Представление данных об осадках в строительной климатологии

При проектировании новых объектов строительства и реконструкции существующих, обязательным является выполнение требований действующих нормативных документов. Одним из таких документов является Свод правил

«Строительная климатология» (СП СК). Содержащиеся в этом документе данные о климатических параметрах на территории Российской Федерации используются в проектных расчетах. Поэтому СП СК пересматриваются в Российской Федерации чаще других нормативных документов этого уровня (см. [14]). Изучению различных проблем, связанных с определением и применением климатических характеристик из СП СК, посвящено значительное количество исследований и научных публикаций.

Большая часть таких публикаций посвящена проблемам энергосбережения [5, 6].

В [7, 8] проанализирована история становления строительной климатологии и указаны некоторые проблемы ее дальнейшего развития.

Меньше публикаций посвящено анализу и способам применения данных об осадках в СП СК. В этом направлении представляют интерес работы, выполненные под руководством профессора М.С. Мягкова [9, 10].

До 1966 года конструктивные потери в осадкомерных приборах не учитывались в текущих (архивных) данных об осадках. С 1 января 1966 года на всех метеостанциях и пунктах Росгидромета в текущие данные вносится поправка на потери осадков из-за смачивания внутренней поверхности осадкосборного сосуда [11]. Остальные систематические погрешности, в том числе ветровые потери, могут быть учтены при последующей обработке [12, 13].

Климатология - это научное изучение климата. Строительная климатология - это научное изучение климата применительно к застроенной среде. Здания не существуют изолированно; они существуют в определенном географическом контексте. Архитектура как научная дисциплина стремится к тому, чтобы здание и контекстуальная географическая среда находились в единстве. [14].

Погода - это совокупность атмосферных условий относительно небольшой географической области за короткий промежуток времени. Климат, с другой стороны, представляет собой совокупность атмосферных условий, наблюдаемых на большой географической территории в течение длительного периода времени. Период этого наблюдения мог бы составлять 25-30 лет.

Существует пять основных климатических элементов, влияющих на окружающую среду застройки. Это температура, влажность, ветер, атмосферное давление и осадки.

Осадки являются продуктом быстрого процесса конденсации (если этот процесс происходит медленно, это приводит только к облачному небу). Это может быть снег, град, мокрый снег, морось и дождь.

Осадки можно использовать для различных строительных работ и коммерческих, промышленных целей, в тоже время, повреждение зданий водой в результате дождя может иметь разрушительные последствия для зданий и может быстро привести к повреждению.

Во время сильных ливней легко заметить дефекты изготовления. Краски и другие отделочные материалы на поверхностях могут отслаиваться.

Поддержание крыши в надлежащем состоянии - это только часть защиты здания от повреждения водой. На парковках и других открытых площадках во время осадков может скапливаться большое количество сточной воды. Предполагается, что эти воды будут подаваться в дренажную систему. Однако это происходит не всегда. Опавшие листья, обломки и мусор могут засорять эти водостоки и приводить к тому, что вода собирается или направляется к зданию, а не от него. Кроме того, в местах, где грунт наклонен к зданию, вода будет стекать обратно к зданию во время дождей, вызывая протечки и повреждения.

Осадки могут принимать несколько различных форм. Дождь - это падающие капли жидкой воды диаметром 0,5 мм или больше. Морось - это падающие капли воды меньшего размера, чем дождь. Некоторые капли дождя - это облачные капли, которые выросли в результате слияния и упали. Однако большинство дождевых капель, которые падают в средних и более высоких широтах, начинаются как снежинки или граупель. Падая, они попадают в более теплые слои воздуха и тают, образуя дождевые капли. Если падающий дождь испаряется, не достигнув земли, он образует на небе полосы, называемые виргой. В холодном зимнем воздухе падающие снежинки и граупель могут достигать земли, не тая, и накапливаться в виде снега. Если дождь попадает в глубокий, подмерзающий слой воздуха вблизи земли, часть осадков может замерзнуть в виде крошечных ледяных гранул, называемых мокрым снегом. Когда дождь попадает в неглубокий, подмерзающий слой воздуха вблизи земли, он может оставаться в виде переохлажденной жидкости и замерзать при ударе о холодную поверхность, образуя ледяной дождь. Ледяной дождь может покрыть все вокруг блестящим льдом, вес которого может сломать ветви деревьев и оборвать линии электропередач.

Град – самая крупная форма осадков, размер которых варьируется от горошины до мячей для гольфа и более. Град образуется по мере того, как граупель увеличивается в размерах, сталкиваясь с каплями переохлажденной жидкости и прилипая к ним, и все это во время грозы подвешивается в сильных восходящих потоках. Когда частицы льда становятся доста- точно крупными и тяжелыми, чтобы преодолевать восходящие потоки, они начинают падать в виде града. Ущерб от града ежегодно в мире довольно значителен [14].

Результаты анализа данных многолетних измерений климатических параметров в Москве и Санкт-Петербурге представлены в работе [15]. Имеются данные об изменении этих параметров в течение года за последние 10 лет. Тенденции были определены для следующих параметров: температура наружного воздуха, солнечный свет, глубина снега, скорость ветра, влажность и т.д. Учитывается продолжительность отопительных периодов для каждого изучаемого года и города, а также переходы через -2 °C в течение этих периодов. В ходе исследования было определено влияние климатических изменений на параметры строительной климатологии, которые используются при проектировании зданий и сооружений в России. Полученная климатическая информация позволит прогнозировать энергоэффективность эксплуатации различных инженерных систем в строительном секторе, а также на долгосрочную перспективу [15].

