ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ГОРОДСКИМ ОСТРОВОМ ТЕПЛА И ГОРОДСКИМ ОСТРОВОМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Ле Минь Туан; Н.В. Бакаева

О

i-^

X

X с

X X

CD С CD U D X

X ^

и

CD U

D ^

О ^

S X

D

О m i-

U

CD iX

О ^

I-

u о a D

УДК 504.03.711.

DOI: 10.24412/1816-1863-2023-2-72-83

72

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ГОРОДСКИМ ОСТРОВОМ ТЕПЛА

И ГОРОДСКИМ ОСТРОВОМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Ле Минь Туан, канд. техн. наук, кафедра «Градостроительство», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), architect290587@gmail.com, г. Москва, Россия,

Н. В. Бакаева, д-р техн. наук, профессор, кафедра «Градостроительство», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), natbak@mail.ru, г. Москва, Россия

Быстрая урбанизация и рост населения приводят к возникновению городских тепловых островов (ГОТ) и островов загрязнения (ГОЗ). Эти явления связаны с процессами сгорания топлива на транспорте, на объектах промышленности и с рядом других антропогенных процессов, а также с изменениями в передаче тепла и движении между поверхностью Земли и атмосферой. Обзор научной л итературы за последние 30 лет посвящен в основном влиянию городского острова тепла (ГОТ) и планетарного потепления, которые вызываются урбанизацией. Исследования взаимосвязи ГОТ и ГОЗ в научной литературе пока носят постановочный характер. Основным методом исследования явился теоретический анализ и обобщение научной литературы. Также для исследования связи между городским островом тепла и городским островом загрязнения были использованы библиографические и реферативные базы данных рецензируемой научной литературы (ScienceDirect, Scopus, Google Scholar, PubMed, Web of Science, elibrary), используя набор ключевых слов, связанных с городской средой и качеством воздуха. Организованные поисковые работы были проведены для выявления статей, соответствующих заданным критериям. Аналитический обзор выполненных к настоящему времени исследований позволил установить, что развитие ГОТ и эпизоды сильного загрязнения атмосферы вероятны в синоптических условиях, характеризующихся высокими температурами, низкой влажностью, малой скоростью ветра и безоблачностью. Городской ветер с малой инверсией и конвергенцией усугубляет локальный перегрев и качество воздуха, особенно в ночное время. Воздействие усиленной турбулентности в пограничном слое города имеет решающее значение для определения взаимосвязи между ГОТ и ГОЗ. Используя технологию анализа изображений дистанционного зондирования, поддерживаемую платформой Google Earth Engine, были определены местоположения районов с городскими островами тепла и островами городского загрязнения в г. Москве: в северных и центральных районах города, с уменьшением неблагоприятных факторов к юго-западу. Исследования показывают, что городские параметры связана с эффектами городского температурного острова и городского острова загрязнения. На основе проанализированной географической информации в сочетании с облачными вычислениями возможна долгосрочная оценка и анализ микроклимата города.

Rapid urbanization and population growth are giving rise to urban heat islands (UHIs) and pollution islands (UPIs). These phenomena are associated with the processes of fuel combustion in transport, at industrial facilities and with a number of other anthropogenic processes, as well as with changes in heat transfer and movement between the Earth's surface and the atmosphere. A review of the scientific literature over the past 30 years focuses mainly on the impact of urban heat island (UHI) and planetary warming, which are caused by urbanization. Studies of the relationship between UHI and UPI in the scientific literature are still staging. The theoretical analysis and generalization of scientific literature were used to study the relationship between UHI and UPI. For this, large databases (ScienceDirect, Scopus, Google Scholar, PubMed, Web of Science, elibrary) were used, using a set of keywords related to the urban environment and air quality. Organized searches were conducted to identify articles that met the given criteria, and analysis was carried out on these selected articles. An analytical review of the studies performed to date has made it possible to establish that the development of GOT and episodes of severe atmospheric pollution are likely under synoptic conditions characterized by high temperatures, low humidity, low wind speed and cloudlessness. Urban wind with low inversion and convergence exacerbates localized overheating and air quality, especially at night. The impact of increased turbulence in the urban boundary layer is critical to determining the relationship between the UHI and the UPI. Using the remote sensing image analysis technology supported by the Google Earth Engine platform, the locations of areas with urban heat islands and urban pollution islands in Moscow were determined: in the northern and central regions of the city, with a decrease in adverse factors to the southwest. Studies show that urban parameters are related to the effects of urban temperature island and urban pollution island. Based on the analyzed geographic information, combined with cloud computing, a long-term assessment and analysis of the microclimate of the city is possible.

Ключевые слова: городской остров тепла (ГОТ), городской остров загрязнения (ГОЗ), озеленение, тепловой комфорт, городская тепловая среда.

Keywords: urban heat island (UHI), urban pollution island (UPI), landscape, thermal comfort, urban thermal environment.

Введение

Интенсивные изменения, вызванные быстрой урбанизацией, ростом населения и градостроительной деятельностью, привели к проявлениям городских тепловых островов (ГОТ) и городских островов загрязнения (ГОЗ). Эти изменения в основном проявляются в различных видах антропогенной деятельности, потреблении энергии, транспортных процессах, технологиях промышленности и связанных с ними воздействиях на природную среду [1].

В городских пространствах происходит сдвиг баланса тепла из-за изменений в передаче тепла и движении воздуха между поверхностью Земли и атмосферой. Эти изменения, такие как аккумулирование тепла, испарение (коэффициент Боуэна) и дисбаланс между естественными и антропогенными выбросами, приводят к возникновению городских тепловых островов по сравнению с соседними сельскими районами. Термин «городские острова загрязнения» был недавно введен Крузеном [2] для описания временных и пространственных изменений концентрации загрязнителей, вызванных типичными городскими особенностями и ингредиентным загрязнением атмосферного воздуха. Интенсивность городского загрязнения варьируется в зависимости от того, является ли местность пригородной, мегаполисной или сельской, аналогично интенсивности городских тепловых островов. Городские тепловые острова и острова загрязнения не являются независимыми явлениями, и существование городских тепловых остро -вов часто указывает на наличие городских островов загрязнения [2].

Повышенные температуры ускоряют определенные химические процессы в атмосфере, многие из которых приводят к увеличению уровней образования тропосферного озона и увеличению выбросов биогенных углеводородов [3]. Более того, это приводит к выходу тепла из выхлопных газов в воздух города, дополнительно усиливая интенсивность эффекта городского острова тепла по восходящей спира-

ли. Теплый воздух стимулирует турбулентное перемешивание, облегчая диффузию первичных загрязняющих веществ до более высоких слоев атмосферы [4].

Кроме этого, эффект городского острова тепла связан с такими антропогенными процессами, как, например, кондиционирование воздуха. Негативное воздействие заключается в том, что в условиях интенсивного городского острова тепла кондиционеры являются одновременно загрязнителями и источниками тепла. Это напрямую увеличивает выбросы СО2 и прекурсоров озона из региональных электростанций [5]. Кроме того, пики поглощения энергии, вызываемые эффектом городского острова тепла (например, в период жары), требуют дополнительных мощностей генерации, которые обычно обеспечиваются менее устойчивыми электростанциями. Это означает, что эффект городского острова тепла вызывает не только развитие теплового купола над городской местностью, но и его самоподдержку, укрепляя обратноциркулирующий паттерн, который продлевает и усугубляет загрязнение. С другой стороны, более теплый воздух стимулирует турбулентное перемешивание, способствуя диффузии первичных загрязняющих веществ в более высокие слои атмосферы [4].

Высокий темп индустриализации, постоянный рост населения, значительное увеличение количества автомобилей и интенсивности транспортного потока, уменьшение зеленых зон, наличие промышленных предприятий в Москве приводят к серьезному загрязнению окружающей среды. Урбанизация вызывает значительные изменения в атмосферном воздухе, увеличение концентрации загрязнителей и мелких пылевых частиц, представляющих серьезную угрозу для здоровья населения. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) классифицирует мелкие частицы размером не менее 10 микрон (РМ10, РМ2.5) как приоритетные загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух. Воздействие мелкодисперсной пыли РМ2.5 на здоровье населе-

тз о ш

о

Г) -I

тз

о

-I

CD

о-

Г> -I 03

о

п

0

1 X

тз

о

03

О

с CD

О-

Г> X

X н

0

Г) CD

CD

1 I

У

I -I

О оз

73

О

IX

X с

X X

CD С CD U О

X

X ^

и

CD U

О ^

m

О

CP

X

о

m

I-

U

CD

IX

О CP

I-

и о а о

CP

ния особенно опасно: аэрозоли РМ2,5 могут проникать непосредственно в легкие человека через дыхательные пути [6]. Согласно докладу ВОЗ, более 90 % населения мира ежедневно вдыхает большие объемы загрязнителей, что приводит к оценке 7 млн смертей ежегодно. Поэтому оценка концентрации РМ2.5 является необходимой и становится значительной проблемой для здоровья населения [7].

Все эти эффекты явления делают городские районы не только объектами, но и факторами воздействия изменения климата [8]. Результатом является то, что при продолжающемся расширении крупных конурбаций и мегаполисов будут отмечаться существенные нарушения в биогеохимии местной атмосферы, в региональных осадках и в радиационной обстановке [5]. Негативные последствия будут особенно серьезными в развивающихся странах, где ожидается, что для промышленности и автотранспорта предсказывается экспоненциальный рост без каких-либо действенных мер по борьбе с этими проблемами в настоящее время [9].

В данном контексте многие вопросы являются объектом международных междисциплинарных исследований. Для того

чтобы разобраться в различных явлениях, лежащих в основе тесной связи между эффектом ГОТ и ГОЗ, и двигаться в направлении разработки эффективных стратегий противодействия этим явлениям, данная статья представляет собой научный обзор наиболее значимых исследований по этой теме.

Материалы и методы

Метод теоретического анализа и обобщения научной литературы был применен для изучения доступной информации относительно корреляции между ГОТ и ГОЗ. В рамках исследования были использованы библиографические и реферативные базы данных рецензируемой научной литературы (ScienceDirect, Scopus, Google Scholar, PubMed, Web of Science, elibrary) с использованием набора ключе -вых слов, связанных с городской средой и качеством воздуха, как показано на рисунке 1. Были проведены организованные поисковые работы для выявления статей, которые удовлетворяли изложенным критериям включения, и анализ был проведен по этим отобранным статьям.

Обзор литературы посвящен международному влиянию городского острова

74

Микроклимат

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Температура Ветер Влажность Радиация

Параметр города

Здание

Улица

Транспорт

Растительность

Коэффициент альбедо, материалы

Рис. 1. Леммы, используемые для сканирования баз данных и относительных вхождений

тепла (ГОТ) и планетарного потепления, вызванного урбанизацией, за последние 30 лет. Он включает в себя новаторские работы и последние разработки, исследующие связь между ГОТ и ГОЗ с использованием городской температуры и городского воздействия загрязнения в качестве воздуха. Обзор включает экспериментальные наблюдения в реальных городских сценариях и исключает рукописи, посвященные здоровью, в которых упоминается только эффект теплового острова.

Результаты исследований

Влияние температуры на распределение мелкой пыли

Эффект городского острова тепла (ГОТ) может усугубить загрязнение воздуха в городских районах. Это явление возникает, когда температура в городе превышает температуру в прилегающих сельских районах из-за поглощения и повторного излучения тепла такими материалами, как бетон и асфальт, а также в результате деятельности человека, такой как использование энергии и транспорт [10]. Более высокие температуры в городских районах могут создавать локальные ветры, задерживающие атмосферные загрязнители, такие как выбросы транспортных средств и промышленное загрязнение. Это может привести к повышению концентрации загрязняющих веществ в воздухе, что отрицательно скажется на городских жителях, особенно на уязвимых группах населения, таких как дети, пожилые люди и люди с респираторными или сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Мелкие частицы, особенно РМ2,5, в атмосфере могут напрямую уменьшать солнечную радиацию и снижать температуру поверхности на величину до 1 К [11]. Однако степень этого снижения температуры зависит от химического состава частиц. Сульфатные аэрозоли, рассеивающие свет, но не поглощающие его, при увеличении их концентрации приводят к понижению температуры поверхности [26]. И наоборот, хотя ч ерный углерод является основным компонентом атмосферных аэрозолей, поглощающим солнечную радиацию, он также может уменьшать охлаждающее воздействие аэрозолей, нагревая атмосферу в верхней части пограничного слоя [12].

Более того, региональные характеристики свойств аэрозолей также играют значительную роль в определении радиационного воздействия и температуры поверхности. Разные регионы могут иметь разные нагрузки и составы PM2,5, что приводит к разного рода радиационным воздействиям и температурным эффектам. Показательным примером является исследование аэрозольных частиц, проведенное в Нанкине (Китай), которое показало, что частицы, присутствующие в городских центрах, обладают высокой поглощающей способностью. Напротив, те, кто присутствовал в пригородных районах, демонстрировали рассеянные твердые черты. Это несоответствие привело к различным радиационным воздействиям и температурным эффектам в соответствующих регионах [13]. В целом воздействие твердых частиц на температуру поверхности носит комплексный характер и зависит от различных факторов, включая химический состав аэрозольных частиц и региональные характеристики.

На рисунке 2 показаны взаимосвязанные процессы и обратная связь между концентрацией загрязняющих веществ, высотой планетарного пограничного слоя, водяным паром, нисходящим длинноволновым излучением и температурой. Процессы, описанные в шагах с первого по третий, создают механизм положительной обратной связи согласно (Tie et al. 2017)

[14] и (Liu et al. 2018) [15]. (Liu et al. 2018)

[15] подтверждает, что ГОЗ отрицательно коррелирует с ГОТ, в первую очередь на этапах 1, 7, 8, 9 и 12 [16]. Процесс 6, как показано в [26], показывает, как водяной пар становится одним из основных факторов DLR (Cao et al. 2016) [17], и исследователи^ et al. 2018) [15] предполагают, что загрязнение воздуха способствует нисходящему длинноволновому излучению для седьмого процесса.

Воздействие городского острова тепла на городской остров загрязнения с помощью технологии дистанционного зондирования

Карделино и Чамейдес в 1990 году разработали методологию для анализа прямого и косвенного воздействия температуры на загрязнение озоном [18]. Этот анализ был сосредоточен на различных факторах, таких как усиление фотохимии

тз о ш

о

Г) -I

тз

о

-I

CD

о-

Г> -I 03

о

п

0

1 X

тз

о

03

О

с CD

О-

Г> X

X н

О

Г) CD

CD X X

У

X -I

О

03

75

О

i-^

X

X с

X X

CD ^

CD U О

X

X ^

и

CD U

О ^

О

CP

X

D

О

i-

U

CD iX О CP

I-

u о a a

CP

Рис. 2. Схема физико-химических процессов в атмосферном воздухе, связанных с загрязнением

76

озона из-за разложения пероксиалкил-нитратов, увеличение выбросов в течение вегетационного периода д еревьев и увеличение антропогенных выбросов углеводородов и оксидов азота от двигателей внутреннего сгорания и кондиционеров. Наблюдения в течение девяти лет в Атланте (США) подтвердили положительную линейную корреляцию между температурой и озоном, где температура в день озоновых явлений была в среднем на 3,1 °C выше, чем в день, когда не было явлений.

При широком использовании дистанционного зондирования в климатологии были проведены дальнейшие исследования, выявлены и другие факторы взаимодействия ГОТ—ГОЗ, в том числе водяной пар. Исследованием в Шанхае, проведенное (Jin et al. в 2011 г.) [19], установлена взаимосвязь между островами тепла и загрязнения путем объединения спутниковых данных о температуре поверхности Земли, альбедо, водяном паре, доле облаков и земном покрове, а также непрерывных наблюдений за оптической толщиной аэрозоля на Земле для отслеживания суточных, сезонных и межгодовых изменений. Ежемесячная оптическая толщина аэрозоля была выше в Шанхае, чем в сельской местности, при этом наиболее значительные изменения происходили после дождя и в часы интенсивного движения. Наблюдались сильные различия в облач-

ности и водяном паре между городом и сельскими районами.

