CC BY
17
АРХИТЕКТУРА. РЕКОНСТРУКЦИЯ. РЕСТАВРАЦИЯ. ТВОРЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ АРХИТЕКТУРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. АРХИТЕКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ. ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ГРАДОРЕГУЛИРОВАНИЕ
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 711-1
DOI: 10.22227/2305-5502.2022.4.3
Градо-климатическое зонирование города Новороссийска с учетом особенностей ветрового режима
Оксана Николаевна Сокольская, Влада Владимировна Каранова
Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); г. Краснодар, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. На формирование застройки г. Новороссийска влияют местные природно-климатические особенности расположения территории города, наличие моря и горного рельефа. Данные факторы в значительной степени отражаются на микроклиматических показателях городской атмосферной среды и требуют обязательного учета при градостроительном и архитектурно-планировочном проектировании.
Материалы и методы. Использованы современные компьютерные метеорологические модели, применяемые в прикладной метеорологии ICON, GFS и GEM, учитывающие климатические особенности Черноморского побережья и уникальные ветровые особенности в течение всего года.
Результаты. Предложено введение в практику градостроительства г. Новороссийска градо-климатического зонирования территории с делением селитебной территории, расположенной на западной стороне Цемесской бухты Черноморского побережья, на две основных зоны: зону территории застройки, основной задачей которой является защита городских пространств от экстремальных ветров, достигающих больших скоростей ветра в зимний период года, и зону застройки, развивающую благоприятные бризовые ветры в теплое время года. Для этих зон разработаны основные рекомендации к застройке градостроительного и архитектурно-планировочного характера.
Выводы. Введение в практику градостроительства градо-климатического зонирования позволит существенно улучшить микроклиматические показатели в летний период года среди застройки путем развития благоприятных бризовых ветров, а также ограничит доступ экстремально холодных ветров вглубь застройки со стороны северо-востока в зимний период года при помощи рекомендуемых архитектурно-строительных и объемно-планировочных рекомендаций.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: градостроительство, Новороссийск, застройка, городская среда, архитектурное планирование, бриз, рельеф
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Сокольская О.Н., Каранова В.В. Градо-климатическое зонирование города Новороссийска с учетом особенностей ветрового режима // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. Вып. 4. Ст. 3. URL: http:// nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.4.3
Автор, ответственный за переписку: Влада Владимировна Каранова, [email protected].
Climate-based city zoning with regard for the wind conditions |
of the city of Novorossiysk 0 p
00
--s e
Oksana N. Sokolskaya, Vlada V. Karanova IC
Kuban State Technological University (KubSTU); Krasnodar, Russian Federation U n
__e :
ABSTRACT o
Introduction. Local nature, the climate, the sea, and the mountainous terrain influence the development of the built-up en- 1 vironment in Novorossiysk. These factors make a large contribution to the microclimate index of the urban atmosphere, and
they must be taken account in the course of urban planning and architectural designing. s
Materials and methods. Advanced weather models, used in applied meteorology, such as ICON, GFS and GEM, which s
take into account the climatic features of the Black Sea coast, and unique whole-year wind patterns, typical for the area, were e
used in this scientific research. 4
Results. The authors suggested introducing climate-based city zoning into the urban planning practice of Novorossiysk. In (
particular, the residential area on the west coast of the Tsemesskaya Bay along the Black Sea coast can be divided into 6
the two main parts: the development area, whose mission is to protect urban spaces from strong winds, reaching high ve- ^
© О.Н. Сокольская, В.В. Каранова, 2022
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
locities in the winter season, and the development zone that triggers moderate breezes in the warm season. Principal urban planning and architectural design recommendations were developed for both territories.
Conclusions. Climate-based city zoning, if introduced into practical urban planning, will substantially improve the microclimate indices of development areas in the summer time by facilitating favourable breezes and limiting access for extremely cold winds, blowing from the north-east in winter, if the architectural, structural and space planning recommendations are implemented.
KEYWORDS: urban planning, Novorossiysk, development, urban environment, architectural planning, breeze, terrain
FOR CITATION: Sokolskaya O.N., Karanova V.V. Climate-based city zoning with regard for the wind conditions of the city of Novorossiysk. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2022; 12(4):3. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.4.3
Corresponding author: Vlada V. Karanova, [email protected].
ВВЕДЕНИЕ
По существующей классификации климатических поясов установлено, что Новороссийская бухта относится к морскому климату умеренных широт с теплым летом и умеренно мягкой зимой. Сложная орография местности создает исключительно разнообразные местные климатические условия [1].
Уникальные природно-климатические особенности города Новороссийска, такие как наличие морских территорий и горной местности, влияют на микроклиматические показатели окружающей атмосферной среды, а также на показатели приземной зоны нахождения человека. При градостроительном и архитектурно-планировочном проектировании именно эти показатели являются ведущими и требуют обязательного учета.
Множество научных работ посвящены исследованиям, связанным с этой темой [2-16].
На основании наблюдений прибрежных гидрометеорологических станций собраны данные о скорости ветра в городе Новороссийске и циркуляционных потоках местных ветров, которые возникают из-за особенностей движения воздушных градиентных потоков между границами с различной степенью нагревания. Среди таких циркуляций выделяют горно-долинную, склоново-равнинную, а также циркуляцию между морской и береговой подстилающей поверхностью. Все эти виды атмосферных циркуля-са ций и особенности рельефа характерны для рассматриваемого нами региона.
