Климатические факторы

Солнечная радиация. Характеризуется количеством тепла, J, Вт/м², поступающем на горизонтальную либо вертикальную поверхности. Это количество зависит от географической широты местности, состояния атмосферы (облачности) и подстилающего слоя расположения поверхности и ее ориентации по сторонам света.

Из космоса на Землю в среднем поступает 1382 Вт/м² в течении часа. Эта радиация трансформируется затем в прямую, рассеянную и отраженную. Оптический спектр солнечной радиации характеризуется длиной волны (1 нанометр = 1/10000 мм) в пределах 300-5000 нм. Спектр подразделяется на средневолновое ультрафиолетовое (280-320 нм), длинноволновое ультрафиолетовое (320-400 нм), световое (400-760 нм) и инфракрасное (760-5000 нм) излучения. Особое значение имеет ультрафиолетовое излучение (эритемное), несущее оздоровительное и антибактерицидное действие.

В строительной науке учитываются следующие характеристики солнечной радиации:

- интермия – повышенная тепловая облученность пространства около дома. Особенно этому подвержены внутренние углы зданий, обращенные на юг;

- инсоляция – облучение прямыми солнечными лучами (продолжительность инсоляции нормируется).

Температура воздуха.Представляет собой меру кинетической энергии движения молекул (атомов). Измеряется в ^о С – Цельсия, ^о К – Кельвина, ^о F – Фаренгейта и т .п. Температура воздуха, t_н, ^о С, зависит от взаимодействия лучистого тепла Солнца и теплового противоизлучения Земли. Из поступающего тепла около 14 % расходуется на нагрев воздуха и 86 % - на нагрев поверхности Земли и уходит в космос. Температура воздуха является основной климатической характеристикой.

Наблюдения за температурой позволяют фиксировать;

- устойчивое снижение по высоте (1 ^о С на каждые 100м);

- колебания в горизонтальных слоях атмосферы (циклоны и антициклоны);

- снижение среднегодовой температуры с юго-запада на северо-восток;

- колебания температуры в течение суток, недели, месяца и года.

Вся необходимая информация для инженерных расчетов содержится в ДСТУ-Н Б В.1.1–27:2011 и включает среднюю наиболее холодной пятидневки и суток (обеспеченностью 0,92), среднюю температуру за отопительный период (когда t_н < 8 ^о С) и т. д. В связи с назначением отопительного периода указывается продолжительность отопительного периода, сут.

Разность температур между самым холодным и теплым месяцами определяет степень континентальности климата. По значениям среднемесячной температуры ( ) и амплитуде колебаний температуры наружного воздуха рассчитывается среднесуточная температура t_н по формуле

. (1.1)

Формула 1.1 отражает суточную цикличность изменения температуры, представляющую собой (см. рис. 1.1) косинусоиду с максимумом, приходящимся на 15 часов дня и минимумом – на 3 часа ночи.

А_tн

t_н^ср

9 15 21 3 9 часов

Рис. 1.1. Суточное изменение температуры наружного воздуха

Помимо температуры воздуха строителями используется климатологическая информация по промерзанию почв. Для суглинистых и глинистых грунтов глубина промерзания находится по специальной карте (можно воспользоваться СНиП2.01.01-82). Так, например, для Донецка она составляет 90 см. Эта информация необходима для определения глубины заложения фундаментов и организации инженерной подготовки территории застройки.

Температура воздуха измеряется с помощью термометров в фиксированные сроки наблюдений либо ведутся непрерывные наблюдения с использованием термографов.

Заморозки.Происходят на почве в утренние часы после выхолаживания поверхности земли за счет отдачи в космос лучистого тепла. Температура воздуха при этом остается положительной. Заморозки помимо вреда сельскохозяйственным угодьям могут влиять на эксплуатационные качества и долговечность строительных конструкций. Замечено, что близость водоемов, туманы и дым уменьшают вероятность заморозков на почве.

Влажность воздуха. Различают абсолютную и относительную влажности. Абсолютная влажность, f, г, характеризует количество влаги в 1 м³ воздуха. Относительная влажность, φ, % представляет собой отношение действительной и максимальной упругостей водяного давлений или так называемых парциальных давлений.