В недавней публикации в Nature Communications (Cao et al., 2016) [17] были представлены доказательства, подтверждающие гипотезу о том, что загрязнение городской дымкой оказывает биогеохимический эффект, способствуя возникновению городского острова тепла. Авторы использовали спутниковые наблюдения (MODIS) с 2003 по 2013 год в сочетании с расчетами климатической модели для количественной оценки вклада ГОТ в 39 китайских городах в ночное время. В полузасушливых городских районах ГОТ увеличивался на 0,70 ± 0,26 °C. Однако исследование показало, что влажный и полувлажный климат менее чувствителен к длинноволновому радиационному воздействию грубодисперсного аэрозоля, что согласуется с (Jonsson et al., 2004) [20]. Исследование выявило высокое среднее значение приземного ГОТ в ночное время и слабое значение ГОТ в дневное время независимо от среднегодового количества осадков (Zhou et al., 2014) [21]. Ночные пространственные вариации в значительной степени коррелировали с разницей в оптической толщине аэрозоля между городскими и прилегающими сельскими районами, что указывает на то, что более густая дымка предшествовала более сильному ГОТ. Тем не менее эта корреляция

исчезала в дневное время. Основываясь на своих выводах, авторы пришли к выводу, что загрязнение туманом было причиной ускоренного потепления, наблюдаемого в Китае (повышение ночной температуры за десятилетие вдвое превышает глобальный средний показатель). Ли и др. использовали аналогичный подход с использованием многолетних спутниковых наблюдений за температурой поверхности Земли (ЬБТ) и оптической толщиной аэрозоля, а также с измерениями на месте твердых частиц (РМ10), температуры воздуха, поступающей радиации, облачности и скорости ветра на двенадцати станциях, чтобы установить потенциальное взаимодействие между ГОТ и индексами загрязнения городов (ГОЗ), в частности для города Берлина (Германия) (Ы е! а1., 2018) [22]. Примечательно, что ЬБТ и температура воздуха были косвенными показателями для приземного и атмосферного ГОТ, в то время как РМ10 и оптическая толщина аэрозоля были косвенными показателями приповерхностного и атмосферного загрязнения.

Пространственная морфология городов играет важную роль в городских островах

тепла и городских островах загрязнения

Городской дизайн играет решающую роль во взаимодействии между городскими островами тепла (ГОТ) и городскими островами загрязнения (ГОЗ), помимо географических факторов. По мере расширения городов и изменения распределения городских участков меняется и распределение температуры внутри и за пределами города. Такие факторы, как высотные здания, плотно застроенные территории, часто встречающиеся в разросшихся городах, могут способствовать усугублению ГОТ и загрязнению атмосферы. Исследование, проведенное в 2008 году, выявило сильную корреляцию между разрастанием городов и моделями ГОТ/ГОЗ в крупных мегаполисах США. В исследовании изучались четыре показателя разрастания городов, и было обнаружено, что плотность оказывает наиболее значительное влияние на сокращение прекурсоров озона и превышение норм озона. Было обнаружено, что децентрализованное городское развитие в большей степени способствует образованию озона и более вы-

соким превышениям уровня озона по сравнению с компактной городской застройкой. Эта взаимосвязь сохранялась даже после учета численности населения, температуры и выбросов, что позволяет предположить, что пространственная структура города влияет на качество воздуха посредством механизмов, не связанных с выбросами. Тем не менее получен -ные результаты подтверждают идею о том, что пространственная структура города может влиять на качество атмосферного воздуха в дополнение к выбросам транспорта, промышленности и производства электроэнергии.

В исследовании Фейзизаде и Блашке (2013) [23] анализ спектральных смесей и индексы дистанционного зондирования конечного члена использовались для изучения взаимосвязи между землепользованием/земным покровом, температурой поверхности земли ГОТ и загрязнением воздуха в иранском городе Тебриз. Основываясь на тепловых спутниковых изображениях дистанционного зондирования ASTER и измерениях с восьми наземных станций определения твердых частиц, исследователи определили две основные зоны ГОТ на нефтехимической промышленной площадке и в районе базарного рынка, которые также были связаны с высокими уровнями твердых частиц. Это говорит о том, что высокая плотность населения, активная коммерческая деятельность и интенсивное движение в значительной степени способствуют концентрации сильного загрязнения воздуха в этих районах.

Точно так же Крюгер и соавт. (2011) [24] представили экспериментальный и численный подход к исследованию взаимосвязи между городской морфологией, изменениями микроклимата и качеством воздуха. Исследование проводилось на первой пешеходной улице, построенной в центре города Куритиба, Бразилия, в течение 14 солнечных дней в 2009 году. Авторы обнаружили, что максимальное повышение дневной температуры составляет 2,2 градуса, а моделирование, проведенное с помощью ENVI-met, показало, что скорость ветра была выше, чем направление ветра, это повляло на рассеивание NOx, образующихся в результате дорожного движения. Наибольшее накопление загрязняющих веществ происходило при

тз о ш

о

Г) -I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

о

п

0

1 X

тз

о

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

03

О

п

а>

О-

Г> X

X н

0

Г)

а>

1 i

у

i -I

О оз

77

О

i-^

X

X с

X X

CD С CD U О

X

X ^

и

CD U

О ^

m

О CP

X

о

m

I-

U

CD

IX

О CP

I-

и о а о

CP

78

минимальном ветре восточного направления и перпендикулярном слабом ветре.

