Μετριασμός της αστικής θερμικής νησίδας με πράσινες υποδομές
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Urban heat island mitigation by green infrastructure in European Functional Urban Areas
Συγγραφείς: Federica Marando, Mehdi P. Heris, Grazia Zulian, Angel Udías, Lorenzo Mentaschi, Nektarios Chrysoulakis, David Parastatidis, Joachim Maes
Πηγή: Sustainable Cities and Society, Volume 77, February 2022, 103564
Λέξεις κλειδιά: Υπηρεσίες οικοσυστημάτων (ecosystem services), πράσινες υποδομές (urban green infrastructure), αστική θερμική νησίδα (urban heat island), ρύθμιση μικροκλίματος (microclimate regulation), nature-based solutions
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210670721008301
Αντικείμενο έρευνας
Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας ή Urban Heat Island (UHI) είναι ένας από τους πιο επιβλαβείς περιβαλλοντικούς κινδύνους για τους κατοίκους των πόλεων. Η κλιματική αλλαγή αναμένεται να αυξήσει την ένταση του φαινομένου UHI. Στο πλαίσιο αυτό, η εφαρμογή αστικών πράσινων υποδομών (UGI) μπορεί να μειώσει εν μέρει την ένταση του φαινομένου UHI, προωθώντας ένα ανθεκτικό αστικό περιβάλλον και συμβάλλοντας στην προσαρμογή στην κλιματική αλλαγή και στον μετριασμό της. Για την επίτευξη αυτού του αποτελέσματος, υπάρχει ανάγκη συστηματικής ενσωμάτωσης των UGI στον αστικό σχεδιασμό και τη νομοθεσία, αλλά η διαδικασία αυτή εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα ευρέως εφαρμόσιμων, εύκολα προσβάσιμων και ποσοτικών στοιχείων. Για να προσφέρουμε μια μεγάλη εικόνα της έντασης της αστικής θερμότητας και των δυνατοτήτων μετριασμού των υψηλών θερμοκρασιών, αναπτύξαμε ένα μοντέλο που αναφέρει την Οικοσυστημική Υπηρεσία της ρύθμισης του μικροκλίματος των UGI σε 601 ευρωπαϊκές πόλεις. Το μοντέλο αυτό προσομοιώνει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ενός βασικού σεναρίου και ενός σεναρίου χωρίς βλάστηση, προεκτείνοντας το ρόλο των αστικών πράσινων υποδομών στον μετριασμό της UHI, σε διαφορετικά αστικά περιβάλλοντα. Τέλος, εκπονήθηκε ένας πρακτικός, ποσοτικός δείκτης που μπορεί να εφαρμοστεί από τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και τις διοικήσεις των πόλεων, επιτρέποντας την εκτίμηση της ποσότητας της αστικής βλάστησης που απαιτείται για την ψύξη των θερινών θερμοκρασιών κατά ένα ορισμένο βαθμό. Διαπιστώθηκε ότι οι αστικές πράσινες υποδομές δροσίζουν τις ευρωπαϊκές πόλεις κατά 1,07 °C κατά μέσο όρο, και μέχρι 2,9 °C, αλλά για να επιτευχθεί μείωση της αστικής θερμοκρασίας κατά 1 °C, απαιτείται δενδροκάλυψη τουλάχιστον 16%.