При постоянной температуре и барометрическом давлении действительная упругость водяного пара (е) может иметь граничное значение, выше которого оно не увеличивается. Это граничное значение называется максимальной упругостью водяного пара - Е, Па. Степень насыщения воздуха влагою может оцениваться относительной влажностью воздуха φ, которая вычисляется по формуле:

%. (1.2)

Если температура воздуха повышается, то его относительная влажность j снижается. Это происходит потому, что значение действительной упругости (е) остается неизменным, а значение максимальной упругости (Е) с повышением температуры увеличивается. Напротив, при снижении температуры воздуха будет увеличиваться ее относительная влажность, вследствие уменьшения величины Е.

При некоторой температуре, когда Е приближается к значению е, относительная влажность воздуха доходит до j = 100%. Таким образом воздух достигает полного насыщения водяным паром. Эта температура (t_р) носит название "точка росы".

Разность Е – е = d, называемая дефицитом влажности, характеризует степень влажности воздуха.

Абсолютная влажность и упругость связаны зависимостью

, (1.3)

где α – температурный коэффициент объемного расширения воздуха (0,00366).

Относительная влажность характеризует условия самочувствия человека. Воздух с относительной влажностью в пределах 30 – 60 % воспринимается нормально, менее 30 % за счет повышенного испарения сухим, более 60 % из-за затруднений при испарении как влажный.

Замеры влажности производятся в 7 часов (характеризует ночь) и в 13 часов (характеризует день). Используются методы измерений: весовой (абсолютный), психрометрический или гигрометрический – по температуре точки росы.

Осадки. Характеризуются суммой осадков, мм, за год и максимальных в месяц. Осадки подразделяются на жидкие и сухие. Данные об осадках используются при расчетах:

- ливневой канализации;

- водоотвода с кровли;

- снеговая нагрузка на здания и сооружения;

- снегопереносов на территории застройки.

Ветер.Ветер (движение воздуха относительно земной поверхности, вызванное перепадом давлений) является одним из основных климатических факторов. Он определяет микроклиматическое состояние в городской среде (распределение температуры, влажности воздуха и т.п.), влияет на тепловые ощущения человека и экологическую ситуацию, связанную с распространением вредных веществ в атмосфере.

Ветер характеризуется двумя основными показателями: направлением движения воздуха и его скоростью. Направление (вектор) указывает ту сторону горизонта (румб), откуда дует ветер. В метеорологии принято 16 румбов, названия которых сокращенно обозначаются буквами русского или латинского алфавитов. Четыре основных румба обозначаются следующими буквами: С – север; В – восток; Ю – юг; З – запад или N – норд (север), E – ост (восток), S – зюйд (юг), W – вест (запад). Иногда направление обозначается в градусах горизонта, отсчитывая их от севера, тогда С – 0^о (или 360^о), В – 90^о, Ю – 180^о и З – 270^о.

Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с) или километрах в час (км/ч). В европейских стандартах содержится также информация в милях в секунду. Для градостроительной аэродинамики при предварительной оценке условий аэрации достаточно информации по 8 румбам.

В метеоданных отдельно отмечаются периоды отсутствия ветра (0 – 1 м/с), называемыми штилем, который отмечают в % к рассматриваемому сроку наблюдения.

Направление ветра и его скорость есть величины непостоянные. Ветер почти всегда дует порывами. Порывы связаны с наличием множества небольших вихрей, возникающих в воздушном потоке и пересекающих его в различных направлениях. Двигаясь поперек потока, вихрь создает с наветренной стороны подпор воздушных масс, а с заветренной – разряжение. Передвигаясь дальше вихрь освобождает место для скопившихся масс воздуха и те с силой врываются в освободившееся пространство. Так человек ощущает порыв ветра после некоторого времени затишья. Поскольку таких вихрей образуется большое количество, то в итоге ветер воспринимается как непрерывное пульсирующее движение воздуха.

Стандартная высота флюгера составляет 10 м от поверхности земли. В любом случае указывается высота флюгера. В системе национальной гидрометеослужбы для измерения ветра используются на опорных сетях приборы М–63М-1 (интервал измерения мгновенной скорости – 3 сек) как основные и флюгера Вильда с легкой или тяжелой доской как резервные.

В сети авиационных метеослужб (АМСГ) используются кроме М-63М-1 еще и автоматические станции фирмы VAISALA “MILOS - 500” с датчиками WAV-15A или WAA-15A (они наиболее точные и интервал измерения мгновенной скорости составляет 2 сек) и другие.

Измеряются следующие параметры:

- скорость ветра (м/с) максимальная между сроками измерений (т.е. в последние 3 часа)

- средняя скорость ветра за 10 мин (как правило 45 – 55 мин или 40 – 50 мин последнего часа перед сроком;

- максимальная скорость ветра в срок (т.е. те 10 мин, когда измеряется средняя скорость);

- среднее направление ветра за 2 мин (градус, румб).

При использовании флюгера измеряется среднее направление ветра за 2 мин (48 –50 мин последнего часа перед сроком) по 16 румбам, средняя скорость ветра за 2 мин и максимальная скорость за 2 мин.

Данные обрабатываются и выпускаются во всеукраинских изданиях “Метеорологічний щомісячник” и “Метеорологічний щорічник”. Обобщенная информация по всем станциям Украины помещается в таблицах:

Таблица 1. Данные о температуре воздуха.

Таблица 4. Скорость ветра (средняя и максимальная и количество случаев по градациям).

Таблица 5. Ветер по 16 румбам (повторяемость в % и средняя скорость ветра).

Таблица 6. Ветер по 8 румбам (повторяемость в % и средняя скорость) и атмосферное давление.

Эти издания хранятся в Отраслевом Государственном архиве Гидрометкомитета Украины в г. Киеве. Информация может быть получена заказчиком за оплату.

Кроме перечисленных источников можно воспользоваться Справочником по климату СССР, например, СНиП 2.01.01-82 или данными ближайшей метеостанции. Наибольшее практическое значение имеет Научно-прикладной справочник по климату СССР, в котором помимо информации о средних скоростях ветра содержатся данные о среднеквадратичных отклонениях среднемесячной и среднегодовой скоростей ветра.

Зарубежная метеорология располагает данными о часовом наблюдении за ветром с непрерывной (посекундной) записью информации. Это дает возможность производить точные расчеты средней скорости, определять порывы ветра, фиксировать экстремальные значения скорости и производить расчеты среднеквадратических отклонений.

В Донбасской государственной академии строительства и архитектуры имеются собственные научные разработки (Е.В. Горохов, А.М. Югов и Ю.П Некрасов) и специально сконструированные приборы непрерывного слежения за характеристиками ветра и обработкой получаемых результатов с помощью ЭВМ. Указанное приборное и программное обеспечение прошло проверку на полигоне испытаний высоковольтных опор и при исследовании ветрового поля Новоазовской ветроэлектростанции. Оно может с успехом использоваться для дополнительного слежения за ветром в натурных условиях.

Рис. 1.2. Роза ветров для января, г Донецк

Для градостроительных целей, когда необходимо оценить комфортные условия пребывания человека на открытом воздухе, из всей совокупности наблюдений за ветром следовало бы выбрать, обработать и представить информацию о ветре в дневные часы, например, с 6 до 21 часов в теплый и с 9 до 18 часов в холодный период года. Кроме информации о средних в эти часы скоростях ветра необходимо иметь сведения о среднеквадратичном отклонении средней скорости.

Построение розы ветров. Обобщенной графической информацией о ветре по румбам является роза ветров. Она строится по значениям повторяемости и средней скорости ветра и может выглядеть так, как это представлено на рис. 1.2. В центре розы ветров отмечаются повторяемость штиля, %. Концентрическими окружностями отмечаются повторяемости средней скорости. Цифрами указываются значения средней скорости по румбам. Окружность с повторяемостью 16 % является рубежной при выборе основного направления и расчетной скорости ветра. Такой розой ветров можно пользоваться при приближенной оценке ветрового режима застройки.

Для детальной информации о ветре сроится роза ветров повторяемости различных значений скоростей по румбам. Такую розу (см. рис. 1.3) приводит, например, J.Gerchardt (Германия). Подобная роза ветров подходит для детальной оценки ветрового режима застройки.

Рис. 1.3. Роза ветров повторяемости различных скоростей ветра

Вертикальный профиль скоростей. С ростом высоты скорость ветра увеличивается и меняется его направление. Последнее связано с действием сил Кориолиса, за счет которых ветер в северном полушарии земли, например, поворачивает вправо. На бытовом уровне это понятие сводится к тому, что если стать спиной к ветру, то с высотой он поворачивает в сторону правой руки примерно до 30 - 45^о. В метеорологии известна спираль Экмана, которая описывает этот процесс.

Существуют два закона распределения скорости ветра по высоте: логарифмический и степенной. На рис. 1.4. представлен вид вертикальных профилей над характерными шероховатостями земной поверхности.

Логарифмический закон более точен для восстановления скорости на высотах до 100 -200 м, что вполне подходит для территории городской застройки. Многие ученые неоднократно обращали внимание, что логарифмический закон распределения скорости ветра в приземном слое является лишь частным случаем более общего степенного закона. Не раз указывалось, что логарифмический закон справедлив лишь для адиабатического состояния атмосферы и, что при инверсиях, этот закон должен быть заменен степенным.

Рис. 1.4 - Профили скоростей над различными шероховатостями (по A. Davenport’у)

Если известна средняя скорость на любой фиксированной высоте z_ref (флюгер метеостанции), то логарифмический закон распределения имеет вид:

, (1.4)

где - средняя скорость на высоте z;

- параметр шероховатости (высота, на которой скорость равна 0);

- толщина вытеснения (составляет около 2/3 высоты преград).

В таблице 1.2 приведены значения и для различных категорий территорий, принятых в европейском стандарте.

Степенной закон в отличие от логарифмического, который принят за рубежом, наиболее более прост. Он использовался в нормах СССР при расчетах ветровых нагрузок на здания и сооружения. Общепринятой является зависимость следующего вида

, (1.5)

где a - показатель степени, остальные обозначения те же, что в формуле (1.4).

Величина показателя степени a зависит от скорости ветра и характера местности (шероховатости подстилающей поверхности), над которой происходит движении ветра. В инженерных расчетах принято три типа местности:

первый (А) – открытые побережья озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра, для которых a = 0,16;

второй (В) – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м, для которых a = 0,22;

третий (С) – местность с крупными элементами шероховатости (городские районы с застройкой зданиями более 25 м), для которой a = 0,33.

Таблица 1.2 – Категории территорий и значения величин z_o и d_o

Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h – при высоте сооружения h до 60 м и 2 км – при большей высоте. За рубежом принята иная классификация территорий и другие показатели степени.

Рубежные значения скоростей ветра. На основании гигиенических и социологических исследований установлены рубежные значения скоростей:

- более 4 м/с - вызывают дискомфорт у пешеходов;

- более 6 м/с – начало переноса снега и песка;

- более 12 м/с – возможны механические повреждения строительных конструкций.

Информация о ветре используется в следующих инженерных расчетах:

- аэрация и защита городских территорий;

- теплотехнические расчеты ограждающих конструкций;

- ветровая нагрузка на здания и строительные элементы;

- ветроэнергетика;

- снежные заносы улиц, дорог и территорий.

Облачность. Количество облаков характеризуется степенью покрытия облаками небосвода. В метеорологии принята 10-ти балльная система (0 – облаков нет, 10 – полное покрытие неба).

Установлено, что облачность:

- смягчает зимние температуры из-за ограничения противоизлучения поверхности земли;

- летом ослабляет нагревание почвы, улучшая микроклимат;

- влияет на инсоляцию.

Атмосферное давление. Давление зависит от нагрева поверхности Земли. Нормальное давление принято для 45^о с.ш. при температуре наружного воздуха 0 ^оС равным 760 мм рт. ст. (1 мм рт. ст = 133,322 Па, 1 атм = 1013425 Па). С увеличением высоты над уровнем моря происходит падение давления, и эта особенность учитывается при строительстве.

Лекция 2