Результаты исследования городского

острова тепла и острова загрязнения в Москве

Москва за последние 25 лет быстро развивалось, выходя за свои формальные границы, со средним радиусом 24 км и площадью 1810 км2. Население московского мегаполиса в 2005 году составляло приблизительно 12,1 млн человек, при средней плотности населения 6690 жителей км2. Температура воздуха и концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы за период 2000— 2010 гг. значительно возрастали на расстоянии в среднем 25—35 км от центра Москвы [25, 26].

В начале 1990-х сеть Государственного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, действовавшая в российских городах, частично прекратила свою работу из-за того же экономического кризиса. Около 10 станций в Москве продолжали измерять приземные концентрации О3, N02, ^О2 и аэрозолей, но измерения проводились только от одного до четырех раз в день, что затрудняло получение надежных среднесуточных значений. Кроме того, многочисленные перерывы в процессе сбора данных внесли неопределенность в получение месячных и годовых средних значений. Применение корректирующих мер в отношении государственного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха привело к тому, что оценки загрязнения воздуха существенно различались [27, 28].

Оптический спутник дистанционного зондирования Ьапёза! с м иллионами изображений, фиксирующих изменения на Земле за 40 лет, стал самым достоверным источником данных со средним пространственным разрешением в глобальном масштабе [29]. Спутники Ьапёза! предлагают исчерпывающий, единообразный и продолжительный набор д анных [30]. Высококачественные составные мозаики Ьапёза!, готовые к использованию пользователем, могут помочь в десятилетних оценках изменений в окружающей среде и земном покрове, температуре поверхности, распространении твердых частиц и приложениях, которые объединяют данные об отражательной способности поверхности от

нескольких датчиков [31]. Использование высокопроизводительных вычислительных систем необходимо для создания моделей, которые оценивают, анализируют и обрабатывают критически важные данные.

Оценка связи между ГОТ и ГОЗ требует опыта и значительных ресурсов. Согласно традиционным методам исследования, для оценки процесса изменения приземной температуры города с изменением концентрации взвешенных частиц потребуется длительное время. Информационная платформа для геопространственного анализа данных в планетарных масштабах Google Earth Engine (GEE) использует различные технологии в среде центра обработки данных Google, включая Flume Java, Bigtable, Spanner, Borg, Colossus и Fusion Tables [32—34]. Каталог данных GEE содержит обширную коллекцию предварительно обработанных геопространственных данных, включая спутниковые изображения, открытые для общественности. Данные хранятся в виде контейнера, «изображение» с метаданными и могут содержать любое количество полос. Связанные изображения, снятые одним датчиком, компилируются и отображаются как «коллекция», обеспечивая быструю и удобную фильтрацию и сортировку. GEE также предлагает выбор операторов через свой API для изменения и настройки данных, работающих в надежной системе параллельной обработки для высокой аналитической производительности. Доступ можно получить через библиотеки GEE или интерактивную веб-среду разработки, а используемый язык доступен для тех, кто не хорошо знаком с ГИС, дистанционным зондированием и сценариями. Таким образом, платформа облачных вычислений — отличное обновление для извлечения больших данных для оценки и анализа процесса формирования городского острова тепла. Результаты выполненных нами исследований городского острова тепла и городского острова загрязнения в Москве представлены в исследовательской работе на платформе GEE.

Анализ приземной температуры Москвы по временным рядам с 2015 по 2019 год

В сетке 1200 s 1220 км продукт MOD11A2 V6.1 обеспечивает 8-дневную

Legend:

Average daily temperature ir <VALUE> Я! 9,92—12 HZ] 12,30—14,00 14,30—16,00 ■ 1 16,30—18,00 1Ш 18,30—20,01

Moskow for 2015—2019

Рис. 3. Карта средней температуры поверхности земли Москвы за пять лет

среднюю температуру поверхности земли (LST). Пиксели MOD11A2 представляют собой простое восьмидневное среднее значение всех соответствующих LST-пик-селей MOD11A1. Таким образом, в этой работе используется M0D11A2.061 Terra Land Surface Temperature and Emissivity 8-Day Global 1km для изучения температуры поверхности Москвы с 2015 по 2019 год.

По данным Шукурова и соавт. (2020) [35], ГОТ определяется как явление, при котором атмосферный слой испытывает

разницу дневных и ночных температур примерно в 7—12 градусов, что отражено в статистике в таблице 1. Исследование обнаружило доказательства эффекта ГОТ в Москве.

За последнее десятилетие в Москве произошло ярко выраженное смещение земного покрова из-за интенсивной урбанизации. Этот сдвиг также повлиял на LST города. На рисунке 3 показана средняя температура за последние пять лет в Москве, при этом в ц ентральных районах фиксируется средняя температура 18—20,91 °C, а в пригородах и сельской местности средняя температура составляет 9,92—12 °C, что приводит к температуре разница примерно от 8,08 до 8,91 °C. Такое температурное несоответствие свидетельствует о негативном влиянии эффекта ГОТ на Москву. Хотя урбанизацию нельзя остановить, ею можно управлять, создавая условия, обеспечивающие устойчивое развитие. Необходимо выделить наиболее ценные природные территории, определить их границы, урегулировать обмен веществ, энергии и информации между ними. Это потребует более сложной взаимосвязи антропогенной и природной среды и разработки соответствующих механизмов, обеспечивающих сбалансированное взаимодействие.

Расположение городского острова тепла и городского острова загрязнения в Москве

Важность изучения эффектов комбинации ГОТ и ГОЗ подчеркивается с 2004 года [37]. В нашей недавней исследовательской работе, опубликованной в журнале Ecological Informatics в 2022 году, подробно рассматривается взаимосвязь между ГОТ и ГОЗ [36].

тз о ш

о

Г) -I

тз

о

-I

Ф

о-

Г> -I 03

о

п

0

1 X

тз

о

03

О

п CD

О-

Г> X

X н

О

Г) CD

CD X X

У

X -I

О

03

Таблица 1

Статистические данные показывают самую высокую среднюю разницу температур

между днем и ночью за 5 лет

Время Самое высокое среднее значение в дневное время, (°С) Самое высокое среднее значение в ночное время, (°С) D, (°C)

04 июля 2015 года 25,81 15,58 10,23

27 июля 2016 года 27,53 19,02 8,51

13 августа 2017 года 26,09 16,17 9,92

28 июля 2018 года 28,09 17,07 11,02

02 июля 2019 года 28,55 14,91 13,64

79

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

О

i-^

X

X с

X

ф

^

ш и о

X

X ^

и

ш и

о ^

m

О

CP

X

о

m

I-

U

ш

IX

о

CP

I-

и о а о

CP

!-

I-

1-

Legend: Index UTFVI o: <VALUE>

M <0 U 0—0,005 |Щ| 0,005—0,01 0,010—0,015 0,015—0,02 >0,02

Рис. 4. Определение ГОТ Москвы в 2021 году

Legend: Concentration PM2.5, ^g/m3 <VALUE>

К -0,01—0,00 0,00—0,001 0,001—0,205

Scale: 1:450000

1 1

Рис. 5. Карта концентрации твердых частиц PM2,5 в Москве 6 июня 2019 г. [36]

Результаты нашей оценки показывают, что в центральном районе Москвы городские острова загрязнения появляются там, где есть городские острова тепла (как показано на рис. 4 и 5). Визуализация индекса UTFVI в городских районах в черте Москвы также отображает расположение ГОТ.

Заключение и обсуждение

Городской остров тепла (ГОТ) и городской остров загрязнения (ГОЗ) являются следствием урбанизации, когда естественные элементы заменяются искусственными сооружениями. Развитие ГОТ и ГОЗ, вероятно, происходят в синоптических условиях, характеризующихся высокой температурой, низкой влажностью, низкой скоростью ветра и безоблачностью. Явления низкоуровневой инверсии и низкоуровневой конвергенции в городском микроклимате усугубляют локальный перегрев и качество атмосферного воздуха, особенно в ночное время. Воздействие усиленной турбулентности в пограничном слое города имеет решающее значение для определения взаимосвязи между ГОТ и ГОЗ. Исследования показывают, что городская геоморфология связана с эффектами городского температурного острова и городского острова загрязнения. На основе географической информации в сочетании с облачными вычислениями возможна оценка и анализ микроклимата, а также долгосрочный прогноз.

На основе технологии анализа изображений дистанционного зондирования Земли при поддержке платформы Google Earth Engine для Москвы указано расположение районов с городскими островами тепла и городскими островами загрязнения. На основании анализа полученных изображений концентрация загрязнения воздуха и высокая температура поверхности в основном сосредоточены в северных и центральных районах города, со снижением неблагоприятных факторов к юго-западу.

Библиографический список

80

1. Imhoff M. L., Zhang P., Wolfe R. E., and Bounoua L. "Remote sensing of the urban heat island effect across biomes in the continental USA", Remote Sens Environ, vol. 114, no. 3, pp. 504—513, Mar. 2010, doi: 10.1016/j.rse.2009.10.008.

2. Crutzen P. J. "New Directions: The growing urban heat and pollution 'island' effect — Impact on chemistry and climate", Atmospheric Environment, vol. 38, no. 21. Elsevier Ltd, pp. 3539—3540, 2004. doi: 10.1016/j.atmosenv.2004.03.032.

3. Elsayed I. S. M. "Mitigation of the urban heat island of the city of Kuala Lumpur, Malaysia", Middle East J Sci Res, vol. 11, no. 11, pp. 1602—1613, 2012, doi: 10.5829/idosi.mejsr.2012.11.11.1590.

4. Sarrat C., Lemonsu A., Masson V., and Guedalia D. "Impact of urban heat island on regional atmospheric pollution", Atmos Environ, vol. 40, no. 10, pp. 1743—1758, Mar. 2006, doi: 10.1016/j.at-mosenv.2005.11.037.

5. Rosenfeld A. H., Akbari H., Romm J. J.'tv, and Pomerantz M. "Cool communities: strategies for heat island mitigation and smog reduction' ", 1998.

6. Raaschou-Nielsen O. et al., "Air pollution and lung cancer incidence in 17 European cohorts: Prospective analyses from the European Study of Cohorts for Air Pollution Effects (ESCAPE)", Lancet Oncol, vol. 14, no. 9, pp. 813—822, Aug. 2013, doi: 10.1016/S1470-2045(13)70279-1.

7. Melstrom P. et al., "Measuring PM2.5, ultrafine particles, nicotine air and wipe samples following the use of electronic cigarettes", Nicotine and Tobacco Research, vol. 19, no. 9, pp. 1055—1061, Sep. 2017, doi: 10.1093/ntr/ntx058.

8. Wilby R. L. "Constructing climate change scenarios of urban heat island intensity and air quality", Environ Plann B Plann Des, vol. 35, no. 5, pp. 902—919, 2008, doi: 10.1068/b33066t.

