Принципы определения биоклиматической комфортности (на примере территории Центрального федерального округа РФ)

УДК 614.1

ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОКЛИМАТИЧЕСКОЙ КОМФОРТНОСТИ

© 2013 Е.Ю. Кулагина, А.Н. Краснощёков

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Поступила в редакцию 30.04.2013

В статье рассмотрены принципы определения биоклиматической комфортности с применением современных геоинформационных технологий. Апробация данной методики проводилась на примере территории Центрального федерального округа РФ.

Ключевые слова: биоклимат, комфортность, ГИС-технологии

От уровня комфортности того или иного региона в значительной мере зависит характер его освоения и заселения, сохранение здоровья населения, обеспечение нормальных условий труда, быта и отдыха [1]. В климатологии комфортность территории понимается как один из средообразующих факторов, формирующий эколого-климатический и природно-ресурсный потенциал, обеспечивающий жизнедеятельность населения [2]. Метеорологическим компонентом, обеспечивающим комфортное существование человека и его здоровье, является биоклимат. Именно поэтому в настоящей работе проводится оценка комфортности территории Центрального федерального округа (ЦФО) на основе анализа биоклиматических условий.

Исходными данными для определения биоклиматических параметров послужили данные наблюдений на метеорологических станциях, расположенных как на территории ЦФО, так и в приграничных областях. Расчет биоклиматических индексов проводился с помощью ГИС ArcView и ГИС ArcGIS [3]. Основой для комплексного районирования региона по общей комфортности биоклиматических условий являлись созданные карты, отражающие пространственное распределение биоклиматических параметров, поэтому для определения комфортности условий на основе пространственного распределения биоклиматических показателей нами разработаны методика и алгоритм по определению биоклиматической комфортности территории.

Результаты и их обсуждения. Принципы определения биоклиматической комфортности

Кулагина Екатерина Юрьевна, эколог кафедры экологии. Е-mail: kylaginaek@mail.ru

Краснощёков Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры экологии. Е-mail: kan_alex2000@mail.ru

основаны на реализации алгоритма, представленного на рис. 1. В интегральный показатель биоклиматической комфортности включены такие показатели как: эффективная температура (ЕТ), эквивалентно-эффективная температура (ЕЕТ), количественный критерий климатического комфорта (Н), биологически активная температура (БАТ), индекс патогенности метеорологической ситуации (I).

С целью приведения показателей факторов к безразмерному виду на первом этапе исследования авторами была разработана шкала уровней комфортности биоклиматических показателей с учетом общепринятой градации [4, 5]. Для этого путем шкалирования существующая градация показателей была разбита на 5 классов, каждый из которых соответствует разному уровню комфортности (рис. 2). Для удобства восприятия и наглядности представления данных используется метод столбчатых диаграмм. Принцип построения диаграммы заключался в представлении биоклиматических показателей в виде столбцов, каждый из которых отображает величину отдельного уровня. Все исследуемые биоклиматические параметры расположены на одной оси, несмотря на то, что имеют разные единицы измерения, так как это допускается правилами построения столбиковых диаграмм (Герчук Я.П., 1968). Также соблюдается масштабность по отношению к высоте секторов, выражающих уровень комфортности. Для наглядности и удобства восприятия каждому из секторов уровня комфортности соответствует свой цвет.

Градация всех биоклиматических параметров была приведена к 5-балльной оценке следующим образом:

Индекс патогенности погоды (I): в интервале значений от 10 до 24 баллов, который в общепринятой классификации соответствует

раздражающей погоде, были выделены интерва- более 25 баллов (острая погода по существую-

лы от 10 до 17 баллов как средний уровень ком- щей шкале) в данном исследовании подразделя-

фортности и от 17 до 24 баллов как умеренная ется на низкую комфортность

комфортность. Значения индекса патогенности и более 31 балла - некомфортные условия.

Рис. 1. Алгоритм определения биоклиматической комфортности

Рис. 2. Шкала комфортности биоклиматических условий

Биологически активная температура (БАТ): границами комфортных условий, установленными по шкале биологически активной температуры (Хромов С.П., 1974), являются значения в пределах от 10 до 20°С. В пределах этого интервала были выделены уровень средней (от 10 до 13 и от 18 до 20°С) и высокой комфортности (от 13 до 18°С). Значения выше 20 или ниже

10°С расцениваются как в разной степени дискомфортные. Интервал значений от 0 до 4 и более 26°С оцениваются как некомфортные; от 4 до 7 и от 23 до 26°С низкая комфортность; от 7 до 10 и от 20 до 23°С умеренная комфортность.

Количественный критерий климатического комфорта (Н): принятые границы комфорта по данному биоклиматическому параметру

соответствуют значения от 5 до 8 мкал/(см2с). В данной работе эти значения определяются как высокий уровень комфортности. Остальная шкала была разбита в соответствии с существующей градацией следующим образом: значения от 0 до 2 и от 19 и более определяют некомфортные условия, от 2 до 3 и от 15 до 19 мкал/(см2с) -низкий уровень комфортности; от 3 до 4 и от 11 до 15 - умеренная комфортность; от 4 до 5 и от 8 до 11 - средний уровень комфорта.

Эквивалентно-эффективная температура (ЕЕТ): в отечественных исследованиях (Б.А. Ай-зенштат) степень комфортности принята равной от 17,3°С до 21,7°С. В предлагаемой методике выделяется по два интервала значений для каждого из уровней комфортности: при значениях ЕЕТ менее 1°С и более 33°С условия характеризуются как некомфортные; низкая комфортность характеризуется значениями от 1 до 8°С и от 30 до 33°С. При значениях ЕЕТ от 8 до 16 и от 27 до 30°С условия могут быть охарактеризованы как комфортные, среднему уровню комфортности соответствуют значения показателя в пределах от 16 до 20 и от 22 до 27°С. Наиболее комфортные условия (высокий уровень комфортности) характеризуются значениями ЕЕТ от 20 до 22°С.

Эффективная температура (ЕТ): границы комфорта по данному биоклиматическому параметру изменяются от 17,2 до 21,7°С. В этом интервале комфортности предлагается выделить два уровня комфортности: средний уровень (от 17,2 до 18,1°С и от 18,9 до 21,7°С) и высокий уровень комфортности (от 18,1 до 18,9°С). При значениях эффективной температуры менее 6 и более 30 условия оцениваются как некомфортные.

На втором этапе исследования проводилась оценка биоклиматической комфортности с помощью дополнительного модуля Spatial Analyst в геоинформационной системе ArcGIS 9.3. С использованием данного модуля создавались GRID-слои по каждому из биоклиматических показателей, представляющих собой растровую поверхность, и производилась их переклассификация. Значения из переклассифицированных GRID-слоев извлекались в точечный сеточный слой, содержащий пространственные элементы в виде точек, расположенных в центре каждой элементарной ячейки GRID-слоя. В соответствии с предложенной шкалой, созданные GRID-слои по биоклиматическим параметрам были переклассифицированы, а затем сложены с помощью ArcGIS 9.3. В результате переклассификации в атрибутивной таблице каждого биоклиматического слоя были получены баллы биоклиматического комфорта (от 1 до 5). Сложение карт начиналось с создания пустого точечного

слоя в виде сетки. Затем из растровых слоев по каждому из биоклиматических параметров извлекались значения (баллы) в созданный точечный слой. Таким образом, создан слой, в атрибутивной таблице которого содержались баллы биоклиматической комфортности по каждому из показателей. С помощью приложения ArcScene произведена интерполяция по очереди все биоклиматических показателей, в результате чего смоделирована трехмерная карта исследуемой территории. Для определения общей биоклиматической комфортности в атрибутивную таблицу было добавлено новое поле «Komfort». Общая биоклиматическая комфортность вычислялась путем определения среднего значения из всех балльных значений слоя. Путем интерполяции слоя в растр методом «Сплайн» (тип сплайна «регуляризованный», вес 0,1°, размер выходной ячейки составлял 0,01°), была получена интегральная карта биоклиматической комфортности.

Согласно полученным результатам, биоклиматическая комфортность на территории ЦФО варьирует в пределах от 1,5 до 2,5 баллов, что соответствует изменению от некомфортных условий до условий, оценивающихся как «низкая» комфортность. Наиболее комфортные условия характерны для северных районов Тверской области, южных районов Ярославской, севера Московской и северо-запада Владимирской областей, а также южной части ЦФО. В этих регионах уровень биоклиматической комфортности изменяется от 2,0 до 2,5 баллов, что свидетельствует об умеренной комфортности условий. Дискомфортные условия складываются на севере региона, а именно в Ярославской, Костромской и Владимирской областях. Здесь величина комфортности изменяется от 1,5 до 2,0 баллов, что по предложенной шкале соответствует некомфортным условиям.

Выводы: в работе были предложены принципы определения биоклиматической комфортности и проведена апробация предлагаемой методики на примере ЦФО, которая основана на применении современных ГИС-технологий. Полученные результаты определения биоклиматической комфортности для территории ЦФО свидетельствуют о низкой комфортности условий.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (Грант №12-05-31398-мол_а от 05.07.2012).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Прохоров, Б.Б. Экология человека. Понятийно-терминологический словарь. - Ростов-на-Дону, 2005. 439 с.

2. Андреев, С.С. Биоклиматическая характеристика Ростовской области // Эколого-географический вестник юга России №1. - Ростов-на-Дону: ООО «Диапазон», 2001. С. 19-26.

3. Кулагина, ЕЮ. Оценка комфортности биоклиматических условий региона с применение ГИС-технологий // Е.Ю. Кулагина, А.Н. Краснощёков, Т.А. Трифонова / ИнтерКарто-ИнтерГИС-18: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Материалы межд. конф. -Смоленск: Принт АП, 2012. С. 490-492.

4. Бокша, В.Г. Медицинская климатология и климатотерапия / В.Г. Бокша, Б.В. Богуцкий. - Киев: Здоров я, 1980. 264 с.

5. Коробов, В.Б. О методологии построения шкал для классификации природных объектов на основе балльных оценок // Проблемы региональной экологии. 2002. № 4. С. 99-108.

PRINCIPLES OF DETERMINATION THE BIOCLIMATIC COMFORT

© 2013 E.Yu. Kulagina, A.N. Krasnoshchyokov

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov

In article the principles of determination the bioclimatic comfort with application of modern geoinforma-tional technologies are considered. Approbation of this technique was carried out on the example of the territory of Central federal district of Russian Federation.

Key words: bioclimate, comfort, GIS-technologies

Ekaterina Kulagina, Ecologist at the Ecology Department. Е-mail: kylaginaek@mail.ru

Aleksey Kracnoshchekov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Ecology Department. Е-mail: kan_alex2000@mail.ru