Вітровий режим великого міста

Постановка проблеми

Упродовж останніх десятиліть процес урбанізації відбувається швидкими темпами. Разом зі зростанням розмірів міст зазнають значних змін і всі компоненти природного середовища, як усередині самого міста, так і на прилеглих до нього територіях. Зміни, що спричинені урбанізацією в локальній структурі атмосферного граничного шару, здійснюють значний вплив на перебіг атмосферних процесів та призводять до зміни значень основних метеорологічних елементів. Поле швидкості вітру над містом майже завжди має складну структуру. Навіть у тому випадку, коли погодна ситуація є максимально простою (безхмарне небо та слабкий вітер або штиль за антициклональної ситуації) відмінності у властивостях підстильної поверхні, особливості рельєфу й параметри забудови спричинюють невпорядковані повітряні рухи [2]. Часто в літературі вітровий режим приземного шару повітря (т. зв. шару життєдіяльності людини - від рівня землі до висоти 2 м) урбанізованого середовища називають аераційним режимом [1]. Аерація житлової території - важливий чинник довкілля, адже саме ним визначаються умови формування рівня забруднення атмосферного повітря та біоклімату території. Аераційний режим міста формується як результат кліматичних умов території (вітровий режим) та впливу різноманітних перешкод (забудови), схеми вулично-дорожньої мережі, зелених насаджень, водойм та інших об'єктів, що можуть впливати на рух повітря у приземному шарі.

Створення належного аераційного режиму урбанізованих територій визначається прийомами архітектурного планування і забудови, принципами озеленення та благоустрою, типами й конструкціями будівель [1]. Залежно від потреби - в окремих точках території можуть створюватися умови для вітрового затінення, або навпаки - сприятливі умови для провітрювання. Саме для того, щоб мати можливість якнайточніше виконати корегування аераційного режиму території, створити максимально комфортний біоклімат у межах районів міста, які проектуються й будуються, забезпечити достатній рівень провітрювання районів, що розташовані поблизу джерел викидів забруднювальних речовин (а, відповідно, і задовільну якість повітря в них) постійно проводяться дослідження вітрового режиму великих міст і чинників, що на нього впливають.

Аналіз попередніх публікацій та досліджень

Дослідження характеристик вітру великого міста розпочалися доволі давно - понад 100 років тому вже була встановлена основна та найзагальніша відмінність вітрового режиму урбанізованих територій - зменшення швидкості вітру порівняно із приміськими незабудованими територіями. Ще в 1909 р. у результаті спостережень у Берліні з використанням анемометра В. Кремсер уперше встановив цю закономірність. Подальші дослідження, здійсненні в різних містах світу, також підтвердили зниження середньої швидкості вітру в урбанізованому середовищі [10]. Значний внесок у розвиток досліджень трансформацій вітрового режиму в місті зробили H. Lansberg [10], T. R. Oke, G. Mills, A. Christen, J. A. Voogt [13], W. Kuttler [7], E. Erell, D. Pearlmutter, T. Williamson [9] тощо.

На сьогодні для вивчення поля вітру в урбанізованому середовищі широко застосовується моделювання. Фізичне - реалізовується шляхом продування макету забудови в аеродинамічній трубі, математичне - за допомогою різноманітних програмних продуктів (напр., "Airflow", "Envi-Met"). Причому, другий підхід в останні роки все частіше застосовується навіть на теренах України. Проте, як показав аналіз публікацій, присвячених даній тематиці - доволі часто фахівці можуть успішно здійснити моделювання повітряних потоків у межах складного урбанізованого середовища, але далеко не завжди можуть вірно інтерпретувати отримані результати. Саме тому метою даної статті є вивчення й аналіз вітрового режиму великого міста, а також узагальнення основних закономірностей трансформацій повітряного потоку в його межах для подальшого використання цієї інформації в наукових дослідженнях та для успішного корегування аераційного режиму урбанізованих територій.

Виклад основного матеріалу

У середньому за рік зниження швидкості вітру в містах порівняно з їх околицями становить близько 30 %. Майже у всіх дослідженнях спостерігається, що в місті більше безвітряних днів та днів зі слабкими вітрами, що не перевищують 2 м/с, ніж у сільській місцевості. За даними [8] кількість штилів у містах зростає на 20 %. Максимальна швидкість вітру в більшості випадків у середньому на 10-30 % нижча, порівняно із незабудованою територією. На територіях із забудовою високою щільністю і всередині груп будівель, що утворюють замкнені й напівзамкнені внутрішньодворові території, швидкість вітру знижується на 70 % і більше [4].

