Градска климатология в България – теория и перспективи

Брой № 1(49) / февруари 2019, Въздухът, който дишаме

Калоян Иванов

 

Кореспонденция: Калоян Иванов, кфмн, научен сътрудник, Научен Институт Хидрология и Метеорология, БАН, kaloyan.ivanov@meteo.bg

 

 

Градската климатология представлява клон от общата климатология, който изследва многогодишните взаимодействия между атмосферата и урбанизираните територии. Градските климати могат да се определят като най-силно „антропогенизираните климати“, тъй като влиянието на човешката дейност върху климата, особено в периоди на засилена индустриализация и урбанизация, е много характерно. За разлика от популярното, но недоказано твърдение, че човекът влияе върху климатичните процеси в глобален мащаб, по отношение на малки по големина форми, каквито са градовете, антропогенното въздействие върху климата е добре проученo. През XXI век масова тенденция в световен мащаб е миграцията на населението към градовете. Изследването на връзката между градската климатология, градската екология и градското развитие е от съществено значение за бъдещето на градовете и качеството на живот на хората, които живеят в тях.

 

Първият труд по градска климатология в света принадлежи на Luke Howard, издаден през 1833 г. и описващ градските климатични условия в гр. Лондон1. Малко повече от век по-късно в Германия се появява първият систематизиран труд по градска климатология, написан от бенедиктинския монах Albert Kratzer, който през 1937 г. защитава докторската си дисертация в Мюнхенския университет Лудвиг-Максимилиан, обработвайки и анализирайки цялата налична климатологична информация за градовете в света до онзи момент2. Друг изтъкнат представител на немската школа е Rudolf Geiger – професор по метеорология и климатология, който освен с капиталния си труд по микроклиматология, заедно с Wladimir Köppen създава и най-известната и употребявана на запад класификация на климатите в света, носеща името на двамата бележити учени3. Заедно с тях, изявените специалисти по градска климатология са представени от един от най-видните климатолози от Германия – Helmut Langsberg, както и от учени от англо-американската климатологична школа – T.R. Oke и др.4,5. В България изследванията на градския климат са малобройни, но съществуват още от началото на XX век. Представени са от Иширков, Радев, Киров, Христов и Танев, Блъскова и др. 6-10. Изследвани са предимно климатичните характеристики на гр. София, но липсата на достатъчно подробни данни от наземни станции в градски условия е предпоставка за отдалечаване от типичното мезоклиматично изследване, при което гъстотата на метеорологичната мрежа допринася за отчитане на основни влияния на градския ландшафт.

 

Хоризонтално разпределение на градските климати

 

Географското разпространение на климата в градски условия по хоризонтално разпределение може да се опише по следния начин:

 

1. Микроклимат – климат на територии с разпространение от 1 cm до 1 km – сгради, улици, градини и т.н.;

 

2. Локален (местен) климат – разпространение на климата на територии от 100 m до 50 km –  квартали с еднородна градска морфология;

 

3. Мезоклимат – разпространение на територии от 10 km до 200 km – градове. Една климатична станция не може да бъде представителна за изследването на мезоклимати.

 

Съществува и четвърто понятие климат, което се отнася за територии извън градовете:

 

4. Макроклимат – разпространение на територии от 100 km до 100 000 km – държави, континенти и т.н.11. Границите между отделните климатични мащаби не са толкова рязко очертани и по-скоро служат за ориентир.

 

Градският ландшафт може да бъде поделен на пет морфографски единици, които пораждат специфични локални и микроклимати:

 

1) сгради;

 

2) каньони (улици);

 

3) блокове (квартали);

 

4) зона на земно използване (индустриална);

 

5) град.

 

Според редица автори (Kratzer, Geiger et al.) градският климат е типичен мезоклимат (Zwischenklima) – дребномащабен климат на малка територия, включваща население.

 

Поделяне на градските атмосферни слоеве във височина

 

Най-опростеното представяне на градската атмосфера във вертикална посока е следната:

 

Според Oke, в един град съществуват два основни мезоклиматични слоя, които оказват пряко влияние на климатичните му характеристики12. Това са т.нар. „Urban canopy layer“ (UCL) или „Градски жилищен слой“ – включващ приземния слой въздух, простиращ се до височината на сградите и „Urban boundary layer“ (UBL) или „Градски граничен слой“ – включващ свободната атмосфера над първия слой до 1 km (Фиг. 1).

 

 

В слоя UCL се наблюдават микроклиматични характеристики с доминиране на влиянието на постилащата повърхнина и естествената ръбатост на елементите. UCL слоят се слива със слоя UBL, където микроклиматичните черти се трансформират в мезоклиматични под действието на турбулентната дифузия.

