The role of paved surfaces in the Urban Heat Island phenomenon: Assessment of fundamental thermal parameters and finite element analysis for UHI mitigation

Nowadays the environmental issues and the climatic change play fundamental roles in the design of urban spaces. Our cities are growing in size, many times only following immediate needs without a long-term vision. Consequently, the sustainable development has become not only an ethical but also a strategic need: we can no longer afford an uncontrolled urban expansion. One serious effect of the territory industrialisation process is the increase of urban air and surfaces temperatures compared to the outlying rural surroundings. This difference in temperature is what constitutes an urban heat island (UHI). The purpose of this study is to provide a clarification on the role of urban surfacing materials in the thermal dynamics of an urban space, resulting in useful indications and advices in mitigating UHI. With this aim, 4 coloured concrete bricks were tested, measuring their emissivity and building up their heat release curves using infrared thermography. Two emissivity evaluation procedures were carried out and subsequently put in comparison. Samples performances were assessed, and the influence of the colour on the thermal behaviour was investigated. In addition, some external pavements were analysed. Albedo and emissivity parameters were evaluated in order to understand their thermal behaviour in different conditions. Surfaces temperatures were recorded in a one-day measurements campaign. ENVI-met software was used to simulate how the tested materials would behave in two typical urban scenarios: a urban canyon and a urban heat basin. Improvements they can carry to the urban microclimate were investigated. Emissivities obtained for the bricks ranged between 0.92 and 0.97, suggesting a limited influence of the colour on this parameter. Nonetheless, white concrete brick showed the best thermal performance, whilst the black one the worst; red and yellow ones performed pretty identical intermediate trends. De facto, colours affected the overall thermal behaviour. Emissivity parameter was measured in the outdoor work, getting (as expected) high values for the asphalts. Albedo measurements, conducted with a sunshine pyranometer, proved the improving effect given by the yellow paint in terms of solar reflection, and the bad influence of haze on the measurement accuracy. ENVI-met simulations gave a demonstration on the effectiveness in thermal improving of some tested materials. In particular, results showed good performances for white bricks and granite in the heat basin scenario, and painted concrete and macadam in the urban canyon scenario. These materials can be considered valuable solutions in UHI mitigation.

Evaluating the urban heat island for cities of Emilia-Romagna region through numerical simulations

Lo scopo di questo studio è la comprensione della dinamica dello strato limite urbano per città dell’Emilia Romagna tramite simulazioni numeriche. In particolare, l’attenzione è posta sull’ effetto isola di calore, ovvero sulla differenza di temperatura dell’aria in prossimità del suolo fra zone rurali e urbane dovuta all’urbanizzazione. Le simulazioni sono state effettuate con il modello alla mesoscala "Weather Research and Forecasting" (WRF), accoppiato con le parametrizzazioni urbane "Building Effect Parametrization" (BEP) e "Building Energy Model" (BEM), che agiscono a vari livelli verticali urbani. Il periodo di studio riguarda sei giorni caldi e senza copertura nuvolosa durante un periodo di heat wave dell’anno 2015. La copertura urbana è stata definita con il "World Urban Databes and Access Portal Tools" (WUDAPT), un metodo che permette di classificare le aree urbane in dieci "urban climate zones" (UCZ), attraverso l’uso combinato di immagini satellitari e "training areas" manualmente definite con il software Google Earth. Sono state svolte diverse simulazioni a domini innestati, con risoluzione per il dominio più piccolo di 500 m, centrato sulla città di Bologna. Le differenze fra le simulazioni riguardano la presenza o l’assenza delle strutture urbane, il metodo di innesto e tipo di vegetazione rurale. Inoltre, è stato valutato l’effetto dovuto alla presenza di pannelli fotovoltaici sopra i tetti di ogni edificio e le variazioni che i pannelli esercitano sullo strato limite urbano. Per verificare la bontà del modello, i dati provenienti dalle simulazioni sono stati confrontati con misure provenienti da 41 stazioni all’interno dell’area di studio. Le variabili confrontate sono: temperatura, umidità relativa, velocità e direzione del vento. Le simulazioni sono in accordo con i dati osservativi e riescono a riprodurre l’effetto isola di calore: la differenza di temperatura fra città e zone rurali circostanti è nulla durante il giorno; al contrario, durante la notte l’isola di calore è presente, e in media raggiunge il massimo valore di 4°C alle 1:00. La presenza dei pannelli fotovoltaici abbassa la temperatura a 2 metri dell’aria al massimo di 0.8°C durante la notte, e l’altezza dello strato limite urbano dell’ordine 200mrispetto al caso senza pannelli. I risultati mostrano come l’uso di pannelli fotovoltaici all’interno del contesto urbano ha molteplici benefici: infatti, i pannelli fotovoltaici riescono a ridurre la temperatura durante un periodo di heat wave, e allo stesso tempo possono parzialmente sopperire all’alto consumo energetico, con una conseguente riduzione del consumo di combustibili fossili.

Analisi di immagini termiche aeree e satellitari per indagini multiscala in ambito urbano

L’alta risoluzione nel telerilevamento termico (Thermal Remote Sensing) da aereo o satellitare si rivela molto importante nell’analisi del comportamento termico delle superfici, in particolare per lo studio dei fenomeni climatici locali dello spazio urbano. La stato termico dell'ambiente urbano è oggi motivo di grande interesse per ricercatori, organi istituzionali e cittadini. Uno dei maggiori campi di studio del comportamento termico urbano interessa il problema energetico: la riduzione dei consumi e delle emissioni di CO2 è un obiettivo primario da perseguire per uno sviluppo sostenibile, spesso supportato da criteri legislativi e progetti comunitari. Su scala differente e con caratteristiche differenti, un altro degli argomenti che scuote da anni e con notevole interesse la ricerca scientifica, è il fenomeno termico urbano che prende il nome di isola di calore; questa si sviluppa non solo in conseguenza al calore sensibile rilasciato da attività antropiche, ma anche a causa della sempre maggiore conversione del territorio rurale in urbanizzato (inurbamento), con conseguente riduzione del fenomeno dell’evapotraspirazione. Oggetto di questa dissertazione è lo studio del comportamento termico delle superfici in ambito urbano, sperimentato sulla città di Bologna. Il primo capitolo si interessa dei principi e delle leggi fisiche sui quali è basato il telerilevamento effettuato nelle bende spettrali dell’infrarosso termico. Viene data una definizione di temperatura radiometrica e cinematica, tra loro legate dall’emissività. Vengono esposti i concetti di risoluzione (geometrica, radiometrica, temporale e spettrale) dell’immagine termica e viene data descrizione dei principali sensori su piattaforma spaziale per l’alta risoluzione nel TIR (ASTER e Landsat). Il secondo capitolo si apre con la definizione di LST (Land Surface Temperature), parametro del terreno misurato col telerilevamento, e ne viene descritta la dipendenza dal flusso della radiazione in atmosfera e dalle condizioni di bilancio termico della superficie investigata. Per la sua determinazione vengono proposti metodi diversi in funzione del numero di osservazioni disponibili nelle diverse bande spettrali dell’IR termico. In chiusura sono discussi i parametri che ne caratterizzano la variabilità. Il capitolo terzo entra nel dettaglio del telerilevamento termico in ambito urbano, definendo il fenomeno dell’Urban Heat Island su tutti i livelli atmosferici interessati, fornendo un quadro di operabilità con gli strumenti moderni di rilievo alle differenti scale (analisi multiscala). Un esempio concreto di studio multiscala dei fenomeni termici urbani è il progetto europeo EnergyCity, volto a ridurre i consumi energetici e le emissioni di gas serra di alcune città del centro Europa. Il capitolo quarto riporta la sperimentazione condotta sull’isola di calore urbana della città di Bologna tramite immagini ASTER con risoluzione spaziale 90 m nel TIR e ricampionate a 15 m dal VIS. Lo studio dell’isola di calore si è effettuata a partire dal calcolo della Land Surface Temperature utilizzando valori di emissività derivati da classificazione delle superfici al suolo. Per la validazione dei dati, in alternativa alle stazioni di monitoraggio fisse dell’ARPA, presenti nell’area metropolitana della città, si è sperimentato l’utilizzo di data-loggers per il rilievo di temperatura con possibilità di campionamento a 2 sec. installati su veicoli mobili, strumentati con ricevitori GPS, per la misura dei profili di temperatura atmosferica near-ground lungo transetti di attraversamento della città in direzione est-ovest.

Valutazione dell'efficienza ambientale dei tetti verdi a livello globale: Confronto tra casi di studio

Nel mio lavoro di tesi è stata valutata l'influenza climatica sulle prestazioni dei tetti verdi relativamente alla riduzione del runoff, il risparmio energetico e il miglioramento della qualità dell'aria.

Gene expression responses to acute and chronic heat stress in the common reef-building coral Pocillopora verrucosa

Global climate change is impacting coral reefs worldwide, with approximately 19% of reefs being permanently degraded, 15% showing symptoms of imminent collapse, and 20% at risk of becoming critically affected in the next few decades. This alarming level of reef degradation is mainly due to an increase in frequency and intensity of natural and anthropogenic disturbances. Recent evidence has called into question whether corals have the capacity to acclimatize or adapt to climate changes and some groups of corals showed inherent physiological tolerance to environmental stressors. The aim of the present study was to evaluate mRNA expression patterns underlying differences in thermal tolerance in specimen of the common reef-building coral Pocillopora verrucosa collected at different locations in Bangka Island waters (North Sulawesi, Indonesia). Part of the experimental work was carried out at the CoralEye Reef Research Outpost (Bangka Island). This includes sampling of corals at selected sites and at different depths (3 and 12 m) as well as their experimental exposure to an increased water temperature under controlled conditions for 3 and 7 days. Levels of mRNAs encoding ATP synthase (ATPs) NADH dehydrogenase (NDH) and a 70kDa Heat Shock Protein (HSP70) were evaluated by quantitative real time PCR. Transcriptional profiles evaluated under field conditions suggested an adaptation to peculiar local environmental conditions in corals collected at different sites and at the low depth. Nevertheless, high–depth collected corals showed a less pronounced site-to-site separation suggesting more homogenous environmental conditions. Exposure to an elevated temperature under controlled conditions pointed out that corals adapted to the high depth are more sensitive to the effects of thermal stress, so that reacted to thermal challenge by significantly over-expressing the selected gene products. Being continuously exposed to fluctuating environmental conditions, low-depth adapted corals are more resilient to the stress stimulus, and indeed showed unaffected or down-regulated mRNA expression profiles. Overall these results highlight that transcriptional profiles of selected genes involved in cellular stress response are modulated by natural seasonal temperature changes in P. verrucosa. Moreover, specimens living in more variable habitats (low-depth) exhibit higher basal HSP70 mRNA levels, possibly enhancing physiological tolerance to environmental stressors.