Flux Measurements in Cairo. Part 2: On the Determination of the Spatial Radiation and Energy Balance Using ASTER Satellite Data

This study highlights the possibilities and constraints of determining instantaneous spatial surface radiation and land heat fluxes from satellite images in a heterogeneous urban area and its agricultural and natural surroundings. Net radiation was determined using ASTER satellite data and MODTRAN radiative transfer calculations. The soil heat flux was estimated with two empirical methods using radiative terms and vegetation indices. The turbulent heat fluxes finally were determined with the LUMPS (Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme) and the ARM (Aerodynamic Resistance Method) method. Results were compared to in situ measured ground data. The performance of the atmospheric correction was found to be crucial for the estimation of the radiation balance and thereafter the heat fluxes. The soil heat flux could be modeled satisfactorily by both of the applied approaches. The LUMPS method, for the turbulent fluxes, appeals by its simplicity. However, a correct spatial estimation of associated parameters could not always be achieved. The ARM method showed the better spatial results for the turbulent heat fluxes. In comparison with the in situ measurements however, the LUMPS approach rendered the better results than the ARM method

Εκτίμηση της συμβολής της αστικής μορφολογίας και λειτουργίας στο αστικό θερμικό περιβάλλον με την ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιχειρήθηκε μία πολυδιάστατη μελέτη του θερμικού περιβάλλοντος του πολεοδομικού συγκροτήματος της Αθήνας. Η ερευνητική προσπάθεια είχε ως στόχο την εκτίμηση της επίδρασης της αστική μορφολογίας και λειτουργίας στο αστικό θερμικό περιβάλλον. Η μελέτη υλοποιήθηκε κατά κύριο λόγο με την ανάπτυξη τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης και επικουρικά με την εφαρμογή Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και αριθμητικής προσομοίωσης. Τα υφιστάμενα δορυφορικά συστήματα δεν διαθέτουν την ταυτόχρονη υψηλή χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα η οποία απαιτείται για τη λεπτομερειακή διερεύνηση των ενδοαστικών διαφοροποιήσεων. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε αρχικά βελτίωση των υφιστάμενων μεθοδολογιών της στατιστικής υποκλιμάκωσης, κατά την οποία το LST ενισχύεται χωρικά βάσει της σχέσης που εμφανίζει με επιφανειακές παραμέτρους. Η υποκλιμάκωση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση πολλαπλών μεταβλητών πρόβλεψης, υψηλής χωρικής ανάλυσης τιμών του συντελεστή εκπομπής έπειτα από φασματική ταξινόμηση, και εξετάζοντας διαφορετικούς γραμμικούς και μη γραμμικούς αλγορίθμους παλινδρόμησης. Εφαρμόστηκε στις καταγραφές θερμικής ακτινοβολίας του αισθητήρα Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) των δορυφόρων Aqua και Terra, για τη χωρική ενίσχυσή τους από το 1 km στα 100 m. Βρέθηκε ότι η προτεινόμενη μέθοδος υποκλιμάκωσης —με τη χρήση του αλγορίθμου παλινδρόμησης τύπου ridge— παρείχε αξιόπιστες, χωρικά ενισχυμένες τιμές LST με σφάλμα μικρότερο των 2 K (τετραγωνική ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος, Root Mean Square Error – RMSE) και με σταθερά καλύτερη ακρίβεια (∼0.5 K) συγκριτικά με τις μεθόδους αναφοράς. Στο επόμενο στάδιο της μελέτης πραγματοποιήθηκε, σε υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα (100 m), ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της αστικής μορφολογίας, της λειτουργίας και των ροών ενέργειας της Αθήνας, και επακόλουθα ο συνδυασμός τους σε έναν δείκτη θερμικής επιβάρυνσης. Χρησιμοποιώντας πλήθος γεωχωρικών δεδομένων, κατέστη δυνατή η πλήρης περιγραφή του κτηριακού περιβάλλοντος, συμπεριλαμβανομένου του λόγου του ύψους των κτηρίων προς το πλάτος των δρόμων —αναλογία διαστάσεων αστικής χαράδρας (H/W)— για κάθε οδό της πόλης. Επακόλουθα, αξιοποιώντας το υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης LST από το πρώτο τμήμα της εργασίας, πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός της αισθητής (QH) και της λανθάνουσας ροής θερμότητας (QE). Χρησιμοποιήθηκαν επιπρόσθετα παρατηρήσεις από μετεωρολογικούς σταθμούς και εφαρμόστηκε η μέθοδος της «αεροδυναμικής αντίστασης». Για την αξιολόγηση της ακρίβειας της εκτίμησης των ροών χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις μικρομετεωρολογικού πύργου· βρέθηκε μέσο σφάλμα RMSE ∼45 W/m2 για το QH και ∼15 W/m2 για το QE. Από τις παραπάνω τυρβώδεις ροές ενέργειας υπολογίστηκε στη συνέχεια ο λόγος Bowen β = QH/QE. Η ανθρωπογενής ροή θερμότητας (QF) προσδιορίστηκε μέσω της ανάπτυξης αλγορίθμου που συνδυάζει τις «bottom-up» και «top-down» προσεγγίσεις και είναι προσαρμοσμένος στα διαθέσιμα ενεργειακά δεδομένα της Αθήνας. Εντοπίστηκαν υψηλές ανθρωπογενείς εκπομπές θερμότητας για το κέντρο της πόλης (QF > 100 W/m2). Οι παραπάνω μεταβλητές (H/W, β και QF) μαζί με την εκτιμώμενη «καθαρή» μεταβολή του ρυθμού αποθήκευσης θερμότητας (ΔQs) ενσωματώθηκαν κατόπιν στον προτεινόμενο δείκτη θερμικής έκθεσης (Urban Heat Exposure, UHeatEx), χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ανάλυσης σε κύριες συνιστώσες (Principal Component Analysis, PCA). Ο παραπάνω δείκτης αποτύπωσε τα σημεία του αστικού ιστού της Αθήνας με τη δυσμενέστερη θερμική ποιότητα και κατά συνέπεια μπορεί να καταστεί ιδιαίτερα πολύτιμος σε μελέτες αστικού σχεδιασμού. Επιπρόσθετα, ο UHeatEx κατάφερε να αναδείξει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ως προς τη μορφολογία και το ενεργειακό ισοζύγιο της πόλης, κάτι που σε σημαντικό βαθμό δεν μπορούσε να επιτευχθεί μέσω της ταξινόμησης των «Τοπικών Κλιματικών Ζωνών» (Local Climate Zones, LCZ). Στο τελευταίο μέρος το ενδιαφέρον μετατοπίστηκε στην αξιολόγηση της μέσης επίδρασης στο θερμικό περιβάλλον εκτενέστερων αστικών ενοτήτων τοπικής κλίμακας (1 km). Συγκεκριμένα, αρχικά διερευνήθηκε η επίδραση βασικών αστικών μορφολογικών παραμέτρων —το ποσοστό των αδιαπέρατων επιφανειών, το ποσοστό της επιφάνειας κάλυψης από κτήρια και το ύψος των κτηρίων— στην επιφανειακή θερμοκρασία όπως αυτή καταγράφεται από τον δορυφορικό αισθητήρα MODIS. Με σκοπό μια ευρύτερη γενίκευση των συμπερασμάτων ως προς την επίδραση της αστικής μορφολογίας στο LST, παράλληλα με την περίπτωση της Αθήνας εξετάστηκαν 24 επιπλέον ευρωπαϊκές πόλεις. Η στατιστική ανάλυση κατέδειξε ότι η πυκνή και υψηλή δόμηση έχει εν γένει ασθενή θετική ή ακόμα και αρνητική σύνδεση με το LST κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ αντίθετα εμφανίζει ισχυρή θετική επίδραση τη νύχτα. Το παραπάνω ήταν ιδιαίτερα εμφανές για την Αθήνα, όπου και εξετάστηκαν επιπλέον μορφολογικές παράμετροι και πραγματοποιήθηκε ερμηνεία των αποτελεσμάτων με βάση τις τάξεις των LCZ. Στη συνέχεια, τα χαρακτηριστικά της αστικής μορφολογίας και λειτουργίας της Αθήνας ενσωματώθηκαν στο ατμοσφαιρικό μοντέλο WRF για τη διερεύνηση της προγνωστικής ικανότητάς του, όσον αφορά το αστικό θερμικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του WRF (σε πλέγμα χωρικής ανάλυσης 1 km) σε συνδυασμό με ένα τροποποιημένο σχήμα αστικής παραμετροποίησης έδειξαν ότι το μοντέλο μπορεί να αναπαραγάγει τις κύριες διαφοροποιήσεις εντός του αστικού ιστού, αναφορικά με την επιφανειακή θερμοκρασία (RMSE ∼2.4 K) και τη θερμοκρασία αέρα κοντά στο έδαφος (RMSE ∼1.7 K).In this PhD thesis, a multifaceted study of the thermal environment of Athens was conducted. The motivation of the research work was to assess the influence of urban form and function on the urban thermal environment. The work was carried out primarily by applying and developing satellite remote sensing techniques, and to a lesser extent via Geographical Information Systems (GIS) methodologies and the implementation of numerical simulations. The current satellite systems do not have the synchronous