Subsurface urban heat island in the city of Ekaterinburg

封面

如何引用文章

全文:

详细

Research subject. The subsurface thermal field in the city of Ekaterinburg (subsurface urban heat island). Aim. To determine criteria for the anomaly of mean annual subsurface temperatures in Ekaterinburg; to identify patterns of spatial distribution of underground temperatures; to quantify the main factors forming an urban heat island and changes in the heat content of rocks using mathematical modeling. Materials and methods. The main experimental data were obtained during the annual cycle of geothermal studies in observational boreholes of Ekaterinburg (22 boreholes) and surrounding areas (10 boreholes in Degtyarskiy, Verkh-Sysertskiy, Gagarskiy districts). Statistical analysis and mathematical modeling describing the impact of climate, local temperature anomalies of ground surface, and groundwater filtration to the underground thermal field were used when interpreting the obtained data. Results. At a depth of 20 m, the mean annual temperatures being less than 5°C and more than 6°C should be considered as anomalous. The maximum intensity of the urban heat island in Ekaterinburg is confined to densely built-up central areas of the city. The highest temperatures (>10°C) at a depth of 20 m are observed in boreholes located near buildings or directly therein. Here, a rapid decrease in temperature with depth is typical. Moderate anomalies from 6°C to 10°C are observed far from buildings. Remoteness from the central regions apparently plays a more important role in the formation of temperature anomalies than the type of urban surfaces (asphalt, concrete, lawns). Background temperatures (less than 6°C) were recorded in boreholes located outside the Ring Road.  An analysis of patterns in the attenuation of annual temperature variations with depth allowed an area with intense vertical filtration (up to 24 m/year) to be identified near the City Pond. The most significant changes in heat content in the range of 10–50 m are associated with heat leakage from the basements of buildings, equaling to (23–46) × 107 J/m2. However, this heat is only hundredths of a percent of the total energy consumption spent on heating. Conclusions. The subsurface urban heat island of a large Russian city has been characterized for the first time. The results obtained can be used when developing a strategy for megacities in changing climate conditions.

作者简介

D. Demezhko

Yu.P. Bulashevich Institute of Geophysics, UB RAS

Email: ddem54@inbox.ru

A. Gornostaeva

Yu.P. Bulashevich Institute of Geophysics, UB RAS

B. Khatskevich

Yu.P. Bulashevich Institute of Geophysics, UB RAS

A. Vdovin

Yu.P. Bulashevich Institute of Geophysics, UB RAS

N. Fakaeva

Yu.P. Bulashevich Institute of Geophysics, UB RAS

参考

  1. Белан Б.Д. (1996) К вопросу о формировании “шапки” загрязнений над промышленными центрами. Оптика атмосферы и океана, 9(4), 460-463.
  2. Голованова И.В. (2005) Тепловое поле Южного Урала. М.: Наука, 189 с.
  3. Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Хацкевич Б.Д. (2023) Временная изменчивость городского острова тепла Екатеринбурга. Изв. Иркутского гос. ун-та. Сер.: Науки о Земле, 43, 3-18. https://doi.org/10.26516/2073-3402.2023.43.3
  4. Демежко Д.Ю. (2001) Геотермический метод реконструкции палеоклимата (на примере Урала). Екатеринбург: УрО РАН, 144 с.
  5. Демежко Д.Ю., Рывкин Д.Г., Голованова И.В. (2006) О совместном влиянии фильтрации подземных вод и палеоклимата на тепловое поле верхней части земной коры. Урал. геофиз. вестн., (1), 16-26.
  6. Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Хацкевич Б.Д., Вдовин А.Г., Факаева Н.Р. (2022) Новая модель формирования суточного цикла интенсивности городского острова тепла. Мониторинг, наука и технологии, 4(54), 26-31. https://doi.org/10.25714/MNT.2022.54.004
  7. Карслоу Г., Егер Д. (1964) Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 488 c.
  8. Половников В.Ю. (2018) Тепловые режимы и тепловые потери подземных трубопроводов с учетом реальных условий теплообмена на внешнем контуре взаимодействия. Изв. Томского политехн. ун-та. Инжиниринг георесурсов, 329(1), 124-131.
  9. Bayer P., Rivera J.A., Schweizer D., Schärli U., Blum P., Rybach L. (2016) Extracting past atmospheric warming and urban heating effects from borehole temperature profiles. Geothermics, 64, 289-299. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2016.06.011
  10. Bayer P., Attard G., Blum P., Menberg K. (2019) The geothermal potential of cities Renew. Sustain. Energy Rev., 106, 17-30. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.02.019
  11. Beck A., Garven G., Stegena L. (1990) Hydrogeological Regimes and Their Subsurface Thermal Effects. Eos, Trans. Am. Geophys. Union, 71(36), 1070-1071.
  12. Benz S.A., Bayer P., Menberg K., Jung S., Blum P. (2015) Spatial resolution of anthropogenic heat fluxes into urban aquifers. Sci. Total Environment, 524, 427-439. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.04.003
  13. Chandler T.J. (1970) Selected bibliography on urban climate. Tech. Note no. 155, WMO no. 276, World Met. Organiz. Geneva, 383 p.
  14. Cuesta-Valero F.J., García-García A., Beltrami H., González-Rouco J.F., García-Bustamante E. (2021) Long-term global ground heat flux and continental heat storage from geothermal data. Clim. Past, 17, 451-468. https://doi.org/10.5194/cp-17-451-2021
  15. Dědeček P., Šafanda J., Rajver D. (2012) Detection and quantification of local anthropogenic and regional climatic transient signals in temperature logs from Czechia and Slovenia. Clim. Change, 113, 787-801. https://doi.org/10.1007/s10584-011-0373-5
  16. Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A. (2015) Late Pleistocene–Holocene ground surface heat flux changes reconstructed from borehole temperature data (the Urals, Russia). Clim. Past, 11, 647-652. https://doi.org/10.5194/cp11-647-2015
  17. Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Khatskevich B.D. (2022) The Evaluation of the Thermal Field under Urban Heat Island Based on Borehole Temperature Measurements (Evidence from Yekaterinburg, Russia). Int. J. Terrestrial Heat Flow and Appl. Geotherm., 5(1), 45-50. https://doi.org/10.31214/ijthfa.v5i1.84
  18. Ferguson G., Woodbury A.D. (2004) Subsurface heat flow in an urban environment. J. Geophys. Res., 109, B02402. https://doi.org/10.1029/2003JB002715
  19. Hemmerle H., Ferguson G., Blum P., Bayer P. (2022) The evolution of the geothermal potential of a subsurface urban heat island. Environmental Res. Lett., 17(8), 084018. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac7e60
  20. Huang S. (2006) 1851–2004 annual heat budget of the continental landmasses. Geophys. Res. Lett., 33(4), L04707. https://doi.org/10.1029/2005GL025300
  21. Kim S.W., Brown R.D. (2021) Urban heat island (UHI) intensity and magnitude estimations: A systematic literature review. Sci. Total Environment, 779, 146389. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146389