9. Emmanuel R. "Thermal comfort implications of urbanization in a warm-humid city: The Colombo Metropolitan Region (CMR), Sri Lanka", Build Environ, vol. 40, no. 12, pp. 1591—1601, Dec. 2005, doi: 10.1016/j.buildenv.2004.12.004.

10. Wang Y. et al., "The ion chemistry, seasonal cycle, and sources of PM2.5 and TSP aerosol in Shanghai", Atmos Environ, vol. 40, no. 16, pp. 2935—2952, May 2006, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.12.051.

11. Lin Y., Zou J., Yang W. and Li C. Q. "A review of recent advances in research on PM2.5 in China", International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 15, no. 3. MDPI, Mar. 02, 2018. doi: 10.3390/ijerph15030438.

12. Wu J., Fu C., Xu Y., Tang J. P., Wang W., and Wang Z. "Simulation of direct effects of black carbon aerosol on temperature and hydrological cycle in Asia by a Regional Climate Model", Meteorology and Atmospheric Physics, vol. 100, no. 1—4, pp. 179—193, 2008, doi: 10.1007/s00703-008-0302-y.

13. Zhuang B. L. et al., "Optical properties and radiative forcing of urban aerosols in Nanjing, China", Atmos Environ, vol. 83, pp. 43—52, 2014, doi: 10.1016/j.atmosenv.2013.10.052.

14. Tie X. et al., "Severe Pollution in China Amplified by Atmospheric Moisture", Sci Rep, vol. 7, no. 1, Dec. 2017, doi: 10.1038/s41598-017-15909-1.

15. Liu Q. et al., "New positive feedback mechanism between boundary layer meteorology and secondary aerosol formation during severe haze events", Sci Rep, vol. 8, no. 1, Dec. 2018, doi: 10.1038/s41598-018-24366-3.

16. Ruckstuhl C., Philipona R., Morland J., and Ohmura A. "Observed relationship between surface specific humidity, integrated water vapor, and longwave downward radiation at different altitudes", Journal of Geophysical Research Atmospheres, vol. 112, no. 3, Feb. 2007, doi: 10.1029/2006JD007850.

17. Cao C. et al., "Urban heat islands in China enhanced by haze pollution", Nat Commun, vol. 7, Aug. 2016, doi: 10.1038/ncomms12509.

18. Cardelino C. A. and Chameides W. L. "NATURAL HYDROCARBONS, URBANIZATION, AND URBAN OZONE", 1990.

19. Jin M. S., Kessomkiat W., and Pereira G. "Satellite-observed urbanization characters in Shanghai, China: Aerosols, urban heat Island effect, and land-atmosphere interactions", Remote Sens (Basel), vol. 3, no. 1, pp. 83—99, Jan. 2011, doi: 10.3390/rs3010083.

20. Jonsson P., Bennet C., Eliasson I., and Selin Lindgren E. "Suspended particulate matter and its relations to the urban climate in Dar es Salaam, Tanzania", Atmos Environ, vol. 38, no. 25, pp. 4175—4181, Aug. 2004, doi: 10.1016/j.atmosenv.2004.04.021.

21. Zhou D., Zhao S., Liu S., Zhang L., and Zhu C. "Surface urban heat island in China's 32 major cities: Spatial patterns and drivers", Remote Sens Environ, vol. 152, pp. 51—61, 2014, doi: 10.1016/ j.rse.2014.05.017.

22. Li H. et al., "Interaction between urban heat island and urban pollution island during summer in Berlin", Science of the Total Environment, vol. 636, pp. 818—828, Sep. 2018, doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.04.254.

23. Feizizadeh B. and Blaschke T. "Examining Urban heat Island relations to land use and air pollution: Multiple endmember spectral mixture analysis for thermal remote sensing", IEEE J Sel Top Appl Earth Obs Remote Sens, vol. 6, no. 3, pp. 1749—1756, 2013, doi: 10.1109/JSTARS.2013.2263425.

24. Krüger E. L., Minella F. O., and Rasia F. "Impact of urban geometry on outdoor thermal comfort and air quality from field measurements in Curitiba, Brazil", Build Environ, vol. 46, no. 3, pp. 621—634, Mar. 2011, doi: 10.1016/j.buildenv.2010.09.006.

25. Elansky N. "Air quality and CO emissions in the Moscow megacity", Urban Clim, vol. 8, pp. 42—56, 2014, doi: 10.1016/j.uclim.2014.01.007.

26. Elanskii N. F. et al., "Observations of the atmosphere composition in the Moscow megapolis from a mobile laboratory", Doklady Earth Sciences, vol. 432, no. 1, pp. 649—655, May 2010, doi: 10.1134/ S1028334X10050211.

27. Bezuglaya E. Y., Shchutskaya A. B., and Smirnova I. V. "Air pollution index and interpretation of measurements of toxic pollutant concentrations", 1993.

T3 Q m

O n

-I

T3

o s

-I

CD

On

-I 03

o

n

Q X

s

T3

O

03

Q

n CD

On

S

X

H

Q n CD

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

CD X X

y

X

TS -I

o

03

81

28. Gribok M. V. "Features of media coverage of air pollution problems in Russian cities", in InterCarto, Inter-g GIS, Lomonosov Moscow State University, 2020, pp. 94-104. doi: 10.35595/2414-9179-2020-1-26-94-104.

