендикулярно реке, на расстоянии 50 м от уреза воды температура снижена на 2К, на расстоянии 300 м – на 1К ниже среднегородской.

Узкие улочки ослабляют эту зависимость, точно также как заключение реки в бетонные берега сильно снижает вышеописанное влияние на городской климат. (Поэтому сейчас в той же Германии восстанавливают естественные берега рек, освобождая их от бетонных «оков» — и чтобы они восстановили свою первоначальную функцию «транзитных коридоров» для фауны, благодаря которым поддерживается устойчивая связь между «островными» популяциями городских лесов, так и заради восстановления позитивного влияния водотоков на городской климат. Я видел такие восстановленные берега в Ганновере на ЭКСПО-2000). Murakawa et al. (1988) показали, что существование берегового укрепления из бетона высотой 4.3 м сокращает примерно на 70 м «зону влияния» эффекта уменьшения температуры на застроенных территориях от водоёма. Кроме того, на эффект понижения температуры влияет и направление ветра. При господствующем «речном» ветре  движение воздуха направлено от реки к застройки, уменьшение температуры в том же направлении  выражено сильней и дальше распространяется вглубь застройки, чем при противоположно направленном «городском» ветре.

Помимо влияния водных объектов на температурные изменения в их окружении, они также вызывают изменения влажности воздуха, сонаправленные и сопряжённые с температурными. Проводя измерения в аэродинамической трубе, было показано, что увеличение влажности распространяется максимум на 50 м о т водоёма вглубь плотно застроенной территории; при меньшей плотности застройки эта дальность увеличивается до 150 м.

Особенно благоприятное перераспределение увеличения влажности, создаваемого водоёмом, наблюдается в случае отдельно стоящих, редко расположенных зданий, своей длинной стороной ориентированных перпендикулярно урезу воды. Тут дальность достигает 300 м, при увеличении относительной влажности воздуха до 5%.

———————————————————————————

Следующий раздел – 6.10 –посвящён тому, как создавать «острова» и «островки» искусственных зелёных насаждений для улучшения городского климата, для случая, если жителям не удалось отстоять первоначально попавшие в черту города леса и лесопарки от застройщиков. Его я переведу позже.

P.S. Позднейшие исследования показали, что климатогенная роль городской растительности сильно недооценивается (до восьми раз), она ещё значительней, чем описано в «Stadtökologie»