Особенности пограничного слоя атмосферы г. Надыма по данным экспериментальных измерений и вихреразрешающего моделирования

В работе представлены результаты исследования формирования городского острова тепла в небольших городах арктического и субарктического регионов на примере г. Надыма (ЯНАО) в зимний период в условиях устойчивой стратификации атмосферы. В результате трех измерительных кампаний с использованием контактных и дистанционных измерений получены сведения об интенсивности и вертикальной протяженности городского острова тепла. Одновременные измерения профилей температуры и скорости ветра внутри города и за городом показали, что при сильно устойчивой стратификации в городе формируется перемешанный пограничный слой со стратификацией, близкой к нейтральной и высотой порядка 50 м. Для объяснения выявленного феномена было проведено вихреразрешающее моделирование турбулентного течения. В качестве набегающего на город потока использовалось типичное для зимних условий турбулентное течение в квазистационарном устойчиво стратифицированном пограничном слое над плоской поверхностью. Использовалась реальная трехмерная схема городской застройки, полученная на основе базы данных OpenStreetMap и уточненная оценками высот зданий по цифровой модели рельефа (ЦМР) ArctiсDEM и полевым наблюдениям их этажности. Результаты моделирования подтвердили формирование в городской среде перемешанного слоя и показали, что одним из важных механизмов образования городского острова тепла у поверхности является механическое перемешивание устойчиво стратифицированной атмосферы. Это подтверждается тем, что турбулентная кинетическая энергия (ТКЭ) в городе по расчетам более чем в 10 раз выше, чем за его границами. Основным источником ТКЭ в городе является ее сдвиговая генерация на высоте зданий при их обтекании. Экспериментальные исследования и теоретические расчеты подтвердили факт существования выраженного городского острова тепла в условиях устойчивой стратификации для небольших полярных городов и позволили впервые оценить высоту его вертикального развития.

1. Варенцов М.И., Константинов П.И., Самсонов Т.Е., Репина И.А. 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. 329–337.

2. Глазунов А.В. Численное моделирование устойчиво стратифицированных турбулентных течений над городской поверхностью. Спектры и масштабы, параметризация профилей температуры и скорости // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014а. Т. 50(4). С. 406–419.

3. Глазунов А.В. Численное моделирование устойчиво стратифицированных турбулентных течений над плоской и городской поверхностями // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014б. Т. 50(3). С. 271–281.

4. Глазунов А.В., Степаненко В.М. Вихреразрешающее моделирование стратифицированных турбулентных течений над неоднородными природными ландшафтами // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 4. С. 403–415.

5. Константинов П.И., Грищенко М.Ю., Варенцов М.И. Картографирование островов тепла городов Заполярья по Совмещенным данным полевых измерений и космических снимков на примере г. Апатиты (Мурманская область) // Исследования Земли из космоса. 2015. № 3. С. 27–33.

6. Локощенко М.А., Корнева И.А., Кочин А.В., Дубовецкий А.З., Новицкий М.А., Разин П.Е. О высотной протяженности городского «Острова тепла» над Москвой // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. № 2. С. 213–217.

7. Регионы и города России: интегральная оценка экологического состояния / под ред. Н.С. Касимова. М.: ИП «Филимонов М.В.», 2014. 560 с.

8. Репина И.А., Варенцов М.И., Чечин Д.Г., Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Калягин М.Ю., Живоглотов Д.Н., Шевченко А.М., Варенцов А.И., Куксова Н.Е., Степаненко В.М., Шестакова А.А. Использование беспилотных летательных аппаратов для исследования атмосферного пограничного слоя // Инноватика и экспертиза. 2020. Т. 2. № 30. С. 20–39.

9. Старченко А.В., Нутерман Р.Б., Данилкин Е.А. Численное моделирование турбулентных течений и переноса примеси в уличных каньонах. Томск: Изд-во Томского ун-та, 2015. 252 с.

10. Юшков В.П., Курбатова М.М., Варенцов М.И., Лезина Е.А., Курбатов Г.А., Миллер Е.А., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Каллистратова М.А. Моделирование городского острова тепла в период экстремальных морозов в Москве в январе 2017 г. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55(5). С. 13–31.