Дослідження вітрового режиму, проведені у великих містах України, також свідчать про послаблення швидкості вітру: наприклад у Києві швидкість вітру в усі пори року протягом доби на більшості території в 0,60,7 рази менша, ніж за його межами (Бориспіль), а майже в усіх районах міста у 1,5-2,5 рази більша, ніж у центрі; у Харкові відношення швидкості вітру в центрі міста до його значень на позаміській території стано вить 0,7; у Полтаві - у центрі міста і промисловій зоні швидкість вітру в 1,5-2,0 рази менша, ніж на околиці; у центрі Львова, розташованого в улоговині, швидкість вітру майже завжди найменша, порівняно з передмістям та іншими районами міста; центральна частина Луцька, як і інших міст, характеризується меншою швидкістю вітру порівняно з околицями; відношення швидкості вітру в Дніпрі до його значення за містом змінюється переважно у межах 0,75-0,85 [2]. Хоча при цьому на підвищених і відкритих місцях в окремий час доби швидкість вітру може наближатися до показників у заміській зоні (напр., таке спостерігається на Багриновій горі в Києві), або навіть бути дещо вищою (у Дніпрі на підвищених і добре провітрюваних територіях в окремі години доби швидкість у 1,2-1,3 рази вища, ніж за містом) [2].

Послаблення швидкості вітру в урбанізованому середовищі відбувається в першу чергу за рахунок вищої шорсткості міської поверхні, порівняно із природними ландшафтами, особливостей рельєфу, або за рахунок "бар'єрного ефекту" - місто із простим рельєфом відіграє роль пасивної перешкоди на шляху повітряного потоку, що спричинює тенденцію до бокового обтікання міста повітряним потоком, а також за рахунок цього до зростання вертикальної компоненти швидкості вітру. Швидкість висхідного потоку в таких випадках у денний час може становити приблизно 0,3-0,4 м/с [11], а швидкість горизонтальної складової, відповідно, зменшується.

Крім того, у багатьох містах на швидкість вітру впливає рослинність. Дослідження, проведені у Відні, показали, що зелені крони дерев зменшують швидкість вітру на 20-30 %. Аналогічний ефект зафіксований у Нешвілі (США) - вимірювання швидкості вітру показали, що в літній сезон на численних озеленених ділянках швидкість вітру була на 20-30 % меншою, ніж на неозеленених. Після опадання листя вітер у середньому посилювався на 25-40 % [10].

У межах урбанізованої території знижується не лише середня швидкість вітру, порівняно із сільською місцевістю, а також відрізняється вертикальний профіль вітру від розподілу швидкостей вітру над рівною територією [4]. Ці відмінності не є однаковими на різних ділянках і залежать від щільності забудови, її висоти, контрастності та інших морфометричних показників та характеру благоустрою (рис. 1).

Рис. 1 Узагальнена схема вертикального профілю швидкості вітру над центром міста, його периферією та у приміській зоні [4]

Крім того, варто зазначити, що навіть загальні особливості відмінностей вітрового режиму урбанізованого середовища будуть відрізнятися для міст із різними типами забудови. За висотою забудови виділяють такі типи міст: "місто-чаша", що характеризується збільшенням висотності будівель від центральної частини міста до периферії, "місто-пагорб" - висотні об'єкти розташовані в центральній частині міста, а до периферії відбувається поступове зниження висотності будівель і "місто-рівнина", в якому приблизно однакова висота забудови спостерігається по всій його території (або по всій території міста спостерігаються чергування будівель різної висоти) [5].

М. С. Мягков [4] зазначає, що зміна вітрового режиму в межах міської забудови, з одного боку, є очевидною та передбачуваною, а з іншого - підпорядковується доволі складним законам гідротермодинаміки, тому є не такою простою. Міська забудова, маючи коефіцієнт шорсткості вищий, ніж більшість природних ландшафтів, знижує швидкість повітряного потоку біля земної поверхні, а за рахунок підвищеної тепловіддачі в атмосферу місто створює мезомасштабну термічну конвекцію, яка може посилювати швидкість вітру на фоні штильових умов. Острів тепла (ОТ), що є причиною підвищеної тепловіддачі в місті, спричинює додаткові горизонтальні градієнти тиску та пов'язані з ними локальні циркуляції, які можуть виникати за слабких вітрів або штилю. Біля поверхні землі повітряні потоки спрямовані від окраїн до центру, де найвища інтенсивність ОТ, а у верхньому шарі спостерігається відтік повітря до околиць міста. Наявність конвергенції приповерхневого повітряного потоку над містом є логічною, адже внаслідок існування острова тепла формується нестійка стратифікація температури, що викликає підйом повітряних мас. Вищеописана циркуляція називається сільським бризом (рис. 2).

Рис. 2 Схема формування сільського бризу [6]

Нічна конвергенція повітряного потоку над містом є причиною того, що вночі вітер у місті послаблюється не настільки сильно, як удень, і часом може бути навіть сильнішим, ніж у сільській місцевості. Найчастіше це спостерігається за тихої спокійної погоди, коли в сільській місцевості фіксується потужна температурна інверсія, а в місті приповерхневий шар повітря стратифікований нестійко.

