Ученые из НИУ ВШЭ, МГУ имени М. В. Ломоносова, Института физики атмосферы имени А. М. Обухова РАН и Пермского государственного университета изучили эффект влияния городской среды на экстремальные осадки и ветер на примере Москвы. Исследование, выполненное на основе долгосрочного моделирования, в России проведено впервые. Выяснилось, что мегаполис существенно усиливает экстремальные погодные явления. Более сильные дожди и ветер чаще наблюдаются в пределах Москвы и к северо-востоку от нее, нежели в пригородах.
В Москве дожди и ветер оказались сильнее, чем за ее пределами / © Getty images
Результаты работы опубликованы в журнале Urban Climate. Подробнее — в материале IQ.HSE. Исследование является частью стратегического проекта НИУ ВШЭ «Национальный центр научно-технологического и социально-экономического прогнозирования» в рамках программы «Приоритет 2030».
Городские территории, особенно крупные, оказывают серьезное влияние на климатические процессы в нижних слоях атмосферы. Один из наиболее известных эффектов — городской остров тепла: превышение температуры в городской черте по сравнению с сельской местностью или окружающим природным ландшафтом. Данное явление связано с антропогенными выбросами тепла, влаги и загрязняющих веществ, а также изменением радиационного баланса из-за специфических свойств искусственных материалов.
Влияние городских эффектов на осадки и облачность давно известно благодаря исследованиям в области городской метеорологии. Однако осадкам всегда уделялось меньше внимания, чем температуре воздуха, его качеству, ветрам и радиации. Впервые на тенденцию образования гроз над городами ученые обратили внимание в 1920-е годы. Позже эта проблема изучалась в 1970–1980-е на примере таких крупных городов США, как Сент-Луис, Чикаго, Кливленд, Вашингтон, Хьюстон и Новый Орлеан.
Недавние обзоры литературы показывают, что влияние городов на осадки и конвективные явления, связанные с вертикальным подъемом воздуха, зафиксировано практически на всех континентах. Согласно научным данным, главные физические драйверы подобных процессов следующие: термодинамические — более высокие температуры и тепловые потоки; динамические — более высокая неровность; микрофизические — аэрозольное загрязнение атмосферы.
Согласно ряду исследований, эти факторы могут модифицировать существующие конвективные системы, способствовать образованию новых, а также выступать в качестве триггера усиления грозовой активности. Так, в одной из работ на основе десятилетнего моделирования климата в четырех мегаполисах средних широт было показано, что урбанизация может значительно увеличить частоту и чуть менее — интенсивность экстремальных осадков.
Кроме того, город способствует увеличению объема крупного града примерно на 20%, а урбанизация может усилить потенциал торнадо. Эти результаты были получены на примере Канзас-Сити (США). К сожалению, на территории Евразии подобные исследования ранее не проводились, отмечают авторы новой работы.
Влияние Москвы на комплекс атмосферных явлений оценивалось впервые. В ходе работы климатологи использовали набор данных, основанный на долгосрочном моделировании погодных явлений в Московском регионе в теплое время (с 1 мая по 31 августа) в 2007–2016 годах. Соответствующие данные были созданы с помощью региональной климатической модели COSMO-CLM. Анализировались такие переменные, как максимальная скорость ветра в пределах часа на высоте 10 метров, вертикальные компоненты скорости ветра на высоте 1, 1,5, 2 и 5 километров, часовая норма осадков и их суточное количество, в том числе частота сильных ливней.
Кроме того, использовался показатель спиральности восходящего потока. Он служит хорошим индикатором наличия в конвективном облаке мезоциклона — вращающегося столба воздуха, который иногда опускается до земли и переходит в торнадо.
Результаты моделирования показали статистически значимое влияние города на различные переменные количества осадков. В среднем на большей части территории Москвы, а также в пригородах к северо-востоку от Москвы выпадает больше осадков. Смещение влияния города на погодные явления на северо-восток объясняется преобладанием ветров западного и юго-западного направления над Восточно-Европейской равниной в летний сезон.
В среднем фактор города дает для Москвы до четырех дополнительных дождливых дней и на два дня больше сильных ливней за летний сезон, когда выпадает более 20 миллиметров осадков.
Более сильный ветер также чаще наблюдаются в городе и к северо-востоку от него. Дополнительно интересные данные были получены для спиральности восходящего потока и вертикальной скорости ветра. «Вертикальная скорость в пограничном слое атмосферы, а также в нижней и средней тропосфере и спиральность (как бы закрученность) восходящего потока, несомненно, являются важными факторами в формировании сильных конвективных явлений», — отмечают авторы.
Речь идет о таких экстремальных событиях, как, например, шквал, смерч и крупный град. Оказалось, что городская среда приводит к 50-процентному росту критических значений вертикальной скорости ветра. Влияние города наиболее выражено на высоте 2 и 5 километров и особенно сильно на востоке Москвы.
«Примерно на 50% растет и повторяемость событий, когда одновременно наблюдаются очень сильные ливни и очень сильный приземный ветер», — комментирует один из авторов исследования, климатолог, доцент базовой кафедры Института географии РАН факультета географии и геоинформационных технологий НИУ ВШЭ Александр Чернокульский. Таким образом, приходят к выводу ученые, городская среда может влиять на возникновение комплексных явлений — экстремальных осадков на фоне столь же экстремального ветра.
Полученные данные соответствуют предыдущим исследованиям зарубежных климатологов по другим городам. Однако неожиданным результатом оказалось увеличение частоты возникновения экстремальных скоростей ветра над городскими районами. Это противоречит общепринятому представлению о том, что скорость ветра в городах обычно снижается из-за большей шероховатости поверхности.
Впрочем, известны исключения из этого правила: при определенных условиях скорость ветра в городах действительно может превышать фоновые значения, в результате чего образуется «городской остров ветров». Полученные данные, как отмечают исследователи, подтверждают важность роли более интенсивного вертикального потока ветра над городом в формировании экстремальных погодных явлений.
Полученные выводы важно учитывать при реализации мер адаптации Москвы к изменению климата, при прокладывании ливневой канализации в Москве или расчете влияния застройки на ветровой режим. Также они могут быть полезны при выборе районов для проживания, полагает Александр Чернокульский.
Авторы обращают внимание, что города станут более уязвимыми к экстремальным погодным условиям при текущих темпах урбанизации на фоне изменения климата. В будущих исследованиях, по их мнению, важно проанализировать влияние размера города на интенсивность и количество осадков, а также ветровых явлений.