Были выявлены основные разновидности ветрового режима, имеющие место в городе Ново-И российске, которые необходимо учитывать при «3 архитектурно-строительном проектировании зданий сад и застройке: это ветры в теплый и холодный период ^ года.
е Стоит отметить, что в теплое время года, которое
приходится на период с марта по ноябрь, домини-
е
Ё | руют благоприятные бризовые ветры, преобладаю-е о щим направлением которых является юго-восточное х £ и северо-западное. Их скорость составляет в июне Ц ^ и июле около 3,5 м/с, в августе — 3,9 м/с, в то время * как число дней в июле с максимальной температурой
20,1-25,0 °С — 4; 25,1-30,0 °С — 19; 30,1-35,0 °С — 7; 35,1-40,0 °С — 0,5 дней, интенсивность солнечной радиации 760 Вт/м2.1
«Роза ветров» в целом подтверждает статистические и экспериментальные данные. Проанализировав «розу ветров» по повторяемости для города Новороссийска, можно сделать вывод, что в летнее время года круговая диаграмма вытянута с северо-запада на юго-восток с отклонением на северо-восток. При этом повторяемость благоприятных бризовых ветров северо-западного направления составляет 28 % при средней скорости 2,9 м/с, юго-восточных 17 % при скорости 3,2 м/с и северо-восточных 17 % при средней скорости 6,5 м/с. Что говорит о необходимости развивать ветры данных направлений градостроительными и архитектурно-планировочными средствами в летнее время года (рис. 1).
После восхода солнца, спустя несколько часов, начинается морской бриз, который достигает максимального развития после полудня. После захода солнца морской бриз сменяется береговым, который направлен в сторону моря. Нередко он является слабее морского. Размер охвата территории города Новороссийска «бризовым ветром» распространяется на всю береговую часть города, а это полоса длиной примерно 3 км по берегу от линии моря.
Стоит отметить, что в городе Новороссийске присутствует также штилевой период, который в июле составляет 16,8 %. Он образуется при смене бризовых ветров: морского на береговой и наоборот. В утреннее время бризовый ветер со стороны Черного моря в г. Новороссийске составляет 50,23 % всех ветров и штиля [17].
Анализ «розы ветров» в холодный период года демонстрирует, что преобладающими направлениями ветра также являются северо-западные ветры (35 %) при средней скорости 4 м/с, северные (16 %) и южные ветры (16 %) при средней скорости 6,7 и 5,5 м/с. Ветры северо-восточного направления достигают значительных скоростей, средней скорости 10,1 м/с, повторяемостью 11 % (рис. 1, 2).
1 Справочник по климату Черного моря. М. : Гидрометео-издат, 1974. 407 с.
Градо-климатическое зонирование города Новороссийска с учетом особенностей ветрового режима
Рис. 1. Направление бризовых ветров в городе Новороссийске: а — утренний бриз (с 04.00 до 12.00); Ь — ночной бриз (с 20.00 до 04.00)
Различия температурного режима в условиях сложной орографии города и наличия моря становятся значительными в холодный период года. Так, температура воздуха на перевале, находящемся с северо-восточной стороны города, обычно бывает на 15-20 °С ниже, чем на побережье. Такая температурная разница с обеих сторон Маркотхского хребта является одним из факторов развития холодного «обвального» воздушного потока, который периодически стремится к теплой морской бухте города Новороссийска в осенне-зимний период.
Рис. 2. Направление холодного северо-восточного ветра «норд-оста» в холодный период года в городе Новороссийске
Бора или «норд-ост» — своеобразная визитная карточка города Новороссийска. Можно считать, что это уникальное природное явление на территории России, встречающееся только в данном регионе Черноморского побережья. Оно наблюдается исключительно в холодное время года с ноября по март. В этот период на Черноморское побережье приходят
холодные воздушные массы, вследствие чего со стороны Северо-Кавказского плато идет шквальный северо-восточный ветер. При этом холодный воздух, проходя через препятствие в виде горного хребта, преобразуется в сплошную массу воздуха, которая со стороны города напоминает гигантскую опускающуюся «седую бороду».
Действия боры в Новороссийске в среднем составляет 46 дней в году, продолжительностью около 1-3 суток, иногда этот промежуток времени может достигать до недели. Бора — это сильный разрушительный ветер, достигающий скорости 40 м/с и более. Стоит отметить, что период действия боры в городе Новороссийске часто сопровождается разрушениями. Однако также существует отличительная особенность данного уникального явления, которая заключается в том, что скорость ветра резко снижается по мере удаления от берега; на расстоянии уже в 8 км от берега бора почти не ощущается1.
Данные особенности ветрового режима позволяют сделать вывод об обязательном введении в основу проектирования зданий и застройки градо-климати-ческого зонирования города Новороссийска, которое позволит существенно улучшить микроклиматические показатели атмосферной среды в приземном слое нахождения человека среди застройки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Основой данного научного исследования является методика изучения метеорологических процессов в различных уровнях градостроительного проектирования. Уникальные ветровые особенности города Новороссийска отдельно рассмотрены для холодного и теплого времени года на макро- и мезо-экологическом уровне градостроительного проектирования.
Анализ основных видов тепловетровых процессов города Новороссийска, благоприятных летних
N9
и экстремальных зимних процессов проведен при помощи современных компьютерных метеорологических моделей, таких как ICON, GFS и GEM, учитывался при этом сложный рельеф Кавказских гор и акватории Черного моря, непосредственно влияющих на формирование ветра над территорией города.