spatial and temporal frequency which is needed in a detailed study of intra-urban variability. To this end, an improvement of the standard statistical downscaling methodologies was firstly developed, where LST is disaggregated based on its relationship with surface parameters. The downscaling was accomplished using multiple predictor variables, high resolution land cover-based emissivity values, and assessing various linear and non-linear regression algorithms. It was applied to sharpen the thermal observations of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) from 1 km to 100 m. It was found that the suggested downscaling method —using the ridge regression downscaling algorithm— produced a robust, spatially sharpened LST, with an average Root Mean Square Error (RMSE) less than 2 K and a consistent better performance compared to the reference methods. At the next stage, the urban form, function, and energy fluxes were mapped at a high resolution (100 m) and subsequently combined in an urban heat exposure indicator. Utilizing a wide range of spatial data, a full description of the building environment was accomplished, as well as the derivation of the building height to road width ratio —urban canyon aspect ratio (H/W)— at street level. Next, using the downscaled satellite-derived LST from the first part of the study and meteorological observations, the sensible (QH) and latent heat flux (QE) were calculated, applying the “aerodynamic resistance” methodology. To assess the accuracy of the calculations, micrometeorological observations; an overall RMSE error of ∼45 Wm2 for QH and ∼15 Wm2 for QE was obtained. From the above turbulent fluxes, the Bowen ratio β = QH/QE was subsequently derived. To determine the anthropogenic heat flux (QF) a new algorithm was developed, combining the “bottom-up” and “top-down” methodologies, adapted to the available data for the study area. Particularly high anthropogenic heat emissions were found for the city center (QF > 100 W/m2). Subsequently, the above urban parameters (H/W, β και QF) together with the net heat storage (ΔQs) were integrated into the proposed Urban Heat Exposure (UHeatEx) indicator through Principal Component Analysis (PCA). The indicator outlined the diverging thermal quality of the different building blocks in Athens and thereby can be valuable to urban planning adaptation responses. Moreover, UHeatEx managed to highlight the city-specific features of the urban form and energy budget of the city, which to a great extent could not be captured by the classification of the Local Climate Zones (LCZ). At the final stage of the study, focus was shifted to the study of the integrated neighborhood-scale effect (1 km) on the urban thermal climate. Specifically, it was initially assessed how basic urban morphological parameters —the impervious fraction, the building fraction, and the building height— are interlinked to the surface temperature variations, as captured by a spaceborne sensor (MODIS). To promote the generalization of conclusions, in addition to Athens, 24 additional European cities were examined. The statistical analysis showed that the closely spaced and high-rise buildings have generally a weak positive or even a negative relation to LST in daytime and a strong positive effect at night. This finding was significantly pronounced for Athens, where further urban parameters were also evaluated and the results were linked to the LCZs classes. Next, urban form and function of Athens were incorporated in the WRF model to study its predicting ability of the thermal environment. Using WRF along with a modified urban parameterization scheme (at a 1 km grid), results indicated that the prevailing intra-urban spatial patterns can be reproduced in the simulations, regarding the surface temperature (RMSE ∼2.4 K) and the near-surface air temperature (RMSE ∼1.7 K)