Круглые города оказались подвержены осадкам сильнее квадратных и треугольных

Ученые смоделировали влияние формы города и его близость к побережью на частоту и интенсивность осадков. Оказалось, что в круглых городах дожди идут чаще и интенсивнее, чем в квадратных и треугольных, наиболее выражен этот эффект в прибрежных городах. Исследование опубликовано в Earth’s Future.

Города оказывают огромное влияние на климат. Помимо прочего, застройка зданиями влияет на то, насколько часто интенсивно идут дожди как в самом городе, так и в его окрестностях. Массивы высотных домов меняют шероховатость рельефа, что сказывается на воздушных и тепловых потоках. Кроме того, город влияет на баланс влаги между землей и атмосферой.

При этом сами города остаются уязвимы для проливных дождей, поскольку непроницаемость асфальта и бетона увеличивает риски наводнений. Глобальное изменение климата в будущем лишь усилит эту проблему. Поскольку глобальная тенденция к урбанизации сохранится в обозримом будущем, важно исследовать влияние городской среды на характер осадков и учитывать полученные выводы при планировании застройки. Большинство работ оценивают влияние размера и скорости роста городов на количество дождей, в то время как о влиянии формы городов известно мало.

Группа климатологов из Гонконга, Китая и США под руководством Цзячуань Ян (Jiachuan Yang) из Гонконгского университета науки и технологии решила обратить внимание именно на этот аспект проблемы. В своем исследовании ученые смоделировали образование осадков в городах одинаковой площади, но разной формы: треугольной, квадратной и круглой. Оказалось, что в последнем типе городов осадки выпадают чаще, а их интенсивность существенно выше, чем в двух других. Эффект более выражен для прибрежных городов, где контраст между морским и городским воздухом приводит к более сильной конвекции.

Авторы использовали для симуляций ставшую уже традиционной модель исследования и прогноза погоды (Weather Research and Forecast, WRF), разработанную в Национальном центре атмосферных исследований США. В ее основе лежит численное решение уравнений гидротермодинамики атмосферы, учитывающее процессы в верхнем слое суши и воды. Для этого моделируемое пространство разбивается на сетку с адаптивной системой координат. При этом процессы подсеточного масштаба учитываются неявно с помощью параметризации. Одним из таких приемов параметризации стал метод крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES), который использовали авторы.

В каждом случае ученые рассматривали вычислительный домен размерами 120 × 120 × 20 километров (последний параметр — высота) с шагом полкилометра, в центре которого располагался город. Площади городов были одинаковыми и равными 400 квадратным километрам. Это соответствовало квадратному городу со стороной 20 километров, круглому — с диаметром 23 километра и городу в виде равностороннего треугольника — со стороной 30 километров. Для симуляции прибрежности городов юго-восточная часть домена была покрыта водой.

Шесть конфигураций доменов, использованных в вычислениях. Белым цветом обозначены города, синим – водоемы.
   
Домены имели координаты 30 градусов северной широты и 0 градусов восточной долготы для воспроизведения количества осадков в субтропическом климате. Модель предполагала, что сельский район, окружающий город, покрыт орошаемыми пахотными землями и пастбищами, а сами города обладают низкой плотностью, зданиями высотой пять метров и улицами шириной восемь метров. Доля непроницаемой поверхности составила 50 процентов, а удельная мощность антропогенной генерации тепла — 20 ватт на квадратный метр. Кроме того, авторы учитывали суточный цикл солнечной радиации, соответствующий таковому 22 июля, а также не включали в модель ветер.

В результате симуляции показали, что для городов, расположенных внутри суши, их форма, хоть и влияет на суточные осадки, но довольно несущественно. По-иному обстоит ситуация с прибрежными городами. Авторы обнаружили, что в этом случае в круглых городах выпадает осадков на 22 процента, а в квадратных — на 8 процентов больше, чем в треугольных. Также они выяснили, что утренний пик интенсивности дождей в круглых городах на 78 процентов выше, чем в треугольных. В последних, однако послеобеденные дожди проливаются раньше, чем в других конфигурациях.

Ученые объясняют результаты тем, как именно в рассмотренных городах происходит встреча различных потоков воздуха, приводящая к дождю. Если в круглый город позволяет воздушным массам, поступающим со всех направлений, сходится в центре, то в городах с углами эта картина нарушается. В них часть потоков встречается раньше, а потому и интенсивность дождей в целом не настолько пиковая. Авторы, однако, подмечают, что в реальности на погоду в конкретном городе влияет множество факторов, роль части из которых еще предстоит выяснить в будущем.

Количество осадков, выраженное в миллиметрах в час, для городов в глубине суши (a) и на побережье (b). Данные по круглым городам обозначены синим цветом, треугольным – черным, квадратным – красным.

Wufan Zhang et al. / Earth's Future, 2022