Study of the urban heat island effect using a meso-scale atmospheric model and analyzing observational data

Abstract

The scope of the present Doctoral Dissertation is the study of the urban heat island (UHI), combining numerical modeling and observational techniques. To meet this goal, the meteorological Weather Research and Forecasting (WRF) model, representing the current state-of-the-art in meso-scale urban modeling, was selected. The WRF was first tested and evaluated in the frame of a case study focusing on a particular urban area. This case study was primarily conducted to examine the suitability of the chosen model in terms of simulating the UHI. The obtained results revealed a satisfactory model performance, indicating the adequacy of the WRF for carrying out heat island modeling studies. A secondary aim of this case study was to evaluate a simple data assimilation (DA) algorithm for satellite-retrieved land surface temperature (LST) data, in the frame of examining potential ways for improving model performance. As concluded however, the ingestion of the LST data into the WRF has a rather minor positive impact, restricted to the first hours of the simulation following the assimilation. At a second stage, the WRF was employed to develop a high-resolution heat island modeling system that could be implemented in the frame of operational weather forecasting activities. A bulk roughness approach, using detailed and up-to-date land use and cover information, and satellite-retrieved land surface properties, was applied to “urbanize” the WRF. Artificial neural network (ANN) techniques were exploited for developing a statistical downscaling mask, while several post-processing algorithms were developed for deriving a variety of prototype products, including thermal comfort indices and heat wave risk. The performance of the modeling system was evaluated during a two-month period in the summer of 2010. During this period, the modeling system was implemented operationally, on a daily basis, for six European cities. Overall, the evaluation results were promising, highlighting the successful development and implementation of the modeling system. The present dissertation concludes with an observational study of the UHI effect at the coastal city of Thessaloniki (Greece). The spatial and temporal variations of the city’s heat island were investigated, indicating the presence of a rather strong UHI effect that tends to be more pronounced during the warm half of the year. The impact of wind was also examined, showing that windy conditions generally result to a less intense UHI. One key finding of this study was that Thessaloniki exhibits the so-called urban moisture excess (UME) phenomenon, characterized by higher availability of humidity in the urban areas than in the rural surroundings. More interestingly, it was found that the city’s nocturnal heat island is positively correlated with the UME, whereas the two effects appear to be anti-correlated during the day. The observational study concludes with an attempt to quantify the impact of the UHI on human thermal comfort. As it was shown, the heat island of Thessaloniki does have a negative impact on thermal comfort conditions on most of the occasions, but not always.

Αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η μελέτη της αστικής θερμικής νησίδας (ΑΘΝ), συνδυάζοντας μεθόδους αριθμητικής προσομοίωσης και ανάλυσης πειραματικών δεδομένων. Χρησιμοποιήθηκε το μετεωρολογικό μοντέλο Weather Research and Forecasting (WRF), το οποίο αντιπροσωπεύει την τελευταία τεχνογνωσία στο επίπεδο της προσομοίωσης αστικών περιοχών στην μέση κλίμακα. Αρχικά, το WRF εφαρμόστηκε δοκιμαστικά για μία συγκεκριμένη αστική περιοχή, ώστε να αποτιμηθεί η επίδοσή του. Στόχος της δοκιμαστικής αυτής εφαρμογής ήταν η εξέταση της καταλληλότητας του μοντέλου για την προσομοίωση της ΑΘΝ. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν μία ικανοποιητική επίδοση του μοντέλου, χαρακτηριστική της επάρκειάς του για την μελέτη του φαινομένου. Ο δευτερεύων στόχος της δοκιμαστικής εφαρμογής του WRF ήταν η αποτίμηση ενός απλού αλγόριθμου για την αφομοίωση δορυφορικών δεδομένων θερμοκρασίας της επιφάνειας, στα πλαίσια της αναζήτησης πιθανών μεθόδων για τη βελτίωση της επίδοσης του μοντέλου. Όπως προέκυψε, η αφομοίωση των δορυφορικών δεδομένων θερμοκρασίας της επιφάνειας στο WRF έχει μία μάλλον μικρή θετική συνεισφορά, η οποία περιορίζεται στις πρώτες ώρες της προσομοίωσης που ακολουθούν την αφομοίωση. Στο δεύτερο στάδιο, το WRF χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ενός συστήματος προσομοίωσης υψηλής ανάλυσης, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια της επιχειρησιακής πρόγνωσης του καιρού. Η «αστικοποίηση» του WRF πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας την τεχνική “bulk roughness” και αξιοποιώντας λεπτομερή και επικαιροποιημένα δεδομένα χρήσης και κάλυψης γης, καθώς και δορυφορικά δεδομένα για της ιδιότητες της επιφάνειας. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ΤΝΔ) αναπτύχθηκε ένα στατιστικό φίλτρο υποβιβασμού, ενώ αναπτύχθηκαν επίσης διάφοροι αλγόριθμοι για την παραγωγή ποικίλων προγνωστικών «προϊόντων», μεταξύ των οποίων δείκτες θερμικής άνεσης και επικινδυνότητας επεισοδίων καύσωνα. Η επίδοση του συστήματος προσομοίωσης αποτιμήθηκε κατά τη διάρκεια μίας δίμηνης περιόδου του καλοκαιριού του 2010. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το σύστημα προσομοίωσης εφαρμόστηκε επιχειρησιακά, σε καθημερινή βάση, παρέχοντας τα αντίστοιχα προγνωστικά «προϊόντα» για έξι Ευρωπαϊκές πόλεις. Τα αποτελέσματα της αποτίμησης ήταν ενθαρρυντικά, υπογραμμίζοντας την επιτυχή ανάπτυξη και εφαρμογή του συστήματος προσομοίωσης. Η παρούσα διατριβή καταλήγει με μία μελέτη του φαινομένου της ΑΘΝ στην παραλιακή πόλη της Θεσσαλονίκης (Ελλάδα), αναλύοντας πειραματικά δεδομένα. Διαπιστώθηκε η παρουσία μίας μάλλον ισχυρής ΑΘΝ η οποία τείνει να είναι ισχυρότερη κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου του έτους. Εξετάστηκε επίσης η επίδραση του ανέμου, οπότε και προέκυψε πως η ΑΘΝ είναι λιγότερη έντονη όσο αυξάνεται ο άνεμος. Ένα από τα βασικά συμπεράσματα της συγκεκριμένης μελέτης ήταν πως η Θεσσαλονίκη παρουσιάζει το αποκαλούμενο φαινόμενο της αστικής νησίδας υγρασίας (ΑΝΥ), το οποίο χαρακτηρίζεται από την μεγαλύτερη διαθεσιμότητα υγρασίας στον αστικό ιστό συγκριτικά με τις γειτονικές «αγροτικές περιοχές». Όπως προέκυψε από τη σχετική ανάλυση, κατά τη διάρκεια της νύχτας η ΑΘΝ και η ΑΝΥ συσχετίζονται θετικά, ενώ κατά τη διάρκεια της ημέρας η συσχέτιση είναι αρνητική. Η πειραματική μελέτη της ΑΘΝ καταλήγει με μία προσπάθεια να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση του φαινομένου στην ανθρώπινη θερμική άνεση. Όπως αποδείχθηκε, η θερμική νησίδα της Θεσσαλονίκης έχει αρνητική επίδραση στις συνθήκες της θερμικής άνεσης στην πλειονότητα των περιπτώσεων, αλλά όχι πάντα.