Experimental urban heat island research for Arctic cities:
Methods of measurements and data processing
Mikhail Varentsov
Lomomosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Meteorology and Climatology;
Mikhail Varentsov Lomomosov Moscow State University, Faculty of - - PowerPoint PPT Presentation
Experimental urban heat island research for Arctic cities: Methods of measurements and data processing Mikhail Varentsov Lomomosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Meteorology and Climatology; Plan of presentation:
Lomomosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Meteorology and Climatology;
Mobile AWD
iButton sensors MTP-5 temperature profiler Joining the data, synchronizing, geostatistical modelling
Visualization and analisys
Apatity Murmansk
АМС фон АМС центр ГМС ГМС АМС центр АМС фон
The problem: joining the data from AWS (relatively reliable) and iButtons (less reliable) Solution:
experiment – static correction for each sensor
dynamic correction for control sensors
for other sensors
Apatity 29 января, ночь Apatity 31 января, день Apatity 2 февраля, ночь Murmaks 30 января, вечер
Norilsk
18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6
Темрература, ⁰С Время суток, часы
Апатиты
Самая холодная точка (к западу от города) Фоновая АМС АМС в центре города Метеостанция "Апатиты"
18 6 12 18 6 12 18 6 12
Температура воздуха, ⁰С Время суток, часы
Мурманск
Фоновая АМС АМС в центре Самая холодная точка (к югу от города) Метеостанция "Мурманск"
21 3 9 15 21 3 9 15 21 3 9 15
Температура воздуха, ⁰С Время суток, часы
Норильск
Центр города Самая теплая точка (берег оз. Долгое) Метеостанция "Норильск" АМС на окраине города
𝒂∗ 𝒚 =
𝒋=𝟐 𝒐
𝝁𝒋𝒂 𝒚𝒋 Where:
𝑎∗ 𝑦 - prediction at unknown point 𝑦 𝑎 𝑦𝑗 - known value at point 𝑦𝑗 𝝁𝒋: depends on spatial self-correlation (variogram)
Features & Advantages:
Function describing the degree of spatial dependence of a spatial random field
𝜹 𝒊 = 𝟐 𝟑𝑶(𝒊)
𝒋=𝟐 𝑶(𝒊)
[𝒂 𝒚𝒋 − 𝒂(𝒚𝒋 + 𝒊)]𝟑
Building experimental variogram Fitting theoretical variogram model to experimental variogram Building estimation field Power-law Gaussian Exponential
Maps of the temperature anomaly
Mean Max UHI
острова тепла
Mean Max UHI Max UHI
Maps of the temperature anomaly
Atmosphere temperature at fixed height Correction for certain moment MTP-temperature Kriging
Mean Max
Air temperature
Statistical model of heating station
Direct and reverse water temperature difference Heat production
y = -0.9153x + 24.015
10 20 30 40 50
5
Разница температуры прямой и обратной воды, ⁰С Температура наружного воздуха, ⁰С
y = 154.65x + 1888.4
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 20 30 40 50
Суточный отпуск тепла, ГКал
Разница температуры прямой и обратной воды, ⁰С
Apatity (power 590 Гкал/ч): 1 ⁰С → ≈ 33 т. tons of coal / day What is 1 ⁰С for the power station? Norilsk ТЭЦ-1 (power 2321 Гкал/ч):
1 ⁰С → ≈ 81 000 m3 of the nature gas / day примерно 85 тыс. рублей в день или
24 млн. руб. в год
(При стоимости угля 1300 руб. /т и продолжительность отопительного сезона 272 днея)
Potential effect of UHI 2 ⁰С:
примерно 600 тыс. рублей в день или
180 млн. руб. в год
(При стоимости газа 4.14 руб./м3 и продолжительность отопительного сезона 300 дней)
3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 15
Температура, ⁰C
Время суток, ч
Средняя температура в городе Температура по данным ТЭЦ
Средняя ошибка:
0.4 ⁰С
29 января 30 января 31 января 1 февраля
Среднесуточная температура, ⁰С ТЭЦ Город
Apatity Norilsk
Средняя ошибка:
1.1 ⁰С Temperature, measured by power station VS real temperature in the city
Эти средства можно сэкономить, если оптимизировать систему температуры воздуха в городе
Mean Max
TERRA 17 January 2014
Mean data (TERRA) for November 2013 – January 2014
R² = 0,3036
2 4 6 8
2 4 6 8
∆T по данным спутника TERRA ∆T по данным метеорологических наблюдений
TERRA
R² = 0,1317
2 4 6 8
2 4 6 8
∆T по данным спутника AQUA ∆T по данным метеорологических наблюдений
AQUA
UHI Intensity: ∆𝑼 = 𝑼город − 𝑼фон
Satellite observations Observations (Power station – observatory)
VS
6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 18 6 12 А1 центр А5 ботсад ИФА Метео А4 - поле
1. Longer measuring campaign (one season at least) 2. On-line UHI monitoring (not iButtons, but GSM temperature sensors) 3. 3D UHI structure investigation (but at least 2 MTP-5 is needed) 4. Application of the Kriging with external drift for more detailed
REG CM data, MODIS data, urban landuse data? 5. More comprehensive research about UHI and energy consumption
6. UHI temperature anomaly → anthropogenic heat flux