 

Фактори и елементи на градския климат

 

Градският климат зависи от природните фактори, влияещи и на макроклиматите, като: слънчева радиация, атмосферна циркулация, релеф и надморска височина и др., но притежава и типично собствени фактори, които формират специфичния мезоклимат в градска среда. Основен фактор на градския климат е градският ландшафт (land use), представен от различни по големина и разположение сгради с различна форма и цвят на покривите, вид на строителните материали, от които са построени, пътни настилки, зелените площи и др. Този характерен ландшафт създава определени климатични условия в града, които се различават от извънградските пространства. Например, геометричната форма на сградите и цвета на покривите влияе върху акумулирането на топлина и отдаването ѝ. Усвоените площи, зелените терени и пр. влияят върху преразпределението на слънчевата радиация – албедото на строителните материали е по-малко от това на естествените повърхнини. Изследването и планирането на земеползването в градовете изисква задълбочени познания по геоурбанистика и ГИС (Географски информационни системи). Други два основни фактора на градския климат са замърсителите на атмосферния въздух и антропогенните емисии на парникови газове. Човешката дейност в градовете допринася за изхвърлянето на множество замърсители като ФПЧ10, SO2, NO2 и др. от индустриална дейност, транспорт и битово горене. Газове като CO2, отделяни при различни промишлени процеси и градския транспорт, водят до парников ефект в самия град. Наличието на атмосферни замърсители променя радиационния баланс в градовете, като обикновено присъствието им е до 1-2 km височина. Увеличеното количество на вредните емисии от производствена дейност води до разсейване на пряката слънчева радиация, до понижаване на температурите и намаляване на ултравиолетовата радиация в градовете. Важни фактори в градската среда са броят и гъстотата на населението в града и икономическите му възможности. Пространственото планиране на един град зависи много от спазването на определени норми, свързани с градските климатични ефекти, които могат да окажат съществено въздействие върху живота и здравето на хората.

 

Градският климат има и свои елементи. Най-важният от тях е температурата в града. Тук особено характерно е явлението градски топлинен остров, при което измерените средни температури, обикновено в центъра на града, са с 1-3 градуса по-високи от извънградските части. Островът на топлина е основен проблем на всички градове, особено забележим при по-големите. Това явление се наблюдава най-добре при антициклонално време и през нощта. Друг основен и много характерен елемент на градския климат е градската мъгла – смог. Тя се образува от естествено насищане на въздуха с водни пари в съчетание с антропогенно замърсяване от различен произход. Валежите и облачността също са характерни за градския тип климат. Поради големите турбулентни потоци топлина, редица автори отчитат образуването на местни типове облаци, появяващи се над най-топлите части на града, от които при определени метеорологични условия може да падне валеж. Различните температурни разлики в центъра и периферията на градовете може да доведе до образуването на местни ветрове в града с посока на движение от центъра към периферията. Релефът като общ и местен фактор оказва голямо влияние върху градския климат. В котловинни форми на релефа, каквато например е Софийската котловина, дните с безветрие (скорост на вятъра под 2 m/s) са много, а това пречи на въздушния дренаж в негативната форма на релефа. Според някои автори, за да се пречисти въздухът на нивото на улиците в градска среда, е необходима скорост на вятъра от повече от 5 m/s14. Котловинната форма спомага и за задържането на много студен въздух през студеното полугодие, докато топлият остава във височина – получава се неблагоприятното метеорологично явление – температурна инверсия. Инверсиите са най-устойчивият вид термична стратификация, поради което се явяват непреодолимо препятствие за развитието на конвективен и турболентен обмен на въздуха. Поради тази причина всеки инверсионен слой, в зависимост от неговата вертикална мощност, е трудно преодолима бариера за натрупващите се под него интензивно замърсяващи въздуха емисии, които не могат да се издигнат до нивото на високите въздушни течения и да се разсеят в свободната атмосфера. Само за месец януари 2016 г. броят дни с температурни инверсии в София до 1500 m височина е бил 24 дни.

 

Трудности в проучването на градския климат в България

 

Изследването на градския климат в България търпи сериозни затруднения поради няколко причини. За разлика от западните държави, където градската климатология бележи завиден разцвет още през 60-те години на ХХ век, у нас българската климатологична школа се развива по съветски шаблон, където научните проучвания са ориентирани предимно към изследване на макроклимати в съзвучие с генетичния подход на съветския учен Алисов. Проблем за мезоклиматичните изследвания представлява гъстотата на метеорологичната мрежа, която след 1944 г. силно намалява. През 1931 г. в Царство България е имало по една метеорологична станция на 330 km2; през 1956 г. по една станция на 480 km2; през 2000 г. – по една на 820 km2.15 Намаляването на териториалния обхват на изследване на климатичните елементи води до затруднения в по-подробното проучване на местните климатични особености в градска среда. Типични изследвания на мезоклимат няма поради простата причина, че дори в гр. София никога не е имало достатъчен брой станции, които да отчетат подробностите в така разнообразния градски ландшафт на българската столица. Климатичните станции в града са насочени към отразяване на елементите на регионалните макроклимати, където се спазват изискванията за измерване на Световната метеорологична организация, които обаче в градска среда не са напълно приложими, защото именно в границите на урбанизираните територии влиянието на околните сгради или зелените площи е от съществено значение за определяне на ефектите на градския климат и неговите параметри16. От друга страна, при мезоклиматичните изследвания на градовете трябва да се избягва и навлизането в микроклиматичните специфики и затова разполагането на станциите трябва да бъде съобразено със съответното земно покритие на дадения град.