Варто зазначити, що спрямований вночі всередину міста рух повітря не є постійним. У великих містах ізотерми ОТ (навіть якщо він на території даного міста єдиний) розташовані не еквідистантно. Зазвичай ізотерми концентруються біля краю щільно забудованої зони. У метеорології така ситуація аналогічна до проходження холодного фронту, коли на незначній відстані відбувається різка зміна температури. Ця особливість островів тепла може призводити до різких пульсацій холоднішого повітря, що надходить у місто вночі, і супроводжуватися сильними поривами вітру. Існування таких мініатюрних холодних фронтів було доведено А. Шмауссом ще в 1925 р. [10].

Проте E. Erell та D. Pearlmutter [9] зазначають, що хоча мезомасштабні метеорологічні моделі урбанізованих територій передбачають існування у містах термічних циркуляцій типу сільського бризу, проте емпіричні дані стосовно цього явища не завжди є однозначними. Це може бути спричинено тим, що термічні циркуляції можуть формуватися лише в особливих умов: поперше, лише в нічний час та за високої інтенсивності міського ОТ і за дуже слабкого вітру чи штилю. Крім того, коли під впливом міського ОТ формується сільський бриз, адвекція повітря із передмість діє як саморегулюючий механізм, що знижує температурну різницю між містом і приміськими районами: порівняно холодні ше повітря надходить у місто в нижньому шарі (біля земної поверхні), у той час як тепле повітря піднімається вгору і виноситься за межі міста, таким чином відбувається руйнування температурних відмінностей між містом та прилеглими територіями.

Особливості вітрового режиму в межах різних типів забудови. Велике місто, як правило, є мезомасштабною перешкодою на шляху вітру (за рахунок чого виникає тенденція до бокового обтікання міста повітряним потоком - про що згадувалося вище), проте ця "перешкода" поділена на дрібніші - субмезомасштабні фрагменти (мікрорайони, комплекси будівель), що відрізняються за своїми аеродинамічними параметрами, і у свою чергу поділяються на мікромасштабні об'єкти (окремі будівлі, частини вулиць тощо).

Повітряні потоки всередині міського шару тертя значною мірою залежать від особливостей місцевості та розміщення перешкод. Суттєві відмінності спостерігаються між порушенням повітряного потоку перешкодами, що спричинюють його поділ (перешкоди з чіткими гранями, такі як, напр., високі будівлі) та такими, що дають змогу потоку плавно обтікати їхні поверхні (перешкоди округлих форм, такі, як невисокі пагорби чи неглибокі долини). Міські конструкції звісно ж є перешкодами першого типу - їх інколи називають необтічними тілами (bluff body - англ.) [9] (їхні кутові краї стають причиною утворень інтенсивних вихорів).

Для кращого розуміння особливостей зміни вітрового потоку в міському середовищі, краще розглянути спочатку особливості обтікання повітряним потоком спрощеного двовимірного об'єкта. Коли повітряний потік, паралельний землі, наштовхується на будівлю, що належить до необтічних перешкод та розташована далеко від інших, відбувається суттєва його трансформація і в ньому можна виділити три зони, що суттєво відрізняються за своїми характеристиками (рис. 3). Перша з цих зон (зона зміщення) починається на певній відстані перед будівлею з навітряного боку, підіймається дещо вище її даху і тонкою смугою тягнеться з підвітряного боку над двома іншими зонами трансформації потоку аж до місця, де відбувається його вирівнювання. Безпосередньо перед будівлею, на деякій висоті над нею та за нею розташовується зона вітрової тіні, яка за рахунок формування вихорів характеризується значно нижчою швидкістю вітру, і в різних публікаціях ще називається зоною аеродинамічної тіні, зоною відносного штилю чи зоною завихрення. Частина зони вітрової тіні перед будівлею є помітно меншою, ніж підвітряна її частина, і часто виділяється окремо й називається зоною підпору. Розміри зони вітрової тіні визначаються висотою, довжиною та шириною будівлі й розраховуються за спеціальними формулами. Наближено зона вітрової тіні може бути прийнята як п'ять висот будівлі [3]. Третя зона у структурі повітряного потоку - це зона вирівнювання (відновлення) потоку, вона розташована лише з підвітряного боку будівлі.

Рис. 3 Схематичне зображення структури повітряного потоку, що наштовхнувся на будівлю, яка розташована на значній відстані від інших [9]

б) що розташована кутовим боком до вітру

Крім того, залежно від розташування будівлі шодо вітрового потоку можливі різні варіанти завихрення повітря в зоні вітрової тіні (рис. 4), що у свою чергу визначає також її розміри та силу всмоктуючого ефекту (зону за будівлею з негативним тиском). Якщо будівля розташована під кутом 45° до повітряного потоку, то вздовж її навітряних граней формуються високі швидкості вітру (на відміну від випадку, коли будівля розташована до вітру лицьовим боком і перед нею формується завихрення), вітрова тінь за нею є значно ширшою, а всмоктуючий ефект - сильнішим.