Также был проведен анализ основных функциональных зон Новороссийска, выделены зоны, наиболее влияющие на градостроительное, архитектурно-планировочное и объемно-планировочное решение застройки. Установлено, что промышленная зона расположена на северо-восточном берегу Цемесской бухты. Здесь размещены такие крупные предприятия, как Новороссийский электроремонтный завод, ОАО «Новоросцемент», ООО «Атакайцемент», ООО «Новоросметалл», ООО «Новоросбетон», ООО «Кримиан Франц Киль» («КФК»), ООО «Новороссийский кислородный завод», ООО «Новороссийская перерабатывающая компания», АО «Новороссийский судоремонтный завод».
Селитебная зона почти вся занимает противоположную сторону бухты. Присутствует четкое деление на усадебную застройку и застройку многоквартирными зданиями высотной этажности, которые
расположены ближе к побережью. Усадебная застройка, находящаяся в зоне промышленной, на северо-восточном берегу подлежит выносу.
Представлено градо-климатическое зонирование Новороссийска с делением территории города на зону развития ветра в летний период и зону защиты от ветра в осенне-зимний период (рис. 4).
Целью данного научного исследования является разработка градостроительных и архитектурно-планировочных рекомендаций к застройке для защитной зоны и зоны развития бризовых потоков, с учетом требований микроклиматического комфорта приземного слоя атмосферы.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходя из этого, предложена схема градо-кли-матического зонирования селитебной территории города Новороссийска (рис. 4).
Установлено, что зимой необходимо ограничить доступ холодных ветров внутрь городской застройки со стороны северо-востока, а летом развивать бризо-вые ветры южного и юго-восточного направления на северо-запад.
еч
и п •а а С ®
аз п
Рис. 3. Схема функционального зонирования города Новороссийска с выделением промышленной и селитебной территории
Градо-климатическое зонирование города Новороссийска с учетом особенностей ветрового режима
Рис. 4. Схема территории города Новороссийска с выделением зоны застройки, защищающей от холодных ветров в зимний период, и зоны, развивающей благоприятные бризовые ветры
Градо-климатическое зонирование города Новороссийска предполагает деление селитебной территории города условно на следующие зоны:
• территория селитебной застройки, на которую оказывается максимальное воздействие экстремального ветра «норд-оста», ограничивающая влияние холодных ветров в зимний период, но не препятствующей летним благоприятным бризам с марта по ноябрь;
• территория селитебной застройки, задачей которой является развитие береговых и бризовых ветров и создание комфортного микроклимата застройки в летний период.
В целом установлено, что формирование градостроительной, архитектурно-строительной и объемно-планировочной структуры застройки подразумевает основную функцию набережной зоны города Новороссийска — встречать сильные ветра и защищать от них город, а для другой зоны — развивать благоприятные летние бризовые ветра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Установлено, что основной рост города Новороссийска сосредоточен на западном берегу Цемесской бухты Черноморского побережья. Именно здесь
необходимо уделить внимание застройке, обеспечивающей защиту от холодных ветров в холодное время года, с большой скоростью обрушивающихся на город, а также застройке, максимально развивающей благоприятные бризовые потоки в теплое время года с марта по ноябрь (рис. 3).
Определено, что для градо-климатической защитной зоны застройки основная задача состоит в том, что будет преграждать путь экстремальным ветрам северо-восточного направления и защищать от них городские общественные пространства и приземные зоны придомовых пространств, но при этом не будет препятствовать развитию ветров южных и юго-восточных направлений (рис. 4).
Формирование относительно равноэтажной застройки, замкнутых и полузамкнутых жилых комплексов является наилучшим вариантом в районах с повышенным ветровым режимом, в частности в Новороссийске. Хотелось бы отметить, что следует избегать формирования среди застройки искусственных «ветровых каньонов» или сквозных дворовых пространств, в которых наблюдается усиление скорости ветра при обтекании объемно-планировочных форм застройки.
N9
Общественные внутридворовые пространства необходимо вынести в заветренную часть от здания, это позволит снизить проникновение усиленных ветровых потоков во внутреннюю территорию застройки в период норд-оста. Не рекомендуется значительно возвышать одиноко стоящие высотные здания, вокруг которых образуются мощные турбулентные потоки воздуха в придомовой зоне при обтекании ветровыми потоками.
Создать меньшую скорость масс с наветренной стороны возможно с помощью проектирования зданий с особыми композиционными решениями, основанными на применении ломаных очертаний или округлых форм и системы разноярусного непроду-ваемого озеленения.
Также стоит уделить внимание углу поворота размещения оконных проемов с остеклением по отношению к экстремальным холодным ветрам. Рекомендуется исключить угол в 90° во избежание максимальной ветровой нагрузки на остекление.
Озеленение в градостроительстве также может быть использовано для целей защиты от ветра. Проблему сильных ветров в зимний период в городе Новороссийске возможно улучшить посредством грамотного подбора зеленых насаждений, которые не только препятствуют проникновению мощных воздушных масс, но и выполняют функции защиты городской среды от перегрева в летний период, излишнего шума в районах автомобильных магистралей, железнодорожных путей и способствуют очищению воздуха. Важно учитывать тот факт, что кроны деревьев должны обладать оптимальной способностью пропускать воздушные массы [18-20]. По данным некоторых источников, массив зеленых насаждений снижает скорость ветра на 50-75 %, группа деревьев — на 20-40 %, а рядовая посадка — на 30-50 %, даже плотные газоны гасят скорость ветра на 10 %2.
