ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ОСТРОВА ТЕПЛА МОСКОВСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ В РАМКАХ РЕГИОНАЛЬНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ COSMO-CLM

Рассмотрен первый опыт использования мезомасштабной региональной климатической модели COSMO-CLM, сопряженной с двумя специализированными параметризациями городской подстилающей поверхности, одноуровневой моделью городского подслоя TEB (Town Energy Balance) и упрощенной схемой TERRA-URB, для моделирования летних микроклиматических условий Московской агломерации. Модель использовалась для динамической детализации (даунскейлинга) данных реанализа с учетом особенностей городской подстилающей поверхности, которые приводят к формированию эффекта городского острова тепла. Морфологические параметры застройки, необходимые для рассматриваемых параметризаций, были получены из открытых данных OpenStreetMap с использованием оригинальной ГИС-технологии. Верификация модели была основана на сравнении результатов моделирования с данными наблюдений на метеостанциях и станциях мониторинга качества воздуха, включая ряд новых станций, появившихся в последние годы. Сравнение модельных результатов, полученных с использованием двух рассматриваемых параметризаций, показало, что обе из них способны воспроизводить эффект острова тепла в поле приземной температуры воздуха и временную изменчивость его интенсивности. Однако более тщательный анализ показал существенные различия между двумя параметризациями. Установлено, что отепляющее влияние застройки, моделируемое с использованием схемы TERRA-URB, оказывает влияние не только на застроенные модельные ячейки, но также на соседние свободные от застройки ячейки (например, городские парки), и на вышележащие модельные уровни, формируя термическую аномалию вертикальной протяженностью порядка первых сотен метров, что согласуется с данными наблюдений. А в версии модели со схемой TEB влияние городской застройки практически не передается соседним модельным ячейкам и пограничному слою атмосферы над городом. Таким образом, можно сделать вывод, что версия модели COSMO-CLM с параметризацией TERRA-URB воспроизводит эффект городского острова тепла более реалистично. Также была показана важность корректного определения модельных параметров турбулентной диффузии для адекватного воспроизведения данного эффекта.

городской острова тепла, климат города, микроклимат, Московская агломерация, COSMO, региональное климатическое моделирование, глобальное потепление, даунскейлинг, пограничный слой атмосферы

1. Алферов Д.Ю., Ривин Г.С. Система мезомасштабного прогноза погоды COSMO-Ru: ансамблевый прогноз // Тр. Гидрометцентра России. 2011. Вып. 346. С. 5–16.

2. Александров Г.Г., Белова И.Н., Гинзбург А.С. Антропогенные потоки тепла в столичных агломерациях России и Китая // Доклады Академии наук. 2014. Т. 457. № 1. С. 101–106.

3. Варенцов М.И., Вереземская П.С., Заболотских Е.В., Репина И.А. Оценка качества воспроизведения полярных мезоциклонов по данным реанализов и результатам регионального климатического моделирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 4. С. 168–191. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-4-168-191.

4. Гинзбург А.С., Белова И.Н., Расплетина Н.В. Антропогенные потоки тепла в городских агломерациях // Доклады Академии наук. 2011. Т. 439. № 2. С. 256–259.

5. Горбаренко Е.В., Абакумова Г.М. Вариации радиационного баланса подстилающей поверхности по многолетним наблюдениям МО МГУ // Метеорология и гидрология. 2011. № 6. С. 42–54.

6. Кадыгров Е.Н., Кузнецова И.Н., Голицын Г.С. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных / Доклады Академии наук. 2002. Т. 385. № 4. С. 541–548.

7. Кислов А.В., Варенцов М.И., Горлач И.А., Алексеева Л.И. «Остров тепла» московской агломерации и урбанистическое усиление глобального потепления // Вестник Моск. ун-та. 2017 (в печати).

8. Кислов А.В., Розинкина И.А., Чернышов А.В. Технология моделирования микроклиматических особенностей горной территории в рамках моделей общей циркуляции атмосферы // Метеорология и гидрология. 2006. № 10. C. 45–53.

9. Локощенко М.А., Корнеева 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.

10. Мягков М.С., Губернский Ю.Д., Конова Л.И., Лицкевич В.К. Город, архитектура, человек и климат / Под ред. М. Мягкова. М.: Архитектура-С, 2007. 340 с.

11. Anders I., Paumann M., Chimani B., Hofstätter M. Impacts of using spectral nudging on COSMO-CLM simulations of single Vbevents // 3rd International Lund Regional-Scale Climate Modelling Workshop Proceedings, 2014. P. 154–155.

12. Böhm U., Kücken M., Ahrens W., Block A., Hauffe D., Keuler K., Rockel B., Will A. CLM – the climate version of LM: Brief description and long-term applications // COSMO Newsletter. 2006. V. 6. P. 225–235.

13. Bontemps S., Defourny P., Bogaert E.V., Arino O., Kalogirou V., Perez J.R. GLOBCOVER 2009-Products description and validation report. 2011.

14. Buzzi M., Rotach M.W., Holtslag M., Holtslag A.A. Evaluation of the COSMO-SC turbulence scheme in a shear-driven stable boundary layer // Meteorologische Zeitschrift. 2011. V. 20. № 3. P. 335–350.

15. Cerenzia I., Tampieri F., Tesini M.S. Diagnosis of Turbulence Schema in Stable Atmospheric Conditions and Sensitivity Tests // Cosmo Newsletter. 2014. V. 14.

16. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J., Berrisford P., Poli P., Kobayashi S., Andrae U., Balmaseda M.A., Balsamo G., Bauer P., Bechtold P., Beljaars A.C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Delsol C., Dragani R., Fuentes M., Geer A.J., Haimberger L., Healy S.B., Hersbach H., Hölm E.V., Isaksen L., Källberg P., Köhler M., Matricardi M., McNally A.P., Monge-Sanz B.M., Morcrette J.-J., Park B.-K., Peubey C., de Rosnay P., Tavolato C., Thépaut J.-N., Vitart F. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system // Q.J.R. Meteorol. Soc. 2011. V. 137. P. 553–597. doi:10.1002/qj.828.

17. Doms G., Foerstner J., Heise E., Herzog H.-J., Mironov D., Raschendorfer M., Reinhardt T., Ritter B., Schrodin R., Schulz J.-P., Vogel G. A Description of the Nonhydrostatic Regional COSMOModel. Part II: Physical Parameterization. COSMO-Model 4.20. Offenbach, 2011, 154 p., http://www.cosmo–model.org/content/model/documentation/core/cosmoPhysParamtr.pdf

18. Doms G., Baldauf M. A Description of the Nonhydrostatic Regional COSMO-Model. Part I: Dynamics and Numerics. COSMO-Model 5.1. Offenbach, 2015, 158 p., http://www.cosmomodel.org/content/model/documentation/core/cosmoDyncs

19. Numcs.pdf. Ebert E.E. Fuzzy verification of high resolution gridded forecasts: a review and proposed framework // Meteorological applications. 2008. V. 15. № 1. P. 51–64.

20. Fan H., Sailor D.J. Modeling the impacts of anthropogenic heating on the urban climate of Philadelphia: a comparison of implementations in two PBL schemes // Atmospheric Environment. 2005. Т. 39. № 1. С. 73–84.

21. Feser F., Barcikowska M. The influence of spectral nudging on typhoon formation in regional climate models // Environmental Research Letters. 2012. V. 7. № 1. P. 14–24.

22. Flanner M.G. Integrating anthropogenic heat flux with global climate models // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. № 2.

23. Haklay M., Weber P. Openstreetmap: User-generated street maps // IEEE Pervasive Computing. 2008. V. 7. № 4. P. 12–18.

24. Gorchakov G.I., Kadygrov E.N., Kunitsyn V.E., Zakharov V.I., Semutnikova E.G., Karpov A.V., Kurbatov G.A., Miller E.A., Sitanskii S.I. The Moscow heat island in the blocking anticyclone during summer 2010 // Doklady Earth Sciences. Springer Science & Business Media, 2014. V. 456. № 2. P. 736–740.

25. Masson V.A. Physically-Based Scheme For The Urban Energy Budget In Atmospheric Models // Boundary-Layer Meteorology. 2000. V. 94. № 3. P. 357–397.

26. Nunez M., Oke T.R. Energy Balance of an Urban Canyon // J. Applied Meteorology. 1977. V. 16. P. 11–19.

27. Rossa A.M., Domenichini F., Szintai B. Selected COSMO-2 verification results over North-eastern Italian Veneto // COSMO Newsletter. 2012. V. 12. P. 64–71.

28. Stewart I., Kennedy C. Estimating anthropogenic heat release from megacities. ICUC9 – 9th International Conference on Urban Climate held jointly with the 12th Symposium on the Urban Environment, 20–24 July 2015, Toulouse, France.

29. Samsonov T.E., Konstantinov P.I. Openstreetmap data assessment for extraction of urban land cover and geometry parameters required by urban climate modeling // Extended Abstract Proceedings of the GIScience 2014, September 23–26, Vienna, Austria. GeoInfo Series. 2014. V. 40. Hochschьlerschaft, TU Vienna Vienna, Austria. Р. 395–399.

30. Samsonov T.E., Konstantinov P.I., Varentsov M.I. Objectoriented approach to urban canyon analysis and its applications in meteorological modeling // Urban Climate. 2015. V. 13. P. 122– 139.

31. Stoffelen A. Toward the true near-surface wind speed: Error modeling and calibration using triple collocation // J. Geophysical Research. 1998. V. 103. № C4. P. 7755–7766.

32. Storch H., Langenberg H., Feser F. A spectral nudging technique for dynamical downscaling purposes // Monthly weather review. 2000. V. 128. № 10. P. 3664–3673.

33. Trusilova K., Früh B., Brienen S., Walter A., Masson V., Pigeon G., Becker P. Implementation of an Urban Parameterization Scheme into the Regional Climate Model COSMO-CLM // J. Applied Meteorology and Climatology. 2013. V. 52. P. 2296– 2311.

34. Varentsov M.I., Konstantinov P.I., Samsonov T.E. Investigation of detailed spatial structure of the Moscow urban heat island with application of the newest meteorological observations and regional climate modelling // Geophysical Research Abstracts. EGU General Assembly 2016. V. 18. EGU General Assembly. 2016.

35. Wouters H., Demuzere M., De Ridder K., van Lipzig N.P. The impact of impervious water-storage parametrization on urban climate modelling // Urban Climate. 2015. V. 11. P. 24–50.

36. Wouters H., Demuzere M., Blahak U., Fortuniak K., Maiheu B., Camps J., Tielemans D., van Lipzig N.P. The efficient urban canopy dependency parametrization (SURY) v1. 0 for atmospheric modelling: description and application with the COSMO-CLM model for a Belgian summer // Geoscientific Model Development. 2016. V. 9. № 9. P. 3027–3054.

37. Wyngaard J.C. Toward numerical modeling in the «Terra Incognita» // J. the atmospheric sciences. 2004. V. 61. № 14. P. 1816– 1826.