Urban climate modeling. Proposal for automatic retrieving key measures to assess and mitigate the urban heat island effect at the local and the city scale : the case study of Milan (Italy)

Until the early 2000s, urban planning research had no significant contributions in the climate change controversy, despite the drastic changes witnessed in the earth’s climate over time, are mainly driven by cities and urban areas. Nevertheless, a paradigm shift marked the last decade has pushed the scope in urban climate research, from studying the effects of climate change and global warming and their dynamic relationships with urbanization to an increasing interest in the assessment and management policies for combating the climate change. This research aims at bridging urban planning and urban climatology research, through focusing on the significant role of ‘climate-based urban modeling’, in increasing the knowledge on the climate side effects of urban development and the morphology of cities, thus, empowering the crucial role urban planning plays besides urban design in supporting and guiding successful and effective mitigation and adaptation scenarios and assessing the cost and benefits of climate action and policy making in cities. Urban climate modeling has been facing many challenges in terms of data availability and quality as well as the capacity and reliability of the existing models and workflows. Further, the need for standardization of the process for computing relevant urban indices and the possibility of being processed for extensive urban areas has become essential. Accordingly, this work, through the focus on urban heat island as a real manifestation of climate change in urban areas, introduces two main complementary contributions in this regard, grounded on the best use of elevation models and sophisticated GIS techniques, where, on one hand, a simplified and efficient approach for urban canyon modeling, as the most influential parameter on urban microclimates, was developed with various urban climate applications, among which is the identification of high potential wind ventilation corridors across the city of Milan, allowing cold air to penetrate from the surroundings into the warm city. On the other hand, considering the great role of shortwave radiative fluxes in altering the surface energy balance and the possible consequent thermal anomalies, a theoretical integrated approach to improve the capacity and the processing efficiency in 3-D urban solar radiation modeling was introduced; the results have demonstrated the effectivity and relevance of the proposed method in terms of processing efficiency, output spatial resolution and visual communication, to give a comprehensive understanding about the environmental and energetic performance of complex urban fabrics at the micro and local scale; this is also very informative for architects, designers and urban planners while opting for artificial surface covers and urban materials across cities, as explored in the example of central Milan.

Fino all’inizio degli anni 2000, la ricerca nell’ambito urbanistico riguardo il dibattito sul cambiamento climatico, non ha presentato un contributo significativo, nonostante le drastiche alterazioni climatiche siano soprattutto causate dalle città e dalle aree urbane. Tuttavia, un mutamento di pensiero durante l’ultimo decennio, ha incentrato le ricerche urbanistiche sul cambiamento climatico nelle città, iniziando con lo studio degli effetti delle alterazioni climatiche e del riscaldamento globale, prendendo in considerazione le loro relazioni dinamiche con l’urbanizzazione, che è poi scaturito in un crescente interesse per le politiche di valutazione e gestione del cambiamento climatico. Questo lavoro di ricerca si propone come collegamento tra la pianificazione e la climatologia urbana, focalizzandosi sull’ importante ruolo della ‘modellazione urbana basata sul clima’, per aumentare la consapevolezza riguardo gli effetti collaterