Температура разных типов городской поверхности Москвы по данным спутников Landsat8, Terra и Aqua

Для исследований термической неоднородности городской поверхности Москвы были использованы многолетние данные радиометрических измерений с борта спутников Landsat8 за период 2015-2020 гг., а также Terra и Aqua, оснащённых радиометрами MODIS, за период 2009-2012 годов. Предварительные результаты анализа были приведены в [2]. В настоящей работе выборка обработанных снимков спутника Landsat8 значительно расширена и получены качественно новые данные, дополняющие выводы [2]. Пространственное разрешение данных о температуре поверхности составляет 100 м для снимков Landsat8 и 1000 м для снимков радиометров MODIS. Очевидно, что разрешение данных MODIS не позволяет использовать очень подробные классификации типов городской поверхности, подобные локальным климатическим зонам (Local Climate Zones) Стюарта и Ока [1], включающим 17 типов. Кроме того, мы имеем дело с многолетними архивами снимков, и это также ограничивает количество выделяемых типов с их надёжным распознаванием. Так, общая площадь городской застройки в традиционных границах Москвы меняется медленно и в целом остаётся стабильной, тогда как изменения её плотности и этажности в разных районах города более быстрые. Ясно, что применение схемы [1] с подробным разделением застройки на 10 разных типов, включая высокую, среднюю, малоэтажную, плотную, среднюю, разреженную застройку и т.п., приведёт к существенной неоднородности в многолетних рядах данных. Поэтому авторами разработана собственная классификация городской поверхности, включающая лишь шесть основных её типов:
1.Плотная городская застройка с абсолютным преобладанием искусственных покрытий – 183 км2;
2.Природный лес (Лосиный остров) и 28 городских парков и кладбищ площадью не менее 0,5 км2, всего – 124 км2;
3.Водная поверхность (русло реки Москвы и отдельные пруды) – 29 км2;
4.Луговые поверхности (пойма р. Москвы, опытные поля ТСХА, конноспортивный комплекс в Битце, аэродром на Ходынском поле, ипподром и т.п.) – 8 км2;
5.Песчаные поверхности (пляжи в долине р. Москвы, песчаный карьер в Люблино, мотодром в Крылатском и открытый грунт на строительных площадках) – 0,8 км2;
6.Остальная часть города – смешанные типы: озеленённая или разреженная застройка, пустырные территории и пр.
Сравнительно малое число используемых типов сводит к минимуму элемент неопределённости при определении их границ и, таким образом, повышает надёжность результатов анализа. Авторами созданы векторные слои первых пяти типов и проведён анализ температуры их поверхности; шестой тип представляет собой остаточный член в площади города. Отбор пригодных для анализа снимков проведён согласно пороговому значению наибольшего допустимого балла покрытия снимка облаками, экспериментально полученному в [2]. Однако анализ многолетних данных спутников системы MODIS показал надёжные результаты лишь для первых трёх больших по площади типов. Для исследования температуры луговых и песчаных поверхностей, оконтуренные участки которых имеют крайне малые площади, требуются снимки с более высоким разрешением. Поэтому к анализу были дополнительно привлечены 32 снимка спутника Landsat8 в разные сезоны года.
В результате расчётов получено, что в среднем за 4 года по данным спутников MODIS температура поверхности всей Москвы в её традиционных границах до 2012 г. составила 9,4 ºС, в том числе лесопарков – 8,2 ºС; водных объектов – 9,4 ºС; городской застройки – 10,1 ºС. По данным 32 снимков спутника Landsat8 средняя температура всех типов городской поверхности была нормирована на годовой ход, т.е. с одинаковыми весами средних значений для каждого месяца при осреднении за год. Оказалось, что средняя за 6 лет температура поверхности всего города составила 7,3 ºС, в том числе лесопарков – 5,5 ºС; открытой воды – 5,8 ºС; городской застройки – 8,6 ºС; песчаных поверхностей – 7,4 ºС; лугов – 7,0 ºС. Примечательно, что средняя температура поверхности города в целом составила 7,26 ºС, а средняя температура воздуха на высоте 2 м по данным Метеорологической обсерватории МГУ на западной периферии столицы за тот же период 2015-2020 гг. показала очень близкое значение: 7,24 ºС.
Как видим, по данным Landsat8 лишь плотная городская застройка значительно теплее всей площади города, причем во все сезоны. Луговые и песчаные поверхности близки по своей температуре к среднему значению для всего города, но при этом пляжи и песчаный карьер в среднем на 0,7 ºС теплее лугов – видимо, вследствие отсутствия здесь дополнительных затрат тепла на транспирацию травяным покровом в тёплый период года. Значительно холоднее остальной части города оказались лесопарки и открытая вода. Хотя изменения температуры водной поверхности в годовом ходе носят маятниковый характер (по данным Landsat8 вода летом на 3,4 °С холоднее, а зимой на 0,5 °С теплее городской суши), в среднем за год она на полтора градуса холоднее всего города. Самым холодным типом городской поверхности ожидаемо оказались городские леса и парки. Наименьшая разность температуры их поверхности (т.е. крон деревьев и травяного покрова между ними) и поверхности города в целом отмечена летом и составляет, как и для воды, -3.4 °С. Зимой при наличии снежного покрова температурные различия между лесопарками и всем городом сходят на нет. Разность средней температуры песчаных поверхностей и всего города наибольшая летом (1,1 °С), поскольку песок в это время прогревается сильнее. Луговые поверхности незначительно теплее всей Москвы в осенние и весенние месяцы (на 0,5 °С и 0,4°С соответственно), а летом и зимой холоднее на 0,2°С и 1,1°С.
Работа выполнена при поддержке РНФ, проект № 26-27-20046.