11. Anderson W., Li Q., Bou-Zeid E. Numerical simulation of flow over urban-like topographies and evaluation of turbulence temporal attributes, Journal of Turbulence, 2015, vol. 16, no. 9, p. 809–831.

12. Baklanov A., Mestayer P., Clappier A., Zilitinkevich S., Joffre S., Mahura A., Nielsen N.W. Towards improving the simulation of meteorological fields in urban areas through updated / advanced surface fluxes description, Atmospheric Chemistry and Physics, 2008, vol. 8, p. 523–543.

13. Beare R.J., Macvean M.K., Holtslag A.A.M., Cuxart J., Esau I., Golaz J.-C., Jimenez M.A., Khairoutdinov M., Kosovic B., Lewellen D. An intercomparison of largeeddy simulations of the stable boundary layer, Boundary Layer Meteorol., 2006, vol. 118, p. 247–272.

14. Benz S.A., Bayer P., Goettsche F.M., Olesen F.S., Blum P. Linking Surface Urban Heat Islands with Groundwater Temperatures, Environ. Sci. Technol., 2016, vol. 50, no. 1, p. 70–78.

15. Duckworth F.S., Sandberg J.S. The effect of cities upon horizontal and vertical temperature gradients, Bull. Am. Meteorol. Soc., 1954, vol. 35, no. 5, p. 198–207.

16. Esau I., Miles V.V., Davy R., Miles M.W., Kurchatova A. Trends in normalized difference vegetation index (NDVI) associated with urban development in northern West Siberia, Atmos. Chem. Phys., 2016, vol. 16, no. 15, p. 9563–9577.

17. Geletič J., Lehnert M., Krč P., Resler J., Krayenhoff E.S. High-Resolution Modelling of Thermal Exposure during a Hot Spell: A Case Study Using PALM-4U in Prague, Czech Republic, Atmosphere, 2021, vol. 12, no. 2, p. 175.

18. Garuma G.F. Review of urban surface parameterizations for numerical climate models, Urban Clim., 2018, vol. 24, p. 830–851.

19. Giometto M.G., Christen A., Meneveau C., Fang J., Krafczyk M., Parlange M.B. Spatial characteristics of roughness sublayer mean flow and turbulence over a realistic urban surface, Boundary-layer meteorology, 2016, vol. 160, no. 3, p. 425–452.

20. Glazunov A., Rannik Ü., Stepanenko V., Lykosov V., Auvinen M., Vesala T., Mammarella I. Large-eddy simulation and stochastic modeling of Lagrangian particles for footprint determination in the stable boundary layer, Geoscientific Model Development, 2016, vol. 9, no. 9, p. 2925–2949.

21. Han J.Y., Baik J.J., Lee H. Urban impacts on precipitation, Asia-Pacific J. Atmos. Sci., 2014, vol. 50, no. 1, p. 17–30.

22. Hinkel K.M., Nelson F.E., Klene A.E., Bell J.H. The urban heat island in winter at Barrow, Alaska, Int. J. Climatol., 2003, vol. 23, no. 15, p. 1889–1905.

23. Huang Q., Lu Y. Urban heat island research from 1991 to 2015: a bibliometric analysis, Theor. Appl. Climatol., 2017, no. 1, p. 1–13.

24. Kadygrov E.N., Pick D.R. The potential for temperature retrieval from an angular scanning single channel microwave radiometer and some comparisons with in situ observations, Meteorological Applications: A journal of forecasting, practical applications, training techniques and modeling, 1998, vol. 5, no. 4, p. 393–404.

25. Konstantinov P., Varentsov M., Esau I. A high density urban temperature network deployed in several cities of Eurasian Arctic, Environmental Research Letters, 2018, vol. 13, no. 7, p. 075007.

26. Li X.X., Britter R., Norford L.K. Effect of stable stratification on dispersion within urban street canyons: A large-eddy simulation, Atmospheric Environment, 2016, vol. 144, p. 47–59.

