Cubiertas urbanas y comportamiento térmico en escenarios de temperaturas extremas: del dato al geoservicio

Abstract

Las tendencias de los episodios de temperaturas extremas en las ciudades están aumentando (en frecuencia, magnitud y duración) debido al cambio climático en interacción con el efecto urbano. Otro factor relevante es que más de la mitad de la población mundial reside actualmente en áreas urbanas y se espera que esta tendencia demográfica aumente hasta un 68% a mediados de siglo. Ante esta creciente urbanización, los posibles impactos del cambio climático en las zonas urbanas se han convertido en una de las principales preocupaciones y, a su vez, un reto. Las morfologías urbanas y las propiedades térmicas de los materiales utilizados para construirlas son factores que influyen en la variabilidad climática espacial y temporal y se convierten en uno de los principales motivos de la singularidad urbana. El principal impacto en el microclima de las ciudades se caracteriza generalmente por el fenómeno de isla de calor urbano, que se refiere a que las áreas urbanas tienden a ser más cálidas que sus alrededores periurbanos y rurales, particularmente durante la noche, a consecuencia del calentamiento diferencial debido a su propia morfología y materiales. Se espera que el calentamiento global amplifique esta vulnerabilidad térmica, haciendo que los habitantes de las ciudades estén más expuestas a sufrir patologías asociadas a las elevadas temperaturas. Barcelona y su área metropolitana constituyen un buen ejemplo de megaciudad costera mediterránea (ciudades portuarias con una población superior a 1 millón de habitantes) y ya están siendo gravemente afectadas por estos efectos de acumulación de calor y al mismo tiempo de contaminación lumínica, acústica y en particular la atmosférica asociada a la actividad socioeconómica en un ecosistema con muy alta densidad de población y movilidad. El objetivo general de la tesis consiste en entender y modelizar la complejidad del comportamiento térmico urbano como herramienta de soporte a la toma de decisión. Una complejidad singular que modifica el clima provocando, en nuestras latitudes, una elevada vulnerabilidad a las altas temperaturas que se agravará debido al cambio climático global. Un segundo objetivo asociado al hecho de que se trata de un doctorado industrial, consiste en la elaboración de productos en base a las propiedades térmicas de las cubiertas urbanas y a los distintos escenarios de temperatura, transferibles como geoservício preoperacional o productivo al Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. En primer lugar, se presentan diferentes metodologías para evaluar el efecto urbano y periurbano sobre la exposición a temperaturas extremas en Barcelona. Para ello se parte de la clasificación de Zonas Climáticas Locales o Local Climate Zones (LCZ) como enunciado base. Las LCZ consisten en un sistema de estandarización propuesto por Stewart y Oke (2012) para áreas urbanas y periurbanas clasificadas según sus respuestas térmicas. Cada categoría o uso del suelo es medible y comparable a partir de una combinación de parámetros geométricos, térmicos, radiativos y metabólicos que la caracterizan. En esta clasificación, las propiedades definidas de cada uso del suelo están directamente ligadas a una perspectiva térmica que permite estudiar los efectos del clima urbano con más detalle espacial y temporal. Las LCZ cartografiadas para nuestra región de interés, se introdujeron como entrada del modelo climático UrbClim, de alta resolución (100x100m), para crear series de temperaturas diarias (mediana y máxima) para el verano (1987-2016), con el fin de elaborar una cartografía de extremos asociada a las altas temperaturas. Utilizando la relación entre la mortalidad asociada a temperaturas elevadas y la distribución de la temperatura, se obtuvo la exposición al calor para cada LCZ que se combinó con datos poblacionales con el fin de crear mapas de vulnerabilidad climática. Todo ello se aplicó para el período climático observado y para finales de siglo 2071-2100 teniendo en cuenta los escenarios RCP 4.5 y RCP 8.5. En segundo lugar, y aprovechando las cartografías obtenidas de las LCZ, el trabajo aquí presentado se centró en mejorar los estándares propuestos en el ADN de las LCZ de Stewart y Oke (2012). La finalidad era la de mejorar los parámetros de entrada del modelo de dosel urbano WRF BEP+BEM y así mostrar la efectividad de los techos fríos y la vegetación en la reducción de la temperatura en el Área Metropolitana de Barcelona. Para hacerlo posible, se creó un flujo de trabajo centrado en la obtención de parámetros urbanos tales como el consumo de energía de los edificios y el calor antropogénico generado por los sistemas de aire acondicionado, la geometría de los cañones de las calles y los edificios, así como las características de la superficie (por ejemplo, albedo, capacidad calorífica, emisividad, fracción urbana y de vegetación). Los métodos se validaron para la ola de calor ocurrida en julio de 2015 durante la cual las temperaturas se mantuvieron entre 30 y 40°C durante cinco días consecutivos. Luego se simularon tres escenarios potenciales: 1) aumentando el albedo de cubiertas a 0.85 para ciertas clases urbanas, 2) aumentando el verde urbano en 255.64 ha adicionales de acuerdo con la propuesta del Plan Director Urbanístico de 2030 con dos esquemas de riego diferentes y 3) combinando las dos estrategias de mitigación (1 y 2). Los resultados, han permitido comprender muy bien el detalle del entramado urbano de nuestra región de estudio. Se han integrado en este estudio capas cartográficas de geoinformación que nos ha permitido comprender y modelizar íntegramente el comportamiento térmico, ya sea desde un enfoque climático o meteorológico. Gracias a estas mejoras en las cubiertas urbanas y sus propiedades, se ha podido caracterizar el entramado con el objetivo de poder hacer propuestas de mitigación y mejorar la resiliencia de la ciudad (disminuir su vulnerabilidad) en un entorno de cambio climático presente y futuro.

This thesis has been based on understanding and addressing the complexity of the urban framework and the important role that roofs and other anthropogenic factors play in the urban climate. A unique complexity that modifies the climate causing a greater vulnerability to high temperatures in our latitudes. However, there is still a lack of knowledge of the dynamics of all the processes and interactions observed in the urban boundary layer, as has been explained previously. As a result of these limitations, focusing mainly on the urban framework, this doctoral thesis is intended to advance this line of research. As this thesis is the result of an industrial doctorate (ID) with the Cartographic and Geological Institute of Catalonia (ICGC), its objective seeks operational applicability. In essence it envisages the development of a chain of methodological value based on the creation of workflows and programs that can be used and replicated on cartographic and remote sensing products. The aim is to improve the characterization of an urban and peri-urban region, in this case the Metropolitan area of Barcelona, by applying sustainable mitigation proposals to climate change. From an ID perspective, the first part satisfies the company or entity that finances, in this case the ICGC. The second part focuses mainly on university research based on the exercise of publishing and presenting results and methodologies obtained intended to be accepted within the international scientific community. To do this it is necessary to understand and advance in the knowledge of the Metropolitan Area of Barcelona (also applicable in other regions of the world), identifying the role of roofs and urban fractions, as well as their interrelationship with extreme temperatures. The goal is to alleviate the aforementioned effects by means of more sustainable proposals in a climate change context. Knowing that this is a subject which leads us to a great challenge at all levels, not only scientific but also political and educational.