научная статья по теме КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ОСТРОВОВ ТЕПЛА ГОРОДОВ ЗАПОЛЯРЬЯ ПО СОВМЕЩЕННЫМ ДАННЫМ ПОЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ НА ПРИМЕРЕ Г. АПАТИТЫ (МУРМАНСКАЯ ОБЛАСТЬ) Космические исследования

Текст научной статьи на тему «КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ОСТРОВОВ ТЕПЛА ГОРОДОВ ЗАПОЛЯРЬЯ ПО СОВМЕЩЕННЫМ ДАННЫМ ПОЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ НА ПРИМЕРЕ Г. АПАТИТЫ (МУРМАНСКАЯ ОБЛАСТЬ)»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 3, с. 27-33

СОСТОЯНИЕ ЭКОСИСТЕМ В СУБАРКТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ

КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ОСТРОВОВ ТЕПЛА ГОРОДОВ ЗАПОЛЯРЬЯ ПО СОВМЕЩЕННЫМ ДАННЫМ ПОЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ НА ПРИМЕРЕ г. АПАТИТЫ

(МУРМАНСКАЯ ОБЛАСТЬ) © 2015 г. П. И. Константинов*, М. Ю. Грищенко, М. И. Варенцов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Географический факультет, Москва *E-mail: kostadini@mail.ru Поступила в редакцию 26.05.2014 г.

В статье приводятся результаты исследования городского острова тепла (Urban Heat Island, UHI) г. Апатиты в зимний период, полученные по данным полевых метеорологических измерений и космических снимков. По температуре поверхности, полученной из космических снимков, проведены расчеты температуры приземного слоя атмосферы. Экспериментальные данные о температуре воздуха были получены в результате экспедиционных метеонаблюдений, а о температуре поверхности — по данным космической гиперспектральной системы MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectrora-diometer), каналы 31 и 32 (10.78—11.28 и 11.77—12.27 мкм соответственно). В результате анализа полей температур выявлен интенсивный (до 3.2°C) остров тепла, рассчитанный через температуру подстилающей поверхности, а его средняя интенсивность за период наблюдения заметно превышает характерные данные для городов Европы в зимний период. Также установлено, что в зимних условиях температура воздуха, рассчитанная по данным MODIS, систематически выше температуры воздуха из данных прямых измерений.

Ключевые слова: городской остров тепла, Апатиты, полевые метеорологические измерения, тепловые космические снимки, микроклиматология, MODIS

Б01: 10.7868/80205961415030069

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия отмечается устойчивый рост научного и общественного интереса к климатическим особенностям мегаполисов — в частности, городскому острову тепла (иН1). Это легко объяснимо, поскольку правильное представление об этом климатическом феномене способно серьезно сэкономить средства городских бюджетов за счет экономии на отоплении в зимний период, В южных регионах экономический эффект проявляется в снижении энергозатрат на кондиционирование жилых помещений в летний период.

Основное внимание специалистов в области городской метеорологии приковано в настоящий момент к мегаполисам зон с теплым климатом — последнее связано с заметным преобладанием крупных городов в этих регионах.

А вот о микроклиматических особенностях городов, расположенных по другую сторону от умеренного пояса, за Полярным кругом, известно гораздо меньше. Имеются лишь единичные исследования, проведенные на Аляске и показавшие

существование в зимнее время островов тепла в относительно небольших городах Барроу и Фэр-банксе. Так, несмотря на относительно небольшую численность населения (35 тыс. чел.) и традиционную для Америки малоэтажную застройку, температура в центре последнего в зимние месяцы в среднем более чем на 1° выше, чем в расположенном за пределами города аэропорту (Ма§ее и др., 1999). Можно ожидать, что в более крупных городах с более плотной застройкой данный эффект будет значительно сильнее. Изучение полярных островов тепла также имеет важный экологический аспект: в условиях полярной ночи при отсутствии солнечной радиации они создаются главным образом за счет антропогенных источников тепла, и их изучение позволит получить данные о тепловом загрязнении окружающей среды.

Однако исследование эффекта иН1 по данным прямых метеорологических измерений в приарктической зоне (где расположены, в основном, отечественные города) практически невозможно — количество метеорологических станций здесь крайне невелико. Поэтому особый интерес

Рис. 1. Автоматическая метеорологическая станция (АМС) Davis Vantage Pro 2 (слева), термодатчики iButton (в центре) и пример их установки в ходе исследования (справа).

представляют спутниковые данные и специализированные экспедиционные кампании.

Цель данной работы — исследование перспектив дистанционного изучения городского острова тепла в полярных широтах на примере российского г. Апатиты (Мурманская обл.). Он заметно превосходит Барроу и Фэрбанкс по площади и населению. В то же время его равнинное положение, которое исключает влияние инверсий на температурный режим городской территории, высокая плотность застройки, а также низкие зимние температуры, определяющие большие энергозатраты на отопление, делают его одним из лучших мест для изучения эффекта острова тепла полярных городов.

В работе проводится сравнение экспериментальных данных о термической структуре города в зимний период с данными о температуре поверхности, полученными по космическим снимкам в тепловом инфракрасном (ИК) диапазоне (тепловым космическим снимкам). Подспутниковый эксперимент проходил на территории г. Апатиты с 26 января по 4 февраля 2014 г.

