Городские ландшафты и антропогенные аэрозоли - взвешенные в атмосфере частицы - могут не только усилить порывы ветра и увеличить размер града; они также могут вызывать бури раньше и даже притягивать их к городам, согласно новому исследованию, изучающему влияние городской застройки на неблагоприятную погоду, проведенному учеными из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.
Путем моделирования двух гроз - одной недалеко от Хьюстона, штат Техас, и другой в Канзас-Сити, штат Миссури. - ученый-атмосферник Дзивен Фан (Jiwen Fan) рассказала об отдельных и синергетических эффектах, которые городские ландшафты и антропогенные аэрозоли могут оказывать на бури, дожди и град.
В случае урагана в Канзас-Сити городская земля и аэрозоли работали вместе, чтобы увеличить частоту крупных градов примерно на 20 процентов. В Хьюстоне гроза, которая в остальном была мягче, привела к усиленным и более продолжительным дождям, которые, помимо прочих изменений, выпали раньше.
Фан поделилась своими выводами на осеннем собрании Американского геофизического союза 2020 года во вторник, 1 декабря, и виртуально ответила на вопросы во вторник, 15 декабря.
«Новинка нашего исследования заключается в том, что мы рассматриваем и городскую землю, и аэрозоли вместе, - сказал Фан, - а не их воздействие по отдельности».
В предыдущей работе исследователи показали, что городская земля формирует погоду как за счет своего топографического характера, так и за счет выделяемого тепла. Города часто теплее, чем их окрестности, потому что здания не только поглощают и сохраняют солнечное тепло иначе, чем деревья и сельскохозяйственные угодья, но и блокируют поток ветра.
Тем не менее, многие исследования сосредоточены в первую очередь на том, как города и аэрозоли изменяют осадки и температуру, или только исследуют влияние этих факторов по отдельности, а не их совместное действие.
Смоделированные штормы показывают изменения в опасной погоде
Fan смоделировал два очень разных типа штормов: сильный, вращающийся, наполненный градом гроза в Канзас-Сити и более мягкий шторм в Хьюстоне, вызванный морским бризом. Она смоделировала несколько версий одних и тех же штормов, с городами и аэрозолями и без них, чтобы изолировать влияние этих двух разных факторов.
В Хьюстоне послеобеденные ливни усилились, поскольку городская земля и аэрозоли работали синергетически, усиливая количество осадков. По сравнению с симуляцией без городов, дождь залил Хьюстон примерно на полчаса раньше, увеличив его общее количество на дополнительные 1,5 миллиметра. Сильнее подул и морской бриз, подстегиваемый влиянием городской земли.
Когда более прохладный и плотный воздух от морского бриза дул в сторону Хьюстона, он приносил с собой влагу и вступал в конфликт с более теплым и легким городским воздухом. Эти двое смешались при встрече, создав более сильную конвекцию по сравнению с симуляциями без городской земли.
Грозовые облака Хьюстона начинались как теплые облака, состоящие только из жидких капель, но усиление морского бриза вызвало ускоренный переход к облакам смешанной фазы, названным в честь их одновременной смеси водяного пара, частиц льда и капель переохлажденной воды. По словам Фэна, даже после того, как морской бриз утих, остаточное тепло от города продолжало питать штормовую конвекцию всю ночь, вызывая более продолжительный дождь. Сравните это с симуляцией Фана, где город был удален, показывая более слабый морской бриз и шторм, который рассеялся раньше.
Аэрозоли сыграли большую роль в увеличении количества осадков, чем городская земля в Хьюстоне. По мере образования смешанных облаков и усиления конвекции многочисленные сверхмелкие частицы превращались в облачные капли. Это преобразование усилило превращение водяного пара в облачный конденсат, тем самым увеличив скрытое нагревание и еще больше усилив шторм.
В случае урагана в Канзас-Сити тепло от города переносилось по ветру, где встречалось с уже сформировавшимся ураганом на северной границе между городом и деревней. Когда более теплый и сухой воздух встречался с более прохладным и влажным сельским воздухом, это усиливало конвергенцию, вызывая турбулентное перемешивание и более сильный шторм, который двигался к городским землям.
В отличие от грозы в Хьюстоне, аэрозоли в Канзас-Сити не повлияли на возникновение или распространение грозы, а сами по себе они не оказали значительного влияния на град. Но при симуляции рядом с городской землей град усиливался, синергетически создавая более опасный град. По словам Фэна, из-за этой взаимосвязи важно учитывать как городскую землю, так и аэрозоли при изучении влияния городов на погоду и связанные с ними опасности.
Один только град наносит ущерб в США на миллиарды долларов, и, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, особенно крупные градины могут падать со скоростью более 100 миль в час.
Учет аэрозолей
Городская земля и аэрозоли формируют погоду по-разному, по словам Фана, в зависимости от других условий окружающей среды, например, от того, загрязнен ли уже воздух.
«Эффект аэрозоля действительно зависит от фоновой концентрации», - сказал Фан. «Если окружающая среда уже загрязнена, добавление большего количества аэрозолей, похоже, не сильно повлияет. Но если вы уже находитесь в чистом состоянии и добавляете аэрозоли, это может оказать большое влияние».
Оживленный судоходный канал Хьюстона и близлежащие нефтеперерабатывающие заводы, три из которых находятся в районе его метро, регулярно выбрасывают аэрозоли в атмосферу, сказал Фан. Она также добавила, что влажность может усилить аэрозольный эффект.
Фан надеется, что ее работа может привести к более точным прогнозам опасной погоды, уменьшая количество смертей и ущерб, причиняемый штормами. Она планирует более глубоко изучить, как разросшаяся урбанизация будет формировать сильные штормы в будущих климатических сценариях.