Multiscale modelling to understand the influence of green infrastructure on temperature and atmospheric carbon capture

Abstract

Les infraestructures verdes (IV) es refereixen a les zones naturals i seminaturals dissenyades i gestionades estratègicament per millorar la biodiversitat i proporcionar diversos serveis eco sistèmics. La implementació i expansió de les IV constitueix una solució basada en la natura capaç de mitigar el canvi climàtic i adaptar les zones urbanes a aquest. Aquest enfoc multifuncional contribueix a la regulació dels impactes ambientals en diverses escales espacials, promovent el benestar humà. En les zones urbanes, la IV, com els arbres dels carrers i els parcs urbans, redueixen les temperatures i l'estrès tèrmic percebut gràcies als mecanismes de transpiració i ombreig. A escala regional, els ecosistemes naturals contribueixen significativament a mitigar el canvi climàtic en capturar i retenir el diòxid de carboni atmosfèric, contrarestant parcialment les emissions antropogèniques d'aquest gas d'efecte hivernacle. Malgrat aquests beneficis, la creixent freqüència i intensitat dels fenòmens climàtics extrems, com les onades de calor i les sequeres en mig del canvi climàtic, plantegen reptes significatius pel funcionament dels ecosistemes. Aquests fenòmens poden comprometre la capacitat de la IV per prestar serveis ecosistèmics essencials tant a l'escala urbana com regional. La ocurrència simultània d'onades de calor i sequeres afecta profundament els fluxos de diòxid de carboni entre l'atmosfera i els ecosistemes. A més, les sequeres dificulten la capacitat de transpiració de les fulles, disminuint el refredament de la IV urbana. D'altra banda, els efectes dels fenòmens climàtics extrems depenen en gran mesura del tipus de cobertura del sòl, i produeixen respostes diferents en la vegetació natural i els cultius. Això és rellevant ja que la implementació de l'agricultura peri-urbana (peri-UA) està guanyant gran atenció, degut al seu paper multifuncional. Malgrat que l'agricultura de regadiu pot proporcionar reduccions de temperatura a escala regional durant l'estació seca, alleujant potencialment els efectes de les onades de calor en zones urbanes properes, no s'han de menystenir altres contrapartides associades a l'agricultura peri-urbana, com les elevades necessitats d'aigua, les emissions de gasos d'efecte hivernacle derivades de l'ús de fertilitzants minerals i el desplaça ment de la vegetació natural que proporciona altres serveis ecosistèmics crucials. Aquesta tesi pretén determinar la capacitat de la IV per proporcionar una regulació local de la temperatura, reduir l'estrès tèrmic percebut pels humans, i capturar diòxid de carboni atmosfèric, especialment sota la influència d'onades de calor i sequeres. L'estudi abasta tres escales espacials: carrer/barri, ciutat i regió. L'aspecte innovador d'aquesta recerca rau en la millora, optimització, combinació i implementació de diversos models numèrics en un enfocament multiescalar en tres casos d'estudi diferents: el districte de l'Eixample de Barcelona, l'Àrea Metroopolitana de Barcelona (AMB) i el sud-oest d'Europa. Aquesta tesi està estructurada per respondre a les següents preguntes de recerca: A escala de carrer i de barri: Pregunta 1. Com afecten els arbres del carrer al refredament de l'aire i a l'intercanvi de radiació en una ciutat molt compacta? Pregunta 2. Com influeixen els arbres en l'estrès tèrmic exterior durant les onades de calor en una ciutat molt compacta? A escala de ciutat: Pregunta 3. Quin és el paper de la IV urbana en la regulació de la temperatura local en una ciutat costera mediterrània? Pregunta 4. Pot l'expansió de la peri-UA tenir efectes mesurables en la regulació de la temperatura local i la captura de carboni atmosfèric? A escala regional: Pregunta 5. Quin és l'impacte dels episodis de calor i sequera en la captura de carboni biogènic dels ecosistemes del sud-oest d'Europa?

Las infraestructuras verdes (IV) hacen referencia a las zonas naturales y seminaturales diseñadas y gestionadas estratégicamente para mejorar la biodiversidad y proporcionar diversos servicios ecosistémicos. La implementación y expansión de las IV constituye una solución basada en la naturaleza capaz de mitigar el cambio climático y adaptar las zonas urbanas a él. Este enfoque multifuncional contribuye a la regulación de los impactos ambientales en varias escalas espaciales, promoviendo el bienestar humano. En las zonas urbana, la IV, como los árboles de las calles y los parques urbanos, reducen las temperaturas y el estrés térmico percibido gracias a los mecanismos de transpiración y sombreado. A escala regional, los ecosistemas naturales contribuyen significativamente a mitigar el cambio climático al capturar y retener el dióxido de carbono atmosférico, contrarrestando parcialmente las emisiones antropogénicas de este gas de efecto invernadero. A pesar de estos beneficios, la creciente frecuencia y intensidad de los fenómenos climáticos extremos, como las olas de calor y las sequías en medio del cambio climático, plantean retos significativos para el funcionamiento de los ecosistemas. Estos fenómenos pueden comprometer la capacidad de la IV para prestar servicios ecosistémicos esenciales tanto a escala urbana como regional. La ocurrencia simultánea de olas de calor y sequías afecta profundamente a los flujos de dióxido de carbono entre la atmósfera y los ecosistemas. Además, las sequías dificultan la capacidad de transpiración de las hojas, disminuyendo el enfriamiento de la IV urbana. Por otra parte, los efectos de los fenómenos climáticos extremos dependen en gran medida del tipo de cobertura del suelo, y producen respuestas diferentes en la vegetación natural y en los cultivos. Esto es relevante ya que la implementación de la agricultura periurbana (peri-UA) está ganando gran atención, debido a su papel multifuncional. A pesar de que la agricultura de regadío puede proporcionar reducciones de temperatura a escala regional durante la estación seca, aliviando potencialmente los efectos de las olas de calor en zonas urbanas cercanas, no deben despreciarse otras contrapartidas asociadas a la agricultura periurbana, como las elevadas necesidades de agua, las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas del uso de fertilizantes minerales y el desplazamiento de la vegetación natural que proporciona otros servicios ecosistémicos cruciales. Esta tesis pretende determinar la capacidad de la IV para proporcionar una regulación local de la temperatura, reducir el estrés térmico percibido por los humanos, y capturar dióxido de car bono atmosférico, especialmente bajo la influencia de olas de calor y sequías. El estudio abarca tres escalas espaciales: calle/barrio, ciudad y región. El aspecto innovador de esta investigación radica en la mejora, optimización, combinación e implementación de diversos modelos numéricos en un enfoque multiescalar en tres casos de estudio distintos: el distrito del Eixample de Barcelona, el Área Metropolitana de Barcelona (AMB) y el suroeste de Europa. Esta tesis está estructurada para responder a las siguientes preguntas de investigación: A escala de calle y de barrio: Pregunta 1. ¿Cómo afectan los árboles al enfriamiento del aire y al intercambio de radiación en una ciudad muy compacta? Pregunta 2. ¿Cómo influyen los árboles en el estrés térmico exterior durante las olas de calor en una ciudad muy compacta? A escala de ciudad: Pregunta 3. ¿Cuál es el papel de la IV urbana en la regulación de la temperatura local en una ciudad costera mediterránea? Pregunta 4. ¿Puede la expansión de la peri-UA tener efectos medibles en la regulación de la temperatura local y la captura de carbono atmosférico? A escala regional: Pregunta 5. ¿Cuál es el impacto de los episodios de calor y sequía en la captura de carbono biogénico de los ecosistemas del suroeste de Europa?

Green infrastructures (GI) refer to natural and semi-natural areas strategically designed and managed to enhance biodiversity and provide diverse ecosystem services. The implementation and expansion of GI stands as a nature-based solution for mitigating and adapting urban areas to climate change. This multifunctional approach contributes to the regulation of environmental impacts at various spatial scales, thereby promoting human well-being. In urban areas, GI, as street trees and urban parks, reduce urban temperatures and human thermal stress due to mechanisms of transpiration and shading. At the regional scale, natural ecosystems contribute significantly to climate change mitigation by capturing and retaining atmospheric carbon dioxide, thus counteracting partially anthropogenic emissions of this greenhouse gas. Despite these benefits, the increasing frequency and severity of extreme climate events, such as heat waves and droughts amidst of changing climates, pose significant challenges to ecosystem functioning. These events can compromise the ability of GI to deliver essential ecosystem services at both urban and regional scales. The concurrent occurrence of heat waves and droughts profoundly impacts ecosystem-atmosphere carbon dioxide fluxes. Additionally, droughts hamper leaf transpiration, diminishing the cooling capacity of urban GI. Moreover, the impacts of extreme climate events are highly dependent on the land cover type, producing different responses on natural vegetation and croplands. This is relevant as the implementation of peri-urban agriculture (peri-UA) is gaining high attention, due to its multifunctional role. Despite irrigated agriculture can provide with regional temperature reductions during the dry season potentially alleviating the effects of heat wave events on nearby urban areas, other trade-offs associated with peri-UA must not be disregarded, as the high water requirements, the emissions of greenhouse gases from the use of mineral fertilizers, and the displacement of natural vegetation that provide other crucial ecosystem services. This thesis seeks to determine the capacity of GI to provide local temperature regulation, reduce human thermal stress, and capture atmospheric carbon dioxide, especially under the influence of heat waves and droughts. This study spans three spatial scales: street/neighbourhood, city, and regional scales. The innovative aspect of this research lies in enhancing, optimizing, combining, and implementing diverse numerical models in a multiscale approach in three distinct case studies- the Eixample district of Barcelona, the Metropolitan Area of Barcelona (AMB), and south-western Europe. This thesis is structured to answer the following research questions: At street and neighbourhood scale: RQ1. How do street trees impact air-cooling and radiation exchange within a highly-compact city? RQ2. How do street trees impact outdoor thermal stress during heat waves in a highly-compact city? At city scale: RQ3. What is the role of urban GI in local temperature regulation in a coastal Mediterranean city? RQ4. Can the expansion of peri-UA have measurable effects on local temperature regulation and atmospheric carbon capture? At regional scale: RQ5. What is the impact of heat and drought events on the biogenic carbon capture of ecosystems in the south-western European region?