 

В съвремието поради липсата на голяма гъстота на метеорологичната мрежа, се използват методи за определяне на климатите в градовете на база сателитни данни, използват се мобилни станции или най-често се борави с различни модели, чрез които се прогнозират настоящи или бъдещи особености на климатите в градска среда. В гр. София внимание заслужава най-новото изследване на градския топлинен остров, при което е използван WRF модел (Weather Research and Forecasting)17.

 

В идните години градската климатология трябва да заеме своето място сред водещите науки в България. Предстои да бъде създадена първата класификация на градските климати в София, която да помогне на градското планиране в столицата и справянето със замърсяването на атмосферния въздух. През 2000 г. Институтът по архитектура в Япония създаде „Климатичен атлас на главните японски градове“, където особено внимание бе обърнато на влиянието на зелените площи върху качеството на въздуха в градски условия18. В Германия отдавна е съставен „Klimaatlas“ (Климатичен атлас), който се ползва за градското планиране. Типичен пример за това е планирането на гр. Щутгарт, град с идентични проблеми на гр. София, поради разположението си в котловина. В организацията на града взеха участие специалисти по градска климатология, които съставиха климатичния атлас на Region Stuttgart (с площ от 3654 km2), където климатът и качеството на въздуха бяха взети като едни от основните фактори за градоустройството и устойчивото развитие на града.

 

Финални послания

 

Градското население в България продължава да нараства, като в столицата този прираст бележи най-голям ръст. Метеорологичните и климатичните изследвания в урбанизираните територии трябва да бъдат взети под внимание при планирането на градовете, транспортните услуги и комуникациите, за да може да се погледне на проблема с качеството на въздуха по-комплексно и да се намери решение за справянето с него, което да даде резултат в намаляването на различните вредни последици за здравето на хората, характерни за съвременния градски начин на живот.

 

Литература:

 

1. Howard, L. The climate of London. Volume 1. London, 1833

2. Kratzer, A. Das Stadtklima. The Climate of Cities. Translation by American Meteorological Society. Boston, 1956.

3. Geiger, R. Das Klima der bodennahen Luftschicht. Ein Lehrbuch der Mikroklimatologie (The climate of the ground layer of air. A textbook of microclimatology. 3d edition, 1950).

4. Landsberg H. E. The urban climate. Academic Press, New York and London, 1981

5. Oke T.R., Mills G, et al. Urban Climates. Cambridge University Press, 2017.

6. Иширков А. Няколко бележки върху температурата на въздуха в София, Кн. 63, 1902-1903, с. 114-121.

7. Радев Ж. Няколко бележки върху климата на гр. Бургас, 1906.

8. Киров К.Т., Калчева Р.Н. и др. 50 години метеорологични наблюдения в София. Столична голяма община, 1938.

9. Христов П., Танев А. Климатът на София. София, 1970

10. Блъскова Д. Климат и микроклимат на София. София, 1983.

11. Oke, T.R. Boundary layer climates, 2nd edition, 1987, с. 3-4.

12. Oke, T.R. Methods in Urban Climatology // 25th International Geographical Congress Symposium. Zürich, 1984, p. 20-21.

13. Urban Climates, 2015, http://thebritishgeographer.weebly.com/urbanclimates.html

14. Georgii H. W., Busch E. and Weber E. Investigations of the Temporal and Spatial Distributions of the Emission Concentration of Carbon Monoxide in in Frankfurt Main. University of Frankfurt, No. 11, 1967.

15. Из историята на българската метеорология и климатология. ГEOграфия‘21. Научно-методическо списание, брой 2, 2006, с. 24.

16. Oke T.R. Initial guidance to obtain representative meteorological observations at urbansites // WMO/TD No. 1250, 2004, p. 2.

17. Vitanova L, Kusaka H. Study on the urban heat island in Sofia City: Numerical simulations with potential natural vegetation and present land use data. Sustainable Cities and Society, vol. 40, 2018, p. 110-125.

18. Kusaka H. Recent Progress on Urban Climate Study in Japan // Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, 2008, p.13.


 

Вашият коментар