Статьи

ДЗЗ для определения городских островов тепла

ДЗЗ
Фото района Токио, покрытого в летнее время дымкой / Источник: Alex Knight на Unsplash

Острова тепла – это метеорологическое явление, при котором над городами образуются зоны более высоких температур по сравнению с окрестностями. В среднем температура в городах выше на 0,5–4 градуса по сравнению с близлежащими территориями, хотя в редких случаях разница температур доходит и до 10–15 градусов.

Основные причины формирования островов тепла: 
  • способность строительных материалов нагреваться и удерживать тепло;
  • выделение тепла при производственных процессах;
  • повышенное поглощение солнечного излучения от городских поверхностей с низким альбедо (асфальт, металлические сооружения);
  • отопление построек в холодные сезоны; 
  • изменение воздушных потоков и снижение скорости ветра из-за застройки.

Из-за этого городская среда поглощает больше тепловой энергии и медленнее охлаждается по сравнению с окружающими территориями, где больше растений и водных объектов и где нет преград для воздушных потоков. Пограничный слой атмосферы действует как буферная зона и аккумулирует загрязняющие вещества и влагу. Чем более он нестабилен, тем активнее газы и аэрозоли перемещаются в нижний слой атмосферы, ближе к людям.

К последствиям островов тепла относятся изменения мезо- и микроклимата, ухудшение здоровья населения, изменения гидрологического режима и сдвиг фаз развития растений. В теплое время года острова тепла приводят к дискомфорту населения, повышению энергопотребления и к снижению пригодности окружающей среды для людей. В некоторых исследованиях отмечено, что стоимость недвижимости снижается в регионах, где острова тепла проявляются интенсивнее. Что касается населения, повышение температуры в городе больше всего влияют на уязвимые группы населения, а также на семьи с низким уровнем дохода, которые не имеют возможности сменить жилье или приобрести кондиционер. 

Фото индустриальной зоны на фоне яркого солнца и желтого неба с облаками / Источник: sflood02 на FreeImages

Как определить эффект от островов тепла


За последние годы можно отметить значительный интерес к изучению островов тепла с помощью ДЗЗ. Большинство исследований сосредоточено в Азии (в основном, в Китае), что объясняется быстрым ростом городов, который сопровождается значительным эффектом островов тепла. 

Самый значимый показатель интенсивности островов тепла – это разница температур между городом и его окрестностями. Есть несколько методов изучения этой разницы: например, дистанционное зондирование, анализ данных метеостанций, данные портативных тепловизоров in situ и др. 

Наиболее часто используемый способ изучения островов тепла – это технологии дистанционного зондирования, которые позволяют рассчитать температуру поверхности земли (Land Surface Temperature, LST). В отличие от метеостанций, измеряющих температуру воздуха на некотором расстоянии от земной поверхности, LST дает возможность провести более детальный анализ поверхности и объектов на ней. К тому же спутниковые снимки имеют широкий пространственный охват.

Для определения LST чаще всего используют тепловые датчики – они работают в диапазоне 8–14 мкм, который включает испускаемое и отраженное земной поверхностью тепловое излучение. Это излучение регистрируется и преобразуется в данные о температуре поверхности.
Наиболее часто применяют данные тепловых датчиков Landsat, MODIS, и ASTER, при этом из этих трех опций чаще всего прибегают к Landsat. Это можно объяснить доступностью исторических данных, простотой использования ресурса USGS, а также высокой детализацией тепловых данных Landsat. 

Основные преимущества тепловых датчиков ДЗЗ – это широкий пространственный охват и высокое пространственное разрешение. Однако с ними возникают проблемы при наличии облаков, а это влияет на надежность результатов и временное разрешение снимков. В этих случаях температура поверхности также может быть рассчитана на основе обработки данных пассивных микроволновых радиометров. 
По сравнению с тепловыми датчиками микроволновые радиометры обладают большей способностью проникать сквозь облака и даже растительность. Их ограничения связаны в основном с низким пространственными разрешением и невозможностью считывать температуру замерзших поверхностей.

Для изучения островов тепла в местах с высокой облачностью данные пассивных микроволновых радиометров могут быть объединены с информацией от тепловых датчиков. Высокую пространственную детализацию на небольших и неоднородных территориях обеспечат методы изучения островов тепла, сочетающие ДЗЗ, сбор данных in situ и использование БПЛА.  Как и во многих случаях, выбор наиболее подходящих методов зависит от задач проекта и ресурсов.

Ключевые элементы для снижения негативных эффектов от островов тепла – это ограничения роста городов, изучение городского климата, а также дополнительные экономические, социальные и экологические исследования. Чтобы предотвратить эффекты от островов тепла, во многих городах нужна корректировка зон застройки, а также сохранение зеленых зон и водоемов.

Источник: