A framework for the representation of the urban environment and the assessment of its microclimatic variation

Abstract

Im Moment steht die Forschung im Bereich der urbanen Hitzeinsel-Effekt (UHI-Phänomen) vor einer ganzen Reihe von Herausforderungen. So sind beispielsweise vertiefende Messreihen des Mikroklimas zum besseren Verständnis der beeinflussenden Faktoren erforderlich. In der bestehenden Forschung wird weitgehend konsensual davon ausgegangen, dass Veränderungen des urbanen Mikroklimas weitreichende Auswirkungen auf den thermischen Komfort der Stadtbewohner, die lokale Luftqualität, den Energiebedarf der Gebäude und sogar auf die Mortalitätsrate in Städten haben können. Das UHI-Phänomen wird als zu einem Teil anthropogen verschuldet betrachtet, vor allem durch die Veränderungen in der Nutzung von Flächen (Städtische Dichte, Versiegelung, Verringerung des Anteils and Grünflächen und freien Wasseroberflächen) und durch Emissionen (in Folge von Raumheizung, Verkehr, etc.). Problematisch ist, dass es kaum valide Daten und Studien über den Zusammenhang dieser beeinflussenden Faktoren und den Auswirkungen in Form von urbanen Hitzeinseln gibt. In diesem Kontext befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Ausmaß und den Implikationen des UHI-Phänomens in der österreichischen Bundeshauptstadt Wien. Es werden die Ergebnisse von mehrjährigen Bemühungen zur Fassung und Ursachenforschung des Phänomens präsentiert. Für 5 unterschiedliche Messbereiche in Wien (vorstädtische und dicht-verbaute innerstädtische Bereiche) wurden hochauflösende Daten erhoben, strukturiert und analysiert. Aus der Datenbasis wurden methodisch Parameter identifiziert, die einen potentiellen Einfluss auf das UHI-Phänomen haben könnten. Dabei handelt es sich sowohl um geometrische (morphologische) wie auch semantische (material-bedingt) Faktoren der urbanen Umgebung. Nach der Identifikation der Parameter wurden diese auf Korrelation mit dem Auftreten von UHI-Effekten untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können für die Entwicklung von generellen Einfluss- und Vorhersagemodellen für den urbanen Hitze-Insel- Effekt verwendet werden. Diese dieser Dissertation zugrunde liegenden Ergebnisse wurden im Rahmen eines - kürzlich abgeschlossenen - EU-Projektes (Central Europe Program, No 3CE292P3) ermittelt. Die methodische Identifikation potentieller Einflussfaktoren aud das UHI-Phänomen kann als Resultat der in dem Forschungskonsortium durchgeführten internationalen und im Team durchgeführten Bemühungen betrachtet werden.

A number of recent challenges in the realm of microclimatic studies are set on a better understanding of the Urban Heat Island (UHI) phenomenon. Particularly, UHI is believed to be a characteristic consequence of urban microclimate evolution. Changes in urban microclimate, and corresponding higher air temperatures within urban domains, are believed to have cardinal consequences on the issues such as the thermal comfort of the city dwellers, mortality rate, local air quality, and energy demand of buildings. Generally speaking, the undesired thermal circumstances in the urban environment are caused in part by human-induced changes introduced in land use and land cover (building agglomeration density, presence and extent of green areas and bodies of water), and corresponding environmental emissions (anthropogenic heat production). Currently, there is a lack of practical assessment approaches focusing on the formation of UHI while considering a relatively comprehensive range of factors of the built environment. In this context, the present contribution summarizes the results of a multiyear effort concerned with the extent and implications of the UHI phenomena in the city of Vienna, Austria. For this purpose, high-resolution data streams across five key locations are obtained, structured, and analyzed. This allowed for an objective assessment of the locationdependent manifestations of microclimatic circumstances across distinct low-density suburban and high-density urban typologies in Vienna. Subsequently, a systematic framework is developed to identify essential properties of the urban environment that are hypothesized to influence UHI and the urban microclimate variation. These properties pertain to both geometric (morphological) and semantic (material-related) urban features. Once these features are derived, the existence and extent of the correlations between urban microclimate variation and the urban features are explored. These statistically significant correlations further provided a useful basis toward developing empirically-based predictive models. These models are expected to support the understanding and prediction of local differences in the urban climate. The contribution presented in this dissertation was developed within the framework of a - recently completed - European project (Central Europe Program, No 3CE292P3). The framework was developed in part through extensive collaboration among the project team members and represents a valuable resource of scientific information on the links between the urban microclimate variation and essential driving factors to this variation.