29. Wulder M. A. et al., "The global Landsat archive: Status, consolidation, and direction", Remote Sens En-^ viron, vol. 185, pp. 271-283, 2016, doi: 10.1016/j.rse.2015.11.032.

c 30. Roy D. P. et al., "Web-enabled Landsat Data (WELD): Landsat ETM + composited mosaics of the X conterminous United States", Remote Sens Environ, vol. 114, no. 1, pp. 35—49, 2010, doi: 10.1016/

j.rse.2009.08.011.

31. Masek Jeffrey et al., "Chapter 62 High-energy spectorscopy of lanthanide materials — an overview", IEEE geosience and remote sensing letters, vol. 3, no. 1, pp. 68—72, 2006, doi: 10.1016/S0168-

x x

CD C CD

u 1273(87)10004-9.

O x

s

u

CD

32. Chang F. et al., "BigTable: A distributed storage system for structured data", OSDI 2006 — 7th USENIX X Symposium on Operating Systems Design and Implementation, pp. 205—218, 2006.

33. Corbett J. C. et al., "Spanner", ACM Transactions on Computer Systems, vol. 31, no. 3, pp. 1—22, 2013, doi: 10.1145/2491245.

34. Verma A., Pedrosa L., Korupolu M., Oppenheimer D., Tune E., and Wilkes J. "Large-scale cluster man-û agement at Google with Borg", Proceedings of the 10th European Conference on Computer Systems, Eu-O roSys 2015, 2015, doi: 10.1145/2741948.2741964.

tfi 35. Shukurov I. S., Le M. T., Shukurova L. Il., and Dmitrieva A. D. "Influence of the Effect of the Urban

¡^ Heat Island on the Cities Sustainable Development", Urban construction and architecture, vol. 10, no. 2,

| pp. 62—70, 2020, doi: 10.17673/vestnik.2020.02.9.

O 36. Bakaeva N. and Le M. T. "Determination of urban pollution islands by using remote sensing technology

O

i-

U

in Moscow, Russia", Ecol Inform, vol. 67, p. 101493, Mar. 2022, doi: 10.1016/j.ecoinf.2021.101493.

RELATIONSHIP BETWEEN URBAN HEAT ISLAND AND URBAN POLLUTION ISLAND: I ANALYTICAL REVIEW AND RESEARCH METHODS

o

Le Minh Tuan, Ph. D. (Technical Sciences), Urban planning department, National Research Moscow State University of Civil Engineering, architect290587@gmail.com Moscow, Russia, N. V. Bakaeva, Ph. D. (Technical Sciences), Dr. Habil, professor, Urban planning department, ^ National Research Moscow State University of Civil Engineering, natbak@mail.ru, Moscow, Russia

Literature

82

1. Imhoff M. L., Zhang P., Wolfe R. E., and Bounoua L. "Remote sensing of the urban heat island effect across biomes in the continental USA", Remote Sens Environ, vol. 114, no. 3, pp. 504—513, Mar. 2010, doi: 10.1016/j.rse.2009.10.008.

2. Crutzen P. J. "New Directions: The growing urban heat and pollution 'island' effect — Impact on chemistry and climate", Atmospheric Environment, vol. 38, no. 21. Elsevier Ltd, pp. 3539—3540, 2004. doi: 10.1016/j.atmosenv.2004.03.032.

3. Elsayed I. S. M. "Mitigation of the urban heat island of the city of Kuala Lumpur, Malaysia", Middle East J Sci Res, vol. 11, no. 11, pp. 1602—1613, 2012, doi: 10.5829/idosi.mejsr.2012.11.11.1590.

4. Sarrat C., Lemonsu A., Masson V., and Guedalia D. "Impact of urban heat island on regional atmospheric pollution", Atmos Environ, vol. 40, no. 10, pp. 1743—1758, Mar. 2006, doi: 10.1016/j.at-mosenv.2005.11.037.

5. Rosenfeld A. H., Akbari H., Romm'tv J. J., and Pomerantz M. "Cool communities: strategies for heat island mitigation and smog reduction'", 1998.

6. Raaschou-Nielsen O. et al., "Air pollution and lung cancer incidence in 17 European cohorts: Prospective analyses from the European Study of Cohorts for Air Pollution Effects (ESCAPE)", Lancet Oncol, vol. 14, no. 9, pp. 813—822, Aug. 2013, doi: 10.1016/S1470-2045(13)70279-1.

7. Melstrom P. et al., "Measuring PM2.5, ultrafine particles, nicotine air and wipe samples following the use of electronic cigarettes", Nicotine and Tobacco Research, vol. 19, no. 9, pp. 1055—1061, Sep. 2017, doi: 10.1093/ntr/ntx058.

8. Wilby R. L. "Constructing climate change scenarios of urban heat island intensity and air quality", Environ Plann B Plann Des, vol. 35, no. 5, pp. 902—919, 2008, doi: 10.1068/b33066t.

9. Emmanuel R. "Thermal comfort implications of urbanization in a warm-humid city: The Colombo Metropolitan Region (CMR), Sri Lanka", Build Environ, vol. 40, no. 12, pp. 1591—1601, Dec. 2005, doi: 10.1016/j.buildenv.2004.12.004.

10. Wang Y. et al., "The ion chemistry, seasonal cycle, and sources of PM2.5 and TSP aerosol in Shanghai", Atmos Environ, vol. 40, no. 16, pp. 2935—2952, May 2006, doi: 10.1016/j.atmosenv.2005.12.051.

11. Lin Y., Zou J., Yang W., and Li C. Q. "A review of recent advances in research on PM2.5 in China", International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 15, no. 3. MDPI, Mar. 02, 2018. doi: 10.3390/ijerph15030438.