Γενικές πληροφορίες
Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας (UHI) μπορεί να περιγραφεί ως ένα ξεχωριστό αστικό κλίμα, το οποίο χαρακτηρίζεται από υψηλότερες θερμοκρασίες σε πυκνοδομημένες περιοχές σε σύγκριση με τις γύρω περιοχές (Oke, 1982). Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από την ανθρωπογενή αλλοίωση του φυσικού περιβάλλοντος, όπως η ανάπτυξη κτιρίων και αδιαπέρατων επιφανειών. Οι αλλαγές αυτές καθορίζουν μια υψηλότερη θερμοχωρητικότητα η οποία παγιδεύει περισσότερη ενέργεια και ακτινοβολία με επακόλουθη αύξηση της θερμοκρασίας. Η αστική μορφολογία μπορεί επίσης να επηρεάσει, αυξάνοντας την πολλαπλή τροφοδοσία της ακτινοβολίας βραχέων κυμάτων και παγιδεύοντας την ακτινοβολία μακρών κυμάτων, με αποτέλεσμα την εντατικοποίηση της αποθήκευσης θερμότητας στην πόλη. Επιπλέον, οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες, όπως η θέρμανση και οι μεταφορές, αυξάνουν περαιτέρω την ποσότητα θερμότητας που εκλύεται στις αστικές περιοχές, σε σύγκριση με το φυσικό τοπίο (Zhou, Rybski & Kropp, 2017). Η έκταση και η κατανομή της UHI μπορούν να εκτιμηθούν τόσο μέσω της θερμοκρασίας του αέρα όσο και μέσω των δεδομένων της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους (LST). Η πρώτη προσέγγιση μετράει, συνήθως με μετεωρολογικούς σταθμούς παρακολούθησης, τη θερμοκρασία από το έδαφος μέχρι το ύψος των δέντρων, το «στρώμα του θόλου» (Schwarz, Schlink, Franck & Großmann, 2012). Η δεύτερη προσέγγιση μετρά τη θερμοκρασία της επιφάνειας της γης, η οποία ανακτάται μέσω δορυφορικών ή εναέριων αισθητήρων. Το πλεονέκτημα της χρήσης των μετρήσεων της θερμοκρασίας του αέρα συνίσταται στο γεγονός ότι μπορούν να παρέχουν αντιπροσωπευτικές και χρονικά συνεχείς πληροφορίες UHI, αλλά η παρουσία μετεωρολογικών σταθμών στην επικράτεια είναι συχνά περιορισμένη. Από την άλλη πλευρά, η εκτίμηση της LST επιτρέπει μια χωρικά ρητή ανάλυση της θερμοκρασίας, αλλά παρ' όλα αυτά αποτελεί μια έμμεση εκτίμηση της UHI, της λεγόμενης «Επιφανειακής Αστικής Θερμικής Νησίδας» (SUHI) (Clinton & Gong, 2013- Oke, Mills, Christen & Voogt, 2017). Οι μελέτες με βάση την LST είναι όλο και πιο διαδεδομένες, λόγω των πρακτικών εφαρμογών, της αμεσότητας και της διαθεσιμότητας αισθητήρων χωρίς κόστος, ιδίως όταν υπάρχει η ανάγκη διεξαγωγής αναλύσεων σε περιφερειακή ή ακόμη και παγκόσμια κλίμακα (Ottlè et al., 1992).
Περιοχή μελέτης
Ο ρόλος των UGI στη μείωση της θερμοκρασίας του αέρα εκτιμήθηκε για 601 λειτουργικές αστικές περιοχές ή Functional Urban Areas (FUAs) στην ΕΕ-27. Οι FUAs, παλαιότερα γνωστές ως Larger Urban Zones (LUZ), που καθορίστηκαν το 2011 από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή και τον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ), αναπτύσσονται από τη Eurostat ως μέρος των αστικών διοικητικών στατιστικών μονάδων. Οι FUAs επιτρέπουν τη χαρτογράφηση και την αξιολόγηση της πόλης και του άμεσου περιβάλλοντός της, καθώς και τη συγκριτική ανάλυση των πόλεων μεταξύ των κρατών μελών. Αντιπροσωπεύονται από τον πυρήνα της πόλης και τη ζώνη μετακίνησής της και χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της ευρωπαϊκής αστικοποιημένης γης, όπως συνιστάται από τη Eurostat (Dijkstra & Poelman, 2012- EuroStat, 2016- Eurostat, 2017). Τα δεδομένα έχουν ληφθεί από τον ιστότοπο της Eurostat (Eurostat, Urban Audit, 2020, έκδοση 2018).