Материалы и методы

Во всех нормативных документах и утвержденных рекомендациях суточный максимум осадков (СМО) определяется в каждом году из массива наблюдений за метеорологические (календарные) сутки. Однако в [12] было показано, что такой подход может привести к заметному занижению значений СМО. Например, в своде правил [4] по метеорологической станции (МС) Калининград приводится наибольшее значение СМО – 118 мм. Он был зафиксирован 10.08.2005. Тогда как за 24 часа с 18-00 (здесь и далее сроки наблюдений приводятся по Гринвичу) 09.08.2005 в Калининграде выпало осадков 138,5 мм.

Во всех ранее утвержденных версиях СП СК приведены климатические параметры, измеренные только на одной МС Калининградской области (КО) – город Калининград. Эти параметры приведены в табл. 1.

Сформулируем выявленные проблемы, связанные с осадками в СП СК:

• 1.    В СП по многим регионам, в том числе и КО, имеются данные только по одной МС, тогда как на региональных МС гораздо больше. Так на территории КО действуют 7 МС, фиксирующие заметные различия атмосферных осадков.

• 2.    СМО фиксируется для календарных (метеорологических) суток. Тогда как за 24 часа наблюдений он может быть заметно больше.

• 3.    В СП приведены данные по осадкам с учетом потерь только из-за смачивания внутренней поверхности осадкомера, ветровые и прочие потери не учитываются.

Таблица 1 – Данные об осадках в городе Калининграде в своде правил «Строительная климатология»

Год утверждения	Сумма осадков за период, мм		Суточный максимум осадков, мм	Период наблюдений
	апрель-октябрь	ноябрь-март
1999	508	280	110	1966-1980
2012	493	306	118	1966-2010
2018	493	306	118	1966-2015
2020	500	315	118	1966-2018

Цель работы – предложить пути решения названных проблем на примере МС КО.

Массив данных [13] «8-срочные наблюдения на станциях» содержит метеорологические элементы по большому количеству МС России.

Наземная наблюдательная сеть Калининградского ЦГМС состоит из 7 МС. В базе [13] есть данные по четырем станциям (Калининград, Советск, Балтийск, Железнодорожный). По этим же станциям в [13] приведены результаты корректировки месячных осадков с учетом всех поправок, включая ветровые. Эти данные позволили рассчитать и сравнить суммы сезонных осадков с учетом и без учета ветровых потерь (см. рис. 1-4).

По рис. 1-4 видно, что увеличение сумм осадков при корректировке МС Балтийск заметно больше, чем МС Калининград. Это связано с сильными ветрами на побережье Балтийского моря. Кроме того, в холодное время года происходит усиление ветра. Потому в Балтийске средняя корректировка сумм осадков за ноябрь-март составила 19,1%, а за апрель-октябрь – только 7,2%. Цифры за указанные периоды МС Калининград (6,2 и 2,3%) заметно меньше, чем МС Балтийск, главным образом, из-за меньшей силы (скорости) ветра.

Рисунок 1 – Суммы годовых осадков МС Калининград за теплый период (апрель-октябрь) : 1 – данные из архива, 2 – с полной корректировкой

Рисунок 2 – Суммы годовых осадков МС Калининград за холодный период (ноябрь-март): 1 – данные из архива, 2 – с полной корректировкой

Результаты исследования.

С помощью компьютерной программы, предложенной в [12], была выполнена обработка массивов 8-срочных осадков (суммы за каждые 3 часа) [13] МС КО. На рис. 5-7 показано сравнение сумм максимальных за год осадков, рассчитанных по метеорологическим суткам и по результатам 8-срочных наблюдений.

Рисунок 5 – Суточный максимум осадков МС Калининград: 1 – за метеорологические сутки RC, 2 – 24-часовые R24, 3 – линейный тренд RC

Рисунок 6 – Суточный максимум осадков МС Советск: 1 – за метеорологические сутки RC, 2 – 24часовые R24, 3 – линейный тренд R24

Рисунок 7 – Суточный максимум осадков МС Балтийск: 1 – за метеорологические сутки RC, 2 – 24-часовые R24, 3 – линейный тренд R24

Рисунок 3 – Суммы годовых осадков МС Балтийск за теплый период (апрель-октябрь): 1 – данные из архива, 2 – с полной корректировкой R, мм

Рисунок 4 – Суммы годовых осадков МС Балтийск за холодный период (ноябрь-март): 1 – данные из архива, 2 – с полной корректировкой

Результаты расчетов, выполненные в данной статье, сведены в табл. 2.

Таблица 2 - Данные об осадках МС Калининградской области (1966-2015) с учетом корректировки

Метеостанция	Сумма осадков за период, мм		Суточный максимум осадков, мм	Годы наблюдений
	апрель-октябрь	ноябрь-март
Калининград	513,8	334,0	138,5	1966-2015
Советск	481,5	288,8	84,3	1966-1972, 1977-2015
Балтийск	441,8	294,8	73,3	1966-1972, 1977-2015
Железнодорожный	456,3	255,4	82,4	1966-1970, 1977-2015

Заключение

Таким образом, предложено решение основных проблем, связанных с определением параметров атмосферных осадков в СП СК:

• 1.    Расширено количество населенных пунктов, в которых определены параметры атмосферных осадков.

• 2.    Выполнена корректировка средних многолетних сумм за теплый и холодный период года с учетом всех поправок измерений осадко-меров, в частности – ветровой.

• 3.    Произведен расчет максимальных суточных осадков по результатам 8-срочных наблюдений, которые оказались заметно больше значений, определяемых по метеорологическим суткам.

Результаты исследований, изложенных в данной статье, могут быть использованы при формировании региональных нормативных документов.