Для защитной зоны города Новороссийска рекомендуется группа зеленых насаждений малопродува-емой кроной различной высотности, либо с увеличением по высоте от приземных кустов с наветренной тщ стороны и дальнейшим постепенным увеличением
высоты кроны. ^ Для бризовой зоны основной целью является
8в развитие благоприятных бризовых потоков ветра ^ в теплый период года (рис. 4). Особое внимание стоит — уделить ориентации улиц. Следует отдать предпочте-са ние направлению дорожно-транспортной сети с юга в"^ и юга-востока на северо-запад. Расположение дорог д в направлении основных потоков бризового ветра развивает скорость благоприятных бризовых ветров, ^ в снижает запыленность воздуха и улучшает микрокли-£ = матические показатели в приземной зоне застройки.
■а ва т-»
В то же время направление дорожно-транспортной
2 Официальный сайт администрации и городской Думы муниципального образования город-герой Новороссийск. URL: https://admnvrsk.ru/
сети с юга и юга-востока на северо-запад в зоне развития бризовых ветров в летнее время года позволит защитить большую часть селитебной зоны от неблагоприятного ветрового воздействия северо-восточной боры, сократить глубину продвижения холодных экстремальных ветров вглубь городской застройки.
Помимо этого, следует отдать предпочтение обтекаемым формам объемно-планировочных решений застройки с обязательным учетом экологически неблагоприятной наветренной и заветренной зоны.
Для выбора типа озеленения в зоне застройки для развития благоприятных бризовых потоков возможны следующие рекомендации: древесная растительность, расположенная вдоль транспортных магистралей, поглощает шум и вредные примеси из воздуха. Деревья задерживают большую часть солнечной радиации, уменьшают интегральное альбедо городской застройки и понижают радиационную температуру за счет транспирации. В бризовой зоне города Новороссийска рекомендуется применять растительность с объемной плотной высокой кроной без подлеска, способной затенять территорию и развивать аэрацию бризовых потоков в подкронном пространстве.
Для промышленной зоны следует предусмотреть компактное размещение объектов данной функциональной зоны и расположение их вблизи основных транспортных магистралей на достаточном удалении от жилых и рекреационных территорий. Размещение производственных, складских, коммунальных объектов сконцентрировать, в основном, на западном, северо-западном или восточном районах города Новороссийска и поселка Верхнебаканский. Таким образом будет снижена концентрация вредных веществ в жилых районах, так как данная зона располагается по отношению к источникам химического загрязнения атмосферы с наветренной стороны, а также удобна в целях транспортной доступности и по отношению к морскому порту. Ближе к горным склонам следует предусмотреть сплошные ветрозащитные полосы с отступом от застройки.
В итоге в основу планировочной структуры застройки, архитектурно-строительного и объемно-планировочного решения для города Новороссийска, отличающегося особенностями ветрового режима, следует положить градо-климатическое зонирование, основной задачей которого является ограничение доступа экстремально холодных ветров вглубь застройки со стороны северо-востока в зимний период года.
Помимо этого, введение в практику градостроительства градо-климатического зонирования существенно позволит улучшить микроклиматические показатели в летний период года среди застройки путем развития бризовых ветров с южных и юго-восточных направлений в первую половину дня, а также развитие берегового бриза северо-западного направления во вторую половину дня при помощи рекомендуемых архитектурно-строительных и объемно-планировочных рекомендаций.
Градо-климатическое зонирование города Новороссийска
с учетом особенностей ветрового режима
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. МягковМ.С., ГубернскийЮ.Д., КоноваЛ.И., Лицкевич В.К. Город, архитектура, человек и климат. М. : Архитектура-С, 2007. 342 с.
2. Сокольская О.Н., Гиясов А.И. Градостроительное освоение сложного рельефа и морского побережья // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 7. С. 42-49. DOI: 10.33622/08697019.2019.07.42-49 URL: http://pgs1923.ru/ru/index. php?m=4&y=2019&v=07&p=08
3. Каранова В.В., Сокольская О.Н. Градостроительные и архитектурно-планировочные особенности проектирования застройки г. Новороссийска // Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet». 2022. Т. 5. № 1. Ст. 19.
4. Оленьков В.Д., Колмогорова А.О., Бараков И.И., Белов М.А., Хакимов В.Ю. Особенности учета ветрового режима при проектировании жилой застройки в целях проветривания и ветрозащиты // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2022. Т. 22. № 3. С. 14-23. DOI: 10.14529/ build220302 URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=49371652
5. Оленьков В.Д. Учет ветрового режима городской застройки при градостроительном планировании с использованием технологий компьютерного моделирования // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2017. Т. 17. № 4. С. 21-27. DOI: 10.14529/build170403 URL: https://www.elibrary. ru/item.asp?id=30604286
6. Москаленко Л.В., Мельников В.А., Кузевано-ва Н.И., Подымов О.И. Разномасштабная изменчивость ветрового режима на прибрежной акватории северо-восточной части Черного моря // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2016. № 1. С. 74-86. DOI: 10.15356/0373-2444-20161-74-86
7. Steyn D.G. Scaling the vertical structure of sea breezes revisited // Boundary-Layer Meteorology. 2003. Vol. 107. Issue 1. Pp. 177-188. DOI: 10.1023/ a:1021568117280
8. Jae-Jin Kim, Jong-Jin Baik. A numerical study of the effects of ambient wind direction on flow and dispersion in urban street canyons using the RNG k-e turbulence model // Atmospheric Environment. 2014. Vol. 38. Pp. 3039-3048. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2004.02.047
9. Rizk A.A., Henze G.P. Improved airflow around multiple rows of buildings in hot arid climates // Energy and Buildings. 2010. Vol. 42. Issue 10. Pp. 1711-1718. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.05.005
10. Yin Zhou, Tracy Kijewski, Ahsan Kareem. Aerodynamic loads on tall buildings: interactive database // Journal of Structural Engineering. 2003. Vol. 129. Issue 3. Pp. 395-404. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(2003)129:3(394)
11. Гиясов А.И., Сокольская О.Н. Формирование городской застройки с учетом экологических факторов атмосферной среды в жарких маловетреных и штилевых климатических условиях : монография. Краснодар : ПринтТерра, 2016. 140 с.
12. WichinkKruitR.J., HoltslagA.A., TijmA.B.C. Scaling of the sea-breeze strength with observations in the Netherlands // Boundary-Layer Meteorology. 2004. Vol. 112. Issue 2. Pp. 369-380. DOI: 10.1023/b:boun. 0000027904.18874.75
13. Grimmond C.S.B. Progress in measuring and observing the urban atmosphere // Theoretical and Applied Climatology. 2006. Vol. 84. Issue 1-3. Pp. 3-22. DOI: 10.1007/s00704-005-0140-5
14. Hang J., Sandberg M., Li Y. Effect of urban morphology on wind condition in idealized city models // Atmospheric Environment. 2009. Vol. 43. Issue 4. Pp. 869-878. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2008.10.040
15. Алексашина В.В. Экологические основы архитектурного формирования промышленных предприятий и их комплексов в городе : автореф. дис. ... д-ра арх. М., 2006. 46 с.
16. Сокольская О.Н., Гиясов А.И. Градоэколо-гические предпосылки к застройке черноморских городов Краснодарского края с учетом тепло-ветровых процессов // Строительство: наука и образование. 2020. Т. 10. Вып. 3. Ст. 3. DOI: 10.22227/23055502.2020.3.3 URL: http://nso-journal.ru
17. Большаков В.В. Принципы градостроительной экологии в планировании территории // Архитектура, градостроительство и дизайн. 2019. № 2 (20). С. 10-16.
18. Белюченко И.С. Экология Краснодарского края (Региональная экология) : учебное пособие. Краснодар, 2010. 356 с.
19. Крушлинский В.И. Город, природа и общество. Проблемы взаимодействия : монография. Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2017. 164 с.
20. Колбин Д.С., Оленьков В.Д. Исследование ветрового режима с целью аэрации и ветрозащиты городских территорий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2011. № 1. С. 36-39. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=17058298
N9
Поступила в редакцию 10 октября 2022 г. Принята в доработанном виде 25 ноября 2022 г. Одобрена для публикации 8 декабря 2022 г.
Об авторах : Оксана Николаевна Сокольская — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий имени А.В. Титова; Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2; РИНЦ ГО: 781835; [email protected];
Влада Владимировна Каранова — студент; Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2; РИНЦ ГО: 934008; [email protected].
Вклад авторов:
Сокольская О.Н. — научное руководство, концепция исследования, научное редактирование текста. Каранова В.В. — сбор и обработка материала, написание статьи. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
V» 1Я
еч
INTRODUCTION
According to the current classification of climate zones, Novorossiysk Bay has maritime climate, typical for temperate latitudes; it has warm summers and moderately mild winters. The complex orography of the area creates extremely diverse local climatic conditions [1].
The city's unique climate and nature, including marine areas and the mountainous terrain, affect the microclimate indices of the atmosphere, as well as the indices of area of human habitat. These indices are of major importance for urban planning and architectural design; hence, they must be taken account of.
Many research undertakings focus on this topic [2-16].
Observations were made by coastal hydro-meteorological stations to collect data on local wind velocities and circulation flows, depending on air gradient flows between the boundaries featuring different degrees of heating. Such circulations include mountain-valley circulation, slope-valley circulation, and circulation between the sea and the underlying coastal terrain. All these types of circulations and features of the terrain are typical for the region analyzed by the authors.
The main wind patterns in the city of Novorossiysk, which must be taken into account by developers of architectural and construction designs of buildings and built-up areas, have been identified: these are the winds typical for warm and cold seasons of the year.
It is noteworthy that during warm seasons, from March to November, favourable breezes dominate, their dominant directions are south-easterly and north-westerly. In June and July, the wind velocity is about 3.5 m/s, in August — 3.9 m/s, while the number of days in July with the maximum temperature of 20.1-25.0 °C is 4; 25.1-30.0 °C — 19; 30.1-35.0 °C — 7; 35.1-40.0 °C — 0.5 days, and the solar radiation intensity is 760 W/m2.1
In general, wind patterns comply with statistical and experimental data. Having analyzed the wind pattern frequency in Novorossiysk, the authors make a conclusion that in summer the circular diagram stretches from the north-west to the south-east with a deviation to
1 Reference Book on the climate of the Black Sea coastline. Moscow, Hydrometeoizdat Publ., 1974; 407.
the north-east. The frequency of favourable north-west-ly winds is 28 % at an average velocity of 2.9 m/s; the frequency of southeasterly winds is 17 % at an average velocity of 3.2 m/s, and the frequency of northeastly winds is 17 % at an average velocity of 6.5 m/s. Hence, urban planning and architectural design techniques should be employed to facilitate winds, blowing in these directions in the summer season (Fig. 1).