Δεδομένα και Μεθοδολογία
1. Ανάκτηση LST: Η διαδικασία εκτίμησης της LST από δορυφορικά δεδομένα βασίζεται στη διαθεσιμότητα αισθητήρων θερμικής υπέρυθρης ακτινοβολίας. Δορυφόροι όπως οι Landsat 5, 7 και 8 είναι κατάλληλοι για την εκτίμηση της LST. Στην προκειμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα Landsat-8 OLI TIRS. Τα δεδομένα LST αποκτήθηκαν μέσω της πλατφόρμας Google Earth Engine (GEE), χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο ενός καναλιού που αναπτύχθηκε από τους Parastatidis et al. (2017). 2. Σύνολο δεδομένων θερμοκρασίας αέρα: Λόγω της έλλειψης συνόλων δεδομένων υψηλής ανάλυσης για τη θερμοκρασία του αέρα σε ευρωπαϊκή κλίμακα και λόγω της ανεπαρκούς κάλυψης του υφιστάμενου δικτύου μετεωρολογικών σταθμών, χρησιμοποιήθηκε ένα σύνολο δεδομένων που εκπονήθηκε από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Ντένβερ, το οποίο προέρχεται από τις ημερήσιες μετρήσεις του δικτύου μετεωρολογικών σταθμών NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) στις ΗΠΑ (Heris et al., 2021) για τη δημιουργία ενός προγνωστικού μοντέλου της σχέσης μεταξύ της επιφανειακής θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας του αέρα των ΥΠΑ της ΕΕ. 3. Πληθυσμός: Προκειμένου να εκτιμηθεί το όφελος από τον μετριασμό της θερμοκρασίας που λαμβάνουν οι κάτοικοι των πόλεων, εκτιμήθηκε το ποσοστό του πληθυσμού που κατοικεί σε περιοχές όπου γίνεται ρύθμιση του μικροκλίματος, δηλαδή όπου η ψύξη είναι θετική, και εκφράστηκε σε ποσοστό. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε το σύνολο δεδομένων για την πυκνότητα πληθυσμού του Global Human Settlement layer για το 2015 (έτος έκδοσης: 2019- Freire et al., 2019- Schiavina, Freire & MacManus, 2019), που εκφράζει την κατανομή και την πυκνότητα του οικιστικού πληθυσμού. 4. Μοντέλο μετριασμού του μικροκλίματος: Το βιοφυσικό μοντέλο βασίζεται στην προσαρμογή μιας μεθόδου δύο επιπέδων που αναφέρεται στο Heris et al., 2021: στο πρώτο επίπεδο, αναπτύχθηκε ένα διμεταβλητό μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης για την εκτίμηση της LST, χρησιμοποιώντας την πυκνότητα της δενδροκάλυψης και την ποσότητα του νερού που εξατμίζεται από τους θόλους των δέντρων ως προγνωστικούς παράγοντες. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα δεύτερο μονομεταβλητό μοντέλο για την εκτίμηση της μέγιστης θερμοκρασίας του αέρα ως συνάρτηση δύο προβλεπτικών παραγόντων: της LST που εκτιμήθηκε μέσω του πρώτου μοντέλου παλινδρόμησης και του γεωγραφικού πλάτους. Τέλος, τα δύο μοντέλα συνδυάστηκαν για τον υπολογισμό της ψυκτικής ικανότητας της βλάστησης. 5. Δείκτης ψύξης: Εδώ, προκειμένου να καταστούν τα αποτελέσματα σχετικά με την ψύξη λειτουργικά ως μέσο υποστήριξης της πολιτικής, προτείνεται ένας δείκτης ψύξης, ο οποίος τυποποιεί και συγκεντρώνει τις πληροφορίες που περιλαμβάνονται στην έξοδο του μοντέλου ρύθμισης του μικροκλίματος. 6. Ανάλυση των κινητήριων δυνάμεων της ψύξης: Τέλος, αναλύθηκε αν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των χωρών αναφορικά με τη σχέση μεταξύ της μείωσης της θερμοκρασίας και της αναλογίας των πράσινων υποδομών σε κάθε πόλη.
Αποτελέσματα και συμπεράσματα
Η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει ένα πλήθος πόλεων που χαρακτηρίζονται από έναν βαθμό ετερογένειας στο εσωτερικού τους αλλά και μεταξύ τους. Ως εκ τούτου, το μοντέλο ορίστηκε ώστε να είναι απλό και εύκολα επεκτάσιμο/εφαρμόσιμο σε μια ευρεία χωρική περιοχή. Για το σκοπό αυτό, ένα μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης με δύο προγνωστικούς παράγοντες αξιολογήθηκε ως το καταλληλότερο από άποψη κόστους/οφέλους. Πριν από την επιλογή αυτών των προβλεπτικών παραγόντων, δοκιμάστηκαν και άλλες πρόσθετες μεταβλητές, όπως το υψόμετρο, η αδιαπέραστη επιφάνεια, η απόσταση από τη θάλασσα και τα υδάτινα σώματα, οι τύποι εδάφους και κάλυψης γης, ο δείκτης υγρασίας, η πυκνότητα των κτιρίων και ο NDVI. Επίσης, διερευνήθηκαν και άλλοι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης, όπως τα τυχαία δάση και τα δέντρα αποφάσεων. Παρ' όλα αυτά, η αύξηση της πολυπλοκότητας του μοντέλου με περισσότερους προγνωστικούς παράγοντες ή με προσεγγίσεις μηχανικής μάθησης δεν έχει αποδειχθεί ότι αυξάνει παράλληλα την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα του μοντέλου, ενώ από την άλλη πλευρά δημιουργεί προβλήματα αυτοσυσχέτισης ή έλλειψης στατιστικής σημαντικότητας. Η προσέγγιση της παρούσας μελέτης έδειξε ότι τα δέντρα μειώνουν σημαντικά την UHI, με αντίκτυπο που εξαρτάται από την έκταση των χώρων πρασίνου και την ποσότητα διαπνοής στο εσωτερικό μιας πόλης. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι απαιτείται κάλυψη με δέντρα τουλάχιστον 16% για να επιτευχθεί μείωση της μέσης θερινής θερμοκρασίας κατά 1 °C. Οι ενδιαφερόμενοι φορείς και οι διαχειριστές των πόλεων μπορούν να επωφεληθούν από τον δείκτη ψύξης προκειμένου να προβλέψουν καλύτερα τις στρατηγικές μετριασμού της θερμοκρασίας στις πόλεις, με στόχο έναν βιώσιμο και αποτελεσματικό σχεδιασμό. Επί του παρόντος, ένα σημαντικό ποσοστό του αστικού πληθυσμού δεν επωφελείται από την οικοσυστημική υπηρεσία της ρύθμισης του μικροκλίματος, με αποτέλεσμα να είναι ιδιαίτερα εκτεθειμένο στις επιζήμιες επιπτώσεις του UHI, καθώς και σε άλλες μη βιώσιμες περιβαλλοντικές συνθήκες που συχνά χαρακτηρίζουν τις αστικές περιοχές. Οι ιεραρχημένες και στοχοθετημένες παρεμβάσεις πράσινων υποδομών. πρέπει να στοχεύουν στη μείωση της αναντιστοιχίας των οικοσυστημικών υπηρεσιών, ιδίως στις αστικές περιοχές που βρίσκονται σε ξηρές/νότιες περιοχές και στις οποίες η δενδροκάλυψη είναι ανεπαρκής. Άλλωστε, σχεδόν το ένα τρίτο (∼32%) των ευρωπαϊκών FUAs έχει δενδροκάλυψη κάτω από 16%. Τα οικοσυστήματα είναι θεμελιώδεις σύμμαχοι από την άποψη μιας ανθεκτικής στρατηγικής προσαρμογής στην κλιματική αλλαγή στις αστικές περιοχές και η ταχεία εφαρμογή των πράσινων υποδομών αποτελεί σήμερα μια επιτακτική στρατηγική.