Снимки многоканального спектрорадиометра MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradi-ometer) являются ценным материалом для изучения островов тепла городов, хотя их применение в этой области и ограничено. Эти приборы установлены на спутниках NASA серии EOS — Terra и Aqua. Оба спутника находятся на круговых субполярных солнечносинхронных орбитах высотой 705 км, и их работа скоординирована таким образом, чтобы они получали сопоставимые данные. Спутник Terra запущен 18 декабря 1998 г., спутник Aqua — немного позже, 4 мая 2002.

Гиперспектральная система MODIS осуществляет съемку в 36 каналах видимого, ближнего, среднего и теплового ИК-диапазонов спектра. Нас интересуют данные каналов 31 и 32 (10.78— 11.28 и 11.77—12.27 мкм соответственно), в которых фиксируется интенсивность теплового излучения земной поверхности, и которые приходятся на диапазон, соответствующий максимуму собственного излучения Земли (10—12 мкм).

Пространственное разрешение снимков, получаемых на этих каналах, — 1000 м.

Система MODIS производит съемку в нескольких каналах теплового ИК-диапазона, что позволяет с высокой точностью производить восстановление температур земной поверхности по алгоритму расщепленного окна прозрачности. По этой причине снимки MODIS используются для оценки точности алгоритмов восстановления температуры земной поверхности из снимков других приборов, например TM и ETM+ (Li et al., 2004). Для нашей задачи важным преимуществом является большой пространственный охват этих снимков, что позволяет оценивать размеры крупных островов тепла, а также сопоставлять острова тепла разных городов друг с другом (Hung et al., 2006; Cheval et al., 2009; Imhoff et al., 2010). Однако, несмотря на преимущества, снимки системы MODIS характеризуются существенным недостатком, который особенно заметен при исследовании островов тепла небольших городов (как, например, Апатиты) — низким пространственным разрешением. В отличие от снимков более высокого пространственного разрешения, например, систем TM, ETM+, ASTER или TIRS, по снимкам системы MODIS сложнее выявить внутреннюю структуру острова тепла. Использование в данной работе именно снимков системы MODIS обосновывается отсутствием снимков более высокого разрешения на исследуемую территорию за период проведения полевых наблюдений. Но в нашем случае использование снимков системы MODIS вполне оправдало себя.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При полевых измерениях для получения прямых данных о термической структуре приземного слоя воздуха на высоте 2 м в пределах г. Апатиты использовались два следующих типа приборов:

1) автоматические метеостанции (АМС) Davis Vantage Pro 2 (рис. 1, слева), измеряющие температуру, влажность, давление, скорость и направление ветра, и хорошо себя зарекомендовавшие в

# Автоматическая метеостанция (АМС) ф Термодатчики iButton и их номера

МАСШТАБ

0 250 500м

1_I_I

Рис. 2. Расположение датчиков и АМС на территории г. Апатиты.

отечественных исследованиях благодаря относительно низкой стоимости, надежности и хорошей точности измерений температуры воздуха (0.5° С);

2) термодатчики iButton американской фирмы Maxim Integrated (http://www.maximintegrat-ed.com/), представляющие собой измеритель и дата-логгер температуры воздуха (с точностью 0.5°C) в металлическом корпусе небольшого размера (рис. 1, по центру и справа).

Термодатчики iButton размещались относительно равномерно по территории города и его окрестностям и устанавливались на стандартной высоте измерений 2 м (рис. 1, справа). Схема расположения средств измерений показана на картах на рис. 2. Фоновая АМС, не отмеченная на карте, была установлена к западу от города на берегу оз. Имандра.

Установленные в ходе экспедиции приборы работали с 28 января по 03 февраля 2014 в г. Апатиты, частота измерений составляла 10 мин.

Информация о температуре земной поверхности получена из тепловых космических снимков системы MODIS. В работе использован продукт, содержащий данные о температуре земной поверхности, рассчитанной по значениям интенсивности теплового излучения и параметрам ат-

мосферы — MOD10A1 (по данным спутника Terra) и MYD10A1 (по данным спутника Aqua), коллекция данных — 5 (самая последняя версия данных на настоящее время). Продукты MOD10A1 и MYD10A1 распространяются в формате *.hdf бесплатно через систему EOSDIS (NASA's Earth Observing System Data and Information System). Продукты MOD10A1 и MYD10A1 включают несколько слоев данных, представленных в синусоидальной проекции. Для получения наглядной картины распределения температур земной поверхности необходимо провести геометрическое трансформирование слоев, преобразовать их в удобный для обработки формат и получить значения температур земной поверхности в градусах Цельсия.

Для изменения проекции данных и преобразования их в другие растровые форматы служит программное обеспечение MRT (MODIS Reprojection Tool), распространяемое бесплатно для зарегистрированных пользователей EOSDIS. Слои были преобразованы в проекцию UTM, зона N36, растровый формат *.tiff.

Данные о температуре земной поверхности содержатся в слоях LST_Day_1km и LST_Night_1km. Чтобы преобразовать их в Кельвины, необходимо пересчитать значения всех пикселов слоев в соответствии с формулой

T, °C 0

р, гПа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком