Urban air quality and climate change: vulnerability, resilience and adaptation

Abstract

As cidades, áreas que albergam cerca de 70% da população europeia, enfrentam hoje um conjunto de desafios associados a alterações do metabolismo urbano, que num contexto de alteração climática (AC), afectam o microclima urbano e a qualidade do ar (QA). Compreender a interação entre as AC, qualidade do ar e fluxos urbanos de calor (FUC) é um tópico de investigação emergente, reconhecido como área de interesse para a definição e implementação de políticas locais. O principal objetivo do presente trabalho é promover uma avaliação integrada das interações entre medidas de resiliência urbana e as AC, e respectiva influência no microclima urbano, QA e FUC, tendo como caso de estudo a cidade do Porto (Portugal). Pretende-se ainda impulsionar o desempenho dos modelos numéricos para que estes representem realisticamente os fenómenos físicos que ocorrem nas áreas urbanas. Para atingir este objetivo, o sistema de modelos WRF-SUEWS foi aplicado para a área de estudo para avaliar a influência de diferentes níveis de área urbanizada nas trocas de calor entre a superficie e a atmosfera. O modelo foi validado mediante a comparação dos seus resultados com dados medidos obtidos em campanhas de monitorização de fluxos. A influência das variáveis meteorológicas nos FUC, e a forma como estas, por sua vez, são influenciadas pela superfície urbana foi também avaliada. Para tal, o sistema WRF-SUEWS foi aplicado para 1-ano representativo de um período de clima presente (1986-2005) e de clima futuro de médio prazo (2046-2065). O cenário climático futuro foi projetado tendo por base o cenário RCP8.5. Esta análise permitiu quantificar e mapear os efeitos das AC nos FUC na cidade do Porto. Face à necessidade corrente de aumentar a resiliência urbana a futuros eventos meteorológicos extremos (e.g. ondas de calor), o sistema WRF-SUEWS foi ainda aplicado (com uma resolução espacial de 200 m) para avaliar a influência de medidas de resiliência nos FUC. Conhecendo a importância da morfologia urbana para as características do seu próprio clima, um conjunto de parameterizações urbanas (LSM, SUEWS e UCM) foram analisados para área de estudo, por forma a obter uma representação realista das características urbanas no modelo WRF e, consequentemente, obter um melhor desempenho na modelação da QA à escala local. Os resultados revelaram que o modelo UCM é a parameterização urbana que melhor representa os fluxos turbulentos de calor, a temperatura e velocidade do vento à superfície. Como resultado, o modelo CFD VADIS, inicializado pelo modelo WRF-UCM, foi aplicado com uma elevada resolução espacial (3 m) a um bairro típico da cidade do Porto. As simulações realizadas permitiram caracterizar o estado atual da QA na área de estudo, bem como avaliar a influência de diferentes medidas de resiliência nos padrões de velocidade do vento e na concentração de poluentes atmosféricos (PM10, NOX, CO e CO2). Este trabalho constitui uma ferramenta científica inovadora no que diz respeito ao conhecimento dos processos físicos que ocorrem à escala urbana, proporcionando uma visão integradora entre AC, QA e FUC. Estes resultados são relevantes para o apoio à decisão política do que respeita à implementação de estratégias que permitam aumentar a resiliência urbana, nas suas diversas vertentes, a um clima em mudança

Cities, home of about 70% of the European population, are facing important challenges related to changes in urban structure and its metabolism, and to pressures induced by climate change (CC) effects, which are affecting urban microclimate and air quality. The better understanding of the interactions between CC, air quality and urban surface energy balance (USEB) is an emerging priority for research and policy. The main objective of the current study is to provide an integrated assessment of the interaction between resilience measures and CC effects, and its influence on the urban microclimate and air quality as well as on the USEB, having as case study the city of Porto (Portugal). The ultimate goal is to improve the accuracy of numerical modelling to better represent the physical processes occurring in urban areas. For this purpose, the relevant parameters to both USEB and air quality were analysed. The WRF-SUEWS modelling setup was applied to the study area to assess the influence of different levels of urbanization on the surface-atmosphere exchanges. To validate the modelling setup, the results were compared with measurements carried out on field campaigns. The way of how the meteorological variables affect the USEB and how, in turn, these variables are themselves affected by urban surface was also assessed. The modelling setup was applied for 1-year period statistically representative of a present (1986-2005) and medium-term future (2046-2065) climate. The climate projection was produced under the RCP8.5 scenario. This analysis gives insights of how the urban-surface exchanges will be affected by CC, allowing the mapping of the FUC over the study area. As result of the need of increase cities resilience to future extreme weather events (e.g. heat waves), the WRF-SUEWS model (with a spatial resolution of 200 m), was applied to Porto city to evaluate the influence of a set of resilience measures on the USEB. Knowing the importance of urban surfaces to its own microclimate, a set of urban parameterization schemes (LSM, SUEWS and UCM) were analysed for the study area, to achieve a more accurate representation of urban features in the WRF model and, in consequence, to improve the capability of air quality modelling at urban/local scale. The results point out that the UCM is the urban parameterization that provides a more realistic representation of the turbulent energy fluxes and the near-surface air temperatures and wind speed. As result, a CFD modelling (VADIS), forced by WRF-UCM, was used to provide a set of numerical simulations with a high spatial resolution (3 m) over a typical neighbourhood in the Porto city. These simulations allow the characterization of the current air quality status over the study area, as well as the assessment of the influence of different resilience measures in the wind flow and air pollutants dispersion (PM10, NOX, CO and CO2). Overall, this research work is a step forward in understanding the physics of urban environments, providing also a linkage between CC, air quality and USEB. These findings are highly advantageous to support policy makers and stakeholders helping them to choose the best strategies to mitigate extreme weather events and air pollution episodes and so increase cities resilience to a future climate.