27. Lokoshchenko M.A., Korneva I.A. Underground urban heat island below Moscow city, Urban Clim., 2015, vol. 13, p. 1–13.

28. Magee N., Curtis J., Wendler G. The urban heat island effect at Fairbanks, Alaska, Theor. Appl. Climatol., 1999, vol. 64, no. 1–2, p. 39–47.

29. Miles V., Esau I. Seasonal and Spatial Characteristics of Urban Heat Islands (UHIs) in Northern West Siberian Cities, Remote Sens., 2017, vol. 9, no. 10, p. 989–1004.

30. Oke T.R. The energetic basis of the urban heat island, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1982, vol. 108, no. 455, p. 1–24.

31. Oke T.R., Mills G., Christen A., Voogt J.A. Urban climates, Cambridge University Press, 2017, 520 p.

32. Samsonov T.E., Konstantinov P.I. OpenStreetMap data assessment for extraction of urban land cover and geometry parameters required by urban climate modeling, Ext. Abstr. Proc. GIScience, 2014, p. 395–399.

33. Samsonov T.E., Konstantinov P.I., Varentsov M.I. Objectoriented approach to urban canyon analysis and its applications in meteorological modeling, Urban Clim., 2015, vol. 13, p. 122–139.

34. Tomas J.M., Pourquie M., Jonker H.J.J. Stable stratification effects on flow and pollutant dispersion in boundary layers entering a generic urban environment, Boundary-Layer Meteorology, 2016, vol. 159, no. 2, p. 221–239.

35. Tzavali A., Paravantis J.P., Mihalakakou G., Fotiadi A., Stigka E. Urban heat island intensity: A literature review, Fresenius Environ. Bull., 2015, vol. 24, no. January, p. 4535–4554.

36. Varentsov M., Konstantinov P., Baklanov A., Esau I., Miles V., Davy R. Anthropogenic and natural drivers of a strong winter urban heat island in a typical Arctic city, Atmos. Chem. Phys., 2018, vol. 18, p. 17573–17587.

37. Varentsov M., Stepanenko V., Repina I., Artamonov A., Bogomolov V., Kuksova N., Marchuk E., Pashkin A., Varentsov A. Balloons and Quadcopters: Intercomparison of Two Low-Cost Wind Profiling Methods, Atmosphere, 2021, vol. 12, no. 3, p. 380–411.

38. Varentsov M., Wouters H., Platonov V., Konstantinov P.

39. Megacity-Induced Mesoclimatic Effects in the Lower Atmosphere: A Modeling Study for Multiple Summers over Moscow, Russia, Atmosphere (Basel), 2018b, vol. 9, no. 2, p. 50–73.

40. Varentsov M.I., Artamonov A.Y., Pashkin A.D., Repina I.A. Experience in the quadcopter-based meteorological observations in the atmospheric boundary layer, IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., 2019, vol. 231, p. 12053.

41. Wang W., Xu Y., Ng E. Large-eddy simulations of pedestrianlevel ventilation for assessing a satellite-based approach to urban geometry generation, Graphical Models, 2018, vol. 95, p. 29–41.

42. Zhou D., Zhao S., Zhang L., Sun G., Liu Y. The footprint of urban heat island effect in China, Sci. Rep., 2015, vol. 5, p. 2–12.

43. Электронный ресурс Porter С., Morin P., Howat I., Noh M.-J., Bates B., Peterman K., Keesey S., Schlenk M., Gardiner J., Tomko K., Willis M., Kelleher C., Cloutier M., Husby E., Foga S., Nakamura H., Platson M., Wethington M.J., Williamson C., Bauer G., Enos J., Arnold G., Kramer W., Becker P., Doshi A., D’Souza C., Cummens P., Laurier F., Bojesen M. ArcticDEM, 2018, Harvard Dataverse, V1, DOI: 10.7910/DVN/OHHUKH, URL: https://dataverse.harvard.edu/dataset.xhtml?persistentId=doi:10.7910/DVN/OHHUKH (дата обращения 31.03.2021).