CC BY
10
УДК 551.588.7
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В Г. КАЛИНИНГРАДЕ В КОНЦЕ ЛЕТНЕГО ПЕРИОДА
Рылькова Анна Олеговна
Аспирант, ФГБОУ ВО «Балтийский федеральный университет им. И. Канта» rylkova.anna@gmail.com
Путем обработки космических снимков в плагине ГИС исследован нагрев земной поверхности в конце летнего периода в г. Калининграде. Выявлено, что показатели нагрева земной поверхности в городской среде могут быть более чем на 5°С выше показателей в окружающей среде. Отмечено общее снижение значений в конце летнего периода, которое обусловлено уменьшением продолжительности светового дня и интенсивности инсоляции. Описано воздействие тепла, выделяющегося в результате антропогенной деятельности, на формирование «поверхностного» городского острова тепла.
Ключевые слова: спутниковые снимки, нагрев земной поверхности, городской остров тепла, температуры поверхности земли, антропогенные источники тепла, урбанизированные территории, геоинформационные системы.
RESEARCH OF THE HEATING OF THE LAND SURFACE IN KALININGRAD AT THE END OF THE SUMMER PERIOD
Rylkova Anna Olegovna
Postgraduate student, Baltic Federal University named after I. Kant
rylkova.anna@gmail.com
By processing satellite images in the GIS plugin, the land surface temperature at the end of the summer period in Kaliningrad was studied. It was found that the indicators of heating of land surface in the urban environment can be more than 5°C higher than those in the natural one. A general decrease in values at the end of the summer period was noted, which is due to a decrease of daylight duration and the intensity of insolation. This study also describes the impact of anthropogenic heat on formation of surface urban heat island.
Key words: satellite imagery, heating of the land surface, urban heat island, land surface temperature, sources of anthropogenic heat, urban areas, geographic information systems.
С развитием городов уменьшается площадь зеленых насаждений, увеличивается загрязнение приземного воздушного слоя, водных объектов. «Следы» развития урбанизации часто могут быть прослежены по космическим снимкам, которые при этом являются необходимым источником данных.
Зачастую в городской среде наблюдаются температурные отклонения, которые широко связывают с изменением энергообмена между городской поверхностью земли и атмосферой, за счет увеличения непроницаемого покрытия подстилающей поверхности, заменяющего растительный покров, и выделения тепла в результате антропогенной деятельности [4]. Явление, при котором температура воздуха в городе выше,
чем в окружающих загородных районах, имеет название городской остров тепла. Повышенные показатели при этом по большей части возникают в летнее время, при ясной безветренной погоде, в результате высокой поглощающей способности солнечного излучения измененными человеком территориями.
Вместе с тем остров тепла может формироваться и без участия солнечной инсоляции, сугубо за счет антропогенного потока тепла. Этот факт был изучен на примере г. Норильска в условиях полярной ночи. Посредством экспериментальных измерений и использования данных дистанционного зондирования, было выявлено формирование выраженного острова тепла, интенсивность
которого может достигать 6-7°С по сравнению с природным фоном [1].
В одном из исследований городского острова тепла, при моделировании выявлено, что выделение тепла от антропогенной деятельности в центре большого города может повышать температуру до 2-3°С днем и ночью. Воздействие такого тепла может быть значительным в городских центрах, но незначительным в жилых и коммерческих районах. Интенсивность выделения тепла при этом зависит от моделей использования энергии, систем производства
электроэнергии, а также работы транспорта. Тем не менее, сочетание указанного антропогенного воздействия с воздействием других факторов, таких как низкая плотность растительного покрова и наличие темных поверхностей, может усилить эффект острова тепла в центре города [6]. Таким образом, в зависимости от района и его энергопотребления выделение тепла от антропогенной деятельности может быть существенным или несущественным и может иметь различные суточные, сезонные или даже недельные тренды [5].
Проведенное исследование в Эль-Минья, Египет, показало, что некоторые виды деятельности человека (такие как использование транспорта и сети дорог, работа промышленности, использование систем кондиционирования) в городах Эль-Минья оказывают большое влияние на повышение температуры прямым и косвенным образом, так как потребляют огромное количество энергии и генерируют больше «антропогенного» тепла. Техногенное тепло, выделяемое в результате работы промышленных предприятий,
деревообрабатывающей, металлургической, ткацкой и прядильной промышленности в мухафазе Эль-Минья, вместе с теплом, выделяющимся от нагрева материалов, из которых построены заводы, от нагрева мощеных улиц и незатененных открытых площадок, может в целом увеличивать тепловую нагрузку в регионе [3].
Городские острова тепла существенно изменчивы и зависят от покрытия земной поверхности (или видов использования земного покрова - землепользования) и видов антропогенной деятельности [3]. Вклад того или иного источника тепла в городской энергетический баланс во многом зависит от широты и времени года [5].
Исследование показателей нагрева поверхности земли в конце летнего периода в данной работе проводятся по показателю LST (температуры земной поверхности) [7]. Выявляется «поверхностный» или
«приземный» городской остров тепла (SUHI), который представляет собой разницу между показателями температуры земной поверхности в городской среде и соседними природными поверхностями, и обычно определяется посредством использования спутниковых данных. Выявление LST широко используется для отражения изменчивости острова тепла, особенно для исследований локального масштаба чаще всего на основе спутниковых снимков Landsat или данных ASTER [8].
Интенсивность городского острова тепла связана с изменениями видов землепользования/покрытия земной
поверхности. Застройка и другие типы непроницаемых поверхностей городских территорий способствуют увеличению показателей нагрева, в то время как для растительности и водных объектов наблюдается обратный эффект [8]. Определение состава городских земель по зонированию территорий позволяет понять и обозначить потенциальные источники теплового загрязнения - например, производственную зону или зону транспортной инфраструктуры. Поэтому для выявления температурных аномалий необходимо первым делом классифицировать исследуемый участок по видам использования земель и/или выявить покрытие земной поверхности.
Для исследования использовался дневной снимок Landsat 8 от 31.08.2019, полученный с сайта геологической службы США [10]. Снимок был обработан в плагине QGIS (Semi-automatic classification plugin for QGIS), в том числе была выполнена атмосферная коррекция, классификация по типам покрытия земной поверхности, внесены показатели коэффициентов излучения поверхности, рассчитаны температуры земной поверхности.
По итогу были получены данные о нагреве земной поверхности в г. Калининграде (рисунок 1). 31 августа 2019 года, на момент получения снимка, погода в г. Калининграде была ясная, температура воздуха около +23°С, скорость ветра - 1 м/с [9].
Рис. 1. Нагрев земной поверхности в г. Калининграде и его окрестностях
31 августа 2019 года
Полученные данные позволяют выявить территории с наименьшим нагревом поверхности - это, преимущественно, естественная среда: участки леса, а также другие территории с растительным покровом, акватория Калининградского залива и другие водные объекты. В Калининграде наименьшие показатели температуры поверхности земли наблюдаются в основном в парках и на прочих достаточно озелененных участках. В целом на урбанизированных территориях наблюдаются повышенные показатели (28°С и более). При этом явно выделяются области с «перегревом»: главным образом, это производственные зоны (например, район порта и Причальных улиц, зона в районе улиц Шатурская - Индустриальная - 4-я Большая Окружная), а также коммунально-складские зоны (например, вдоль железных дорог, у станции Сортировочная) центр города, территория стадиона «Калининград», территория аэродрома «Чкаловск».
По результатам ранее проведенного исследования температуры земной поверхности, город Калининград в первой половине лета, при ясной безветренной погоде, представляет собой остров тепла по сравнению с загородными природными ландшафтами. В самом городе прослеживаются участки сильного «перегрева» [2].
В конце летнего периода уменьшается продолжительность светового дня и высоты Солнца над горизонтом. Таким образом, в
августе земная поверхность в городской среде за ночь лучше охлаждается и сильный эффект острова тепла уже не наблюдается. Нагрев земной поверхности днем зависит от продолжительности поступления солнечного света и от угла падения лучей.
При этом максимальные показатели температуры земной поверхности
фиксируются по состоянию на 31 августа преимущественно на тех же участках, что и в первой половине лета [2]: в производственной зоне, на территориях с железнодорожной сетью или с плотной дорожной сетью и интенсивным движением транспорта (центр города). Области «перегрева» становятся более прерывистыми и ограниченными по площади, приурочены к определенным территориям.
Зоны жилой застройки в конце лета уже не формируют ярко выраженные острова тепла, не прослеживается существенная разница в температурах между плотно застроенными районами (в т.ч. с многоэтажными домами) и районами с малоэтажной застройкой (в т.ч. частный сектор). Это позволяет предположить, что в условиях снижения продолжительности солнечной инсоляции в конце летнего периода формирование «приземного» острова тепла происходит в основном за счет потока тепла от антропогенной деятельности, которая может привнести существенный вклад: например, работа предприятий, коммунальных служб.
ЛИТЕРАТУРА
1. Варенцов М. И. и др. Изучение феномена городского острова тепла в условиях полярной ночи с помощью экспериментальных измерений и дистанционного зондирования на примере
Норильска //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2014. - Т. 11. - №. 4. - С. 329.
2. Рылькова А. О. Особенности нагрева земной поверхности в г. Калининграде по данным спутника Landsat -8 //Заметки ученого. - 2022. - №3.1 - С. 63-68.
3. Mansour K. et al. Impact of anthropogenic activities on urban heat islands in major cities of El-Minya Governorate, Egypt //The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science. - 2022.
4. Rizwan A. M., Dennis L. Y. C., Chunho L. I. U. A review on the generation, determination and mitigation of Urban Heat Island //Journal of environmental sciences. - 2008. - Т. 20. - №. 1. - С. 120128.
5. Shahmohamadi P. et al. The impact of anthropogenic heat on formation of urban heat island and energy consumption balance //Urban Studies Research. - 2011. - Т. 2011.
6. Taha H. Urban climates and heat islands: albedo, evapotranspiration, and anthropogenic heat //Energy and buildings. - 1997. - Т. 25. - №. 2. - С. 99-103.
7. Wang H. et al. Comprehensive evaluation of urban sprawl on ecological environment using multi-source data: A case study of Beijing //International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. - 2016. - Т. 8.
8. Zhou D. et al. Satellite remote sensing of surface urban heat islands: Progress, challenges, and perspectives //Remote Sensing. - 2018. - Т. 11. - №. 1. - С. 48.
9. Gismeteo [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.gismeteo.ru/ (Дата обращения: 28.05.2022)
10. USGS Global Visualization Viewer [Электронный ресурс] Режим доступа: https://glovis.usgs.gov/ (Дата обращения: 28.05.2022)
