Mapping urban climate and air quality for city planning, from multi-scale modeling to real-time air sensing

Urban planning is facing the environmental questions posed by climate change and air pollution in urbanized and increasingly crowded areas in both the developed and developing world: how can cities alleviate their responsibility and address proper measures? While current studies are exploring mitigation and particularly adaptation solutions to be applied to target locations, data and urban models are mostly available at the regional/city level, with little information available at the local/neighborhood level, and the “people's level”. However, new available sensing technologies are pushing a paradigm shift: from traditional top-down climate/environmental modeling and scarce governmental monitoring to innovative diffused sensor networks and participatory sensing scenarios. The opportunities for spatial and environmental planning are vast: mapping at a local scale and at a fine-grained resolution can enhance UHI and pollution concentration studies, and allow hotspots spatial and temporal variation studies. In addition, real-time information supports the creation of an urban smart information platform for interdisciplinary communication and collaboration, ultimately used by planners and decision makers, for planning more sentient, resilient, and responsive cities. The research aims to investigate the potential of mapping urban climate and air quality with the help of air sensing; mapping by air sensing can be a way of transferring the climatic and environmental knowledge into planning languages, bridging the gap between urban climatology, meteorology, air studies, city planning and urban design. Limits of air sensing, in its technology and cost, are the biggest barriers for current planning processes. Therefore, exploring air sensing opportunity, obstacles and strategies to overcome them, and providing recommendations for its integration into urban planning, is the final scope of this research.

La pianificazione urbana si trova ad affrontare le sfide determinate dai cambiamenti climatici e dall’inquinamento urbano in città sempre più affollate, sia nei contesti emergenti sia in quelli consolidati. Ondate di calore e malattie respiratorie affliggono la salute e la qualità di vita dei cittadini. Come pianificare un’efficace risposta? In primo luogo mappando, ovvero aumentando la conoscenza a livello locale. Tuttavia il mapping è limitato dall’esistente gap di comunicazione tra la pianificazione e la conoscenza settoriale (climatologia, scienze ambientali, epidemiologia). Esiste inoltre un gap di scala: mentre soluzioni di mitigazione e, in particolare di adattamento, sono studiate a scala prevalentemente locale, i modelli sono disponibili a scala vasta, e non consentono una mappatura a scala di quartiere, delle persone. Quali strumenti suggerire quindi alla pianificazione al fine di mappare e migliorare il clima urbano e la qualità dell’aria della città? Il sensing, l’interpretazione dell’osservazione diretta a scala locale, potrebbe fornire una soluzione, attraverso l’ipotesi di una rete di sensori pervasiva e diffusa nella città. Infatti, grazie ai recenti avanzamenti della tecnologia e l’abbassamento dei costi, da poche precise stazioni di monitoraggio è possibile pensare ad un drastico cambio di paradigma dal modeling verso il sensing: la costituzione di una rete intelligente di sensori diffusa nella città, e che apre a nuova conoscenza e a scenari partecipativi, grazie al potenziale coinvolgimento dei cittadini che diventano attori consapevoli. Come usare quindi il sensing? L’impatto e le opportunità per la pianificazione urbana e ambientale sono vaste: una mappatura del clima urbano e della qualità dell’aria, ad alta risoluzione e a scala locale, ha la potenzialità di contribuire a studi urbani sulla concentrazione di inquinanti e calore nell’ambiente urbano, consentendo analisi su variazioni spaziali e temporali di eventuali hotspots urbani. Essendo inoltre i dati raccolti in real-time, è possibile immaginare la creazione di una piattaforma intelligente per una comunicazione e collaborazione interdisciplinare, utile a vari attori, pianificatori, decisori, cittadini, contribuendo alla finalità ultima di pianificare città resilienti, “sensienti” e “responsive”. La ricerca ha inteso quindi esplorare le opportunità del sensing nella mappatura del clima urbano della qualità dell’aria: mappare tramite sensing potrebbe configurarsi come un modo per trasferire la conoscenza climatica e ambientale nel linguaggio della pianificazione, migliorando scala e risoluzione del modeling, e colmando l’esistente gap tra climatologia, meteorologia, studi ambientali sull’aria, pianificazione e disegno urbano. Esplorare l’impatto sulla pianificazione, come può essa beneficiare dal city sensing, include anche la ricerca del possibile coinvolgimento e partecipazione dei cittadini, spinto dal crescente interesse per le tematiche ambientali, della salute e della qualità della vita urbana. I limiti dell’air sensing, tra i quali la tecnologia e i costi, sono le principali barriere per l’utilizzo diffuso allo stato attuale in ambito urbano. Pertanto, oltre ad evidenziare le opportunità, la ricerca mira a esplorare potenziali ostacoli e le strategie per superarli, fornendo raccomandazioni per anticiparne una sua futura integrazione negli strumenti della pianificazione.