  22. Kukkonen I.T., Golovanova I.V., Khachay Y.V., Druzhinin V.S., Kosarev A.M., Schapov V.A. (1997) Low geothermal heat flow of the Urals fold belt–implication of low heat production, fluid circulation or palaeoclimate? Tectonophysics, 276(1-4), 63-85. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(97)00048-6
  23. Lapham W.W. (1989) Use of temperature profiles beneath streams to determine rates of vertical ground-water flow and vertical hydraulic conductivity. US Geol. Survey Water-Supply Paper 2337, 35 p. Lokoshchenko M.A. (2014) Urban ‘heat island’ in Moscow. Urban Climate, 10, 550-562. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2014.01.008
  24. Luo Z., Asproudi C. (2015) Subsurface urban heat island and its effects on horizontal ground-source heat pump potential under climate change. App. Therm. Eng., 90, 530-537. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.07.025
  25. Majumder R.K., Shimada J., Taniguchi M. (2013) Groundwater flow systems in the Bengal Delta, Bangladesh, inferred from subsurface temperature readings. Songklanakarin J. Sci. Technol., 35(1), 99-106.
  26. Mohajerani A., Bakaric J., Jeffrey-Bailey T. (2017) The urban heat island effect, its causes, and mitigation, with reference to the thermal properties of asphalt concrete. J. Environ. Manage, 197, 522-538. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.03.095
  27. Oke T.R. (1967) City size and the urban heat island. Atm. Environ., 7(8), 769-779.
  28. Oke T.R. (1979) Review of urban climatology, 1973-1976. Tech. Note no. 169, WMO no. 539, World Met. Organiz., Geneva, 100 p.
  29. Schuckmann K. von, Minière A., Gues F., Cuesta-Valero F.J., Kirchengast G., Adusumilli S., Straneo F., Ablain M., Allan R.P., Barker P.M., Beltrami H. (2023) Heat stored in the Earth system 1960–2020: Where does the energy go? Earth System Sci. Data, 15(4), 1675- 1709. https://doi.org/10.5194/essd-15-1675-2023
  30. Schweighofer J.A., Wehrl M., Baumgärtel S., Rohn J. (2021) Detecting groundwater temperature shifts of a subsurface urban heat island in SE Germany. Water, 13(10), 1417. https://doi.org/10.3390/w13101417
  31. Stewart I.D., Krayenhoff E.S., Voogt J.A., Lachapelle J.A., Allen M.A., Broadbent A.M. (2021) Time evolution of the surface urban heat island. Earth’s Future, 9(10), https://doi.org/10.1029/2021EF002178
  32. Stonestrom D.A., Constantz J. (2003) Heat as a tool for studying the movement of ground water near streams. USGS Circular, 1260. https://doi.org/10.3133/cir1260
  33. Takebayashi H., Moriyama M. (2009) Study on the urban heat island mitigation effect achieved by converting to grass-covered parking. Solar Energy, 83(8), 1211-1223. https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.01.019
  34. Taniguchi M. (1993) Evaluation of vertical groundwater fluxes and thermal properties of aquifers based on transient temperature‐depth profiles. Water Res. Res., 29(7), 2021-2026.
  35. Tzavali A., Paravantis J.P., Mihalakakou G., Fotiadi A., Stigka E. (2015) Urban heat island intensity: A literature review. Fresenius Envir. Bull., 24(12b), 4537-4554.
  36. Varentsov M., Fenner D., Meier F., Samsonov T., Demuzere M. (2021) Quantifying local and mesoscale drivers of the urban heat island of Moscow with reference and crowdsourced observations. Front. Environ. Sci., 9, 716968. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.716968
  37. Wang C., Wang Z.H., Kaloush K.E., Shacat J. (2021) Cool pavements for urban heat island mitigation: A synthetic review. Renewable Sustainable Energy Rev., 146, 111171. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111171
  38. Westaway R., Scotney P.M., Younger P.L., Boyce A.J. (2015) Subsurface absorption of anthropogenic warming of the land surface: The case of the world’s largest brickworks (Stewartby, Bedfordshire, UK). Sci. Total Envir., 508, 585-603. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.09.109
  39. Yoshino M.M. (1975) Climate in a small area: an introduction to local meteorology. Tokyo: University of Tokyo Press, 549 p.
  40. Zhu K., Blum P., Ferguson G., Balke K.-D., Bayer P. (2010) The geothermal potential of urban heat islands. Environ. Res. Lett., 5, 044002. https://doi.org/10.1088/1748-9326/5/4/044002

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © Demezhko D.Y., Gornostaeva A.A., Khatskevich B.D., Vdovin A.G., Fakaeva N.R., 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».