The sea breeze starts blowing several hours after the sunrise; it reaches its maximum velocity in the afternoon. After sunset, the sea breeze is replaced by the coastal breeze, which blows in the direction of the sea. It's velocity is often slower than that of the sea breeze. The coverage of the Novorossiysk "breeze" is the entire coastal area, or a strip about 3 km long stretching along the coast line.
It is noteworthy that Novorossiysk has a windless period of 16.8 % in July. It results from a change in the direction of breezes from the sea to the coast and vice versa. In the morning, breezes blowing from the Black Sea account for 50.23 % of all winds and windless periods in Novorossiysk [17].
Analysis of the wind pattern in the cold season shows that dominant wind directions are also northwesterly (35 %) with the average velocity of 4 m/s, north (16 %) and south (16 %) with the average velocity of 6.7 and 5.5 m/s. Winds of the north-easterly direction reach high velocities; the average velocity is 10.1 m/s and repeatability is 11 % (Fig. 1, 2).
Differences in the temperature regime, caused by the complex orography of the city and the sea, become more pronounced in the cold season. Hence, the air temperature at the mountain pass, located on the north-easterly side of the city, is usually 15-20 °C lower than that at the coast. This temperature difference on both sides of the Markotkh Ridge is one of the factors that boosts the development of cold air flows, which periodically hit the warm sea bay of Novorossiysk during the autumn-winter period.
Bora, or the north-easterly wind, is the landmark of Novorossiysk. It can be considered a unique phenomenon in the Russian territory, typical only for this spot of the Black Sea coast. It is observed during cold seasons from November to March. During this period, cold air masses arrive at the Black Sea coast, resulting in a gusty
north-easterly wind from the North Caucasus Plateau. Cold air, passing through an obstacle in the form of a mountain range, is transformed into a solid mass of air, which resembles a giant descending "gray beard".
In Novorossiysk, bora blows 46 days a year on average, lasting about 1-3 days, sometimes up to a week. Bora is a strong destructive wind reaching the velocity
of 40 m/s and more. It is noteworthy that the period of bora in the city of Novorossiysk is often accompanied by destruction. However there is also a distinctive feature of this unique phenomenon, which is that the wind velocity decreases sharply with distance from the shoreline; bora is hardly felt at a distance of 8 km from the coast-
line1.
a b
Fig. 1. Breeze directions in Novorossiysk: a — morning breeze (from 04:00 to 12:00); b — night breeze (from 20:00 to 04:00)
Fig. 2. Direction of the cold north-easterly wind in Novorossiysk during the cold period of the year
These wind conditions lead to the conclusion about the need for the climate-based city zoning in Novorossiysk, which will significantly improve the microclimatic parameters of the atmosphere in the human habitat, or built-up urban areas.
MATERIALS AND METHODS
The method of studying meteorological processes at various urban planning levels is employed to perform this scientific research study. Unique wind characteristics of Novorossiysk are considered separately for cold and
warm seasons at the macro- and meso-ecological levels of urban planning.
The main types of thermal and wind processes underway in Novorossiysk, favourable summer and extreme winter processes were analyzed using modern weather models, including ICON, GFS and GEM, taking into account the complex terrain of the Caucasus Mountains and the Black Sea, which directly affect wind patterns in the city.
The main functional zones of Novorossiysk were also analyzed; the zones that have a major influence on urban planning, architectural planning and space-planning solutions of built-up areas were identified. The authors believe that the industrial zone is located on the northeastern coast of the Tsemesskaya Bay, inclu- ? ding such large enterprises as the Novorossiysk Electri- = cal Repair Plant, Novoroscement OJSC, Atakaycement | LLC, Novorosmetall LLC, Novorosbeton LLC, Crime- d an Franz Kiel LLC (KFK), Novorossiysk Oxygen Plant § LLC, LLC "Novorossiysk processing company", JSC n "Novorossiysk ship repair plant". _
The residential area is on the opposite side of the bay. . There is a clear distinction between the areas of single-family houses and high-rise apartment buildings, which are located closer to the coastline. s
The climate-based city zoning of Novorossiysk en- n compasses the division of the urban territory into a wind ( facilitation area in summer and a wind safe zone in
the fall-winter period (Fig. 4).
N9
Fig. 3. The Novorossiysk functional zoning map showing industrial and residential areas
The purpose of this scientific research is to develop urban planning and architectural planning recommendations for the development of a wind safe zone and a zone of breeze facilitation, taking into account the requirements of microclimatic comfort in the surface layer of the atmosphere.
In general, it was found that the urban planning, architectural and space-planning structure of the residential area determines the main function of the Novorossiysk waterfront, that is, resisting strong winds and protecting the city, while the function of the other area is to facilitate the development of favourable summer breezes.
CO CO
CN
RESEARCH RESULTS
Hence, the authors proposed a climate-based zoning option for the residential area of Novorossiysk (Fig. 4).
The authors think it necessary to limit the access of cold winds, blowing from the northeast, to the residential areas in winter and to facilitate the breezes, blowing from the south and southeast in the northwestern direction in summer.
Climate-based city zoning of Novorossiysk involves the breakdown of its residential area into the following territories:
• the area of residential development, which is subject to the maximum exposure to extreme northeast winds; this area curbs the effect of cold winds in winter, but does not prevent any summer breezes from March to November;
• the area of residential development, whose task is to facilitate coastal winds and breezes to ensure a comfortable microclimate in the summer time.
CONCLUSION AND DISCUSSION
The authors have found that the city's centre of growth is concentrated on the western coast of the Tsemesskaya Bay of the Black Sea. Here it is necessary to pay attention to the development that ensures protection from cold winds in the cold season, as well as the development that facilitates favourable breezes in the warm season, from March to November (Fig. 3).
The authors have found that the main task of the urban development area is to prevent extreme winds of the northeasterly direction from entering urban residential areas and to protect urban public spaces and courtyards, but not to prevent the development of south and southeasterly winds (Fig. 4).
The construction of buildings that have approximately the same number of storeys, closed and semi-closed residential complexes is the best option for areas with strong winds, such as Novorossiysk. One should avoid artificial "wind canyons" or through yards, which
increase the wind velocity when the wind blows through etration of strong wind flows into the courtyards when
the space-planning structures of built-up areas. the bora wind is blowing. It is not recommended to build
Public courtyard spaces should be moved to high-rise buildings, around which powerful turbulent air
the windward sides of buildings; this will reduce the pen- flows are generated.
Fig. 4. The map of Novorossiysk, showing the built-up area, ensuring protection from cold winds in winter, and the area, facilitating the development of favourable breezes
On the windward side, the wind velocity can be reduced by designing buildings whose outlines have polylines or rounded shapes, and use a multi-tiered system of wind-proof greenery.
One should also pay attention to the angle of rotation of glazed window openings to take account of extremely cold winds. It is recommended to avoid the angle of 90° to prevent the maximum wind loading of the glazing.
Landscaping can protect residential areas from the wind. The problem of strong winter winds in Novorossiysk can be solved by a competent choice of plants that prevent the penetration of powerful air masses and protect the urban environment from overheating in summer, suppress any excessive noise near highways, railroads and contribute to the air purification. It is important to consider the fact that the crowns of trees must let the air masses through [18-20]. According to some sources, woodlands reduce wind velocity by 50-75 %, groups of trees — by 20-40 %, and rows of plants — by
30-50 %, even dense lawns reduce the wind velocity by 10 %2.
The Novorossiysk protection zone can have a group of green spaces with thick crowns having different heights, or plants, whose heights vary from ground-level bushes on the windward side with a gradual increase in the height of the crown.
As for the areas, exposed to breezes, the main goal is to facilitate favourable breeze flows during the warm period of the year (Fig. 4). Particular attention should be paid to the street orientation. The road network should stretch from the south and southeast to the northwest. The design of roads in the direction of the main breeze flows develops the velocity of favourable breezes, reduces air dustiness and improves the microclimate on the ground floors of buildings. At the same time,
N9
2 Official website of the administration and the City Duma of the Novorossiysk. URL: https://admnvrsk.ru/
the arrangement of the road network from the south and south-east to the north-west in the area of breezes in summer will protect most of the residential area from the adverse wind effects of the north-eastern bora and prevent cold winds from penetrating into the urban development.
In addition, streamlined space-planning solutions, and the obligatory analysis of environmentally unfriendly windward and leeward zones are a must.
The following recommendations can be made to select the type of landscaping for built-up areas and to facilitate favourable breeze flows: luxuriant vegetation along traffic arteries absorbs noise and harmful impurities from the air. Trees retain most of the solar radiation, reduce the integral albedo of the urban development and the radiation temperature due to transpiration. The urban area, exposed to breezes, needs vegetation that has thick, dense and tall crowns without any undergrowth, because it can cast shade on the area and facilitate the aeration of breeze flows immediately below the tree crowns.
An industrial zone should compactly accommodate the facilities of this functional area to ensure their location at a sufficient distance from residential and recreational zones and near major highways. Production, storage and utility facilities should be mainly concen-
trated in the western, northwestern or eastern districts of Novorossiysk and Verkhnebakansky village. This will reduce the concentration of harmful substances in residential areas, as this zone is located on the windward side in relation to sources of chemical pollution of the atmosphere. It is accessible by transport, and it has access to the seaport. Continuous windbreaks are to be located at a distance from the development and closer to the mountain slopes.
As a result, the urban planning pattern of Novorossiysk, architectural, civil engineering and space planning solutions must be determined by the city zoning based on the features of the local climate and its special wind regime. The main objective of city zoning is to limit the access of extremely cold north-easterly winter winds to the courtyards of residential areas in winter.
Besides, climate-based city zoning should be introduced into the urban planning practice to improve the summer microclimate indices of built-up areas by facilitating breezes, blowing from the south and southeast in the first half of the day, and coastal breezes, blowing in the north-western direction in the afternoon. Towards this end, recommended architectural planning and space-planning solutions can be taken advantage of.
REFERENCES
CO CO
CN
1. Myagkov M.S., Gubernsky Yu.D., Konova L.I., Litskevich V.K. City, architecture, man and climate. Moscow, Architecture-S Publ., 2007; 342. (rus.).
2. Sokolskaya O.N., Giyasov A.I. Urban development of the complex terrain and sea coast. Pro-myshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo/Industrial and Civil Engineering. 2019; 7:42-49. DOI: 10.33622/08697019.2019.07.42-49 URL: http://pgs1923.ru/ru/index. php?m=4&y=2019&v=07&p=08 (rus.).
3. Karanova V.V., Sokolskaya O.N. Town-planning and architectural-planning features of the design of the development of Novorossiysk. StudNet. 2022; 5(1):19. (rus.).
4. Olenkov V.D., Kolmogorova A.O., Barakov I.I., Belov M.A., Khakimov V.Y. Specifics of the wind regime in the design of residential development for ventilation and wind protection. Bulletin of SUSU. The series "Construction and Architecture". 2022; 22(3):14-23. DOI: 10.14529/build220302 URL: https://www.elibrary. ru/item.asp?id=49371652 (rus.).
5. Olenkov V.D. Accounting for wind regime of an urban development in town planning with the use of computer simulation technologies. Bulletin of SUSU. The series "Construction and Architecture". 2017; 17(4):21-27. DOI: 10.14529/build170403 URL: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=30604286 (rus.).
6. Moskalenko L.V., Melnikov V.A., Kuzevano-va N.I., Podymov O.I. Peculiarities of multiscale wind
regime variability at coastal water area of the northeastern Black sea. Proceedings of the Russian Academy of Sciences. The series is geographical. 2016; 1:74-86. DOI: 10.15356/0373-2444-2016-1-74-86 (rus.).
7. Steyn D.G. Scaling the vertical structure of sea breezes revisited. Boundary-Layer Meteorology. 2003; 107(1):177-188. DOI: 10.1023/a:1021568117280
8. Jae-Jin Kim, Jong-Jin Baik. A numerical study of the effects of ambient wind direction on flow and dispersion in urban street canyons using the RNG k-e turbulence model. Atmospheric Environment. 2014; 38:3039-3048. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2004.02.047
9. Rizk A.A., Henze G.P. Improved airflow around multiple rows of buildings in hot arid climates. Energy and Buildings. 2010; 42(10):1711-1718. DOI: 10.1016/j. enbuild.2010.05.005
10. Yin Zhou, Tracy Kijewski, Ahsan Kareem. Aerodynamic loads on tall buildings: Interactive database. Journal of Structural Engineering. 2003; 129(3):395-404. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(2003)129:3(394)
11. Giyasov A.I., Sokolskaya O.N. Formation of urban development taking into account environmental factors of the atmospheric environment in hot, windy and calm climatic conditions : monograph. Krasnodar, PrintTerra Publ., 2016; 140. (rus.).
12. Wichink Kruit R.J., Holtslag A.A., Tijm A.B.C. Scaling of the sea-breeze strength with observations in the Netherlands. Boundary-Layer Me-
teorology. 2004; 112(2):369-380. DOI: 10.1023/b:boun. 0000027904.18874.75
13. Grimmond C.S.B. Progress in measuring and observing the urban atmosphere. Theoretical and Applied Climatology. 2006; 84(1-3):3-22. DOI: 10.1007/ s00704-005-0140-5
14. Hang J., Sandberg M., Li Y. Effect of urban morphology on wind condition in idealized city models. Atmospheric Environment. 2009; 43(4):869-878. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2008.10.040
15. Aleksashina V.V. Ecological foundations of architectural formation of industrial enterprises and their complexes in the city: abstract of the dissertation of doctor of architecture. Moscow, 2006; 46. (rus.).
16. Sokolskaya O.N., Giyasov A.I. Gradoeco-logical prerequisites for the construction of the Black Sea cities of Krasnodar Krai, taking into account heat and wind processes. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie
Received October 10, 2022.
Adopted in revised form on November 25, 2022.
Approved for publication on December 8, 2022.
[Construction: Science and Education]. 2020; 10(3):3. URL: http://nso-journal.ru DOI: 10.22227/23055502.2020.3.3 (rus.).
17. Bolshakov V.V. Princeples of urban planning ecology in territory planning. Architecture, Urbanism & Design. 2019; 2(20):10-16. (rus.).
18. Belyuchenko I.S. Ecology of Krasnodar Krai (Regional ecology) : textbook. Krasnodar, 2010; 356. (rus.).
19. Krushlinsky V.I. City, nature and society. Problems of interaction: monograph. Krasnoyarsk, Sib. feder. un-t, 2017; 164. (rus.).
20. Kolbin D.S., Olenkov V.D. Investigation of the wind regime for the purpose of aeration and wind protection of urban areas. Perm National Research Polytechnic University Construction and Architecture Bulletin. 2011; 1:36-39. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=17058298 (rus.).
B i o n o t e s : Oksana N. Sokolskaya — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Kuban State Technological University (KubSTU); 2 Moskovskaya st., Krasnodar, 350072, Russian Federation; ID RISC: 781835; ons33@mail;
Vlada V. Karanova — student; Kuban State Technological University (KubSTU); 2 Moskovskaya st., Krasnodar, 350072, Russian Federation; ID RISC: 934008; [email protected].
Contribution of the authors:
Oksana N. Sokolskaya — scientific guidance, research concept, scientific text editing. Vlada V. Karanova — collection and processing of material, writing an article. The authors declare that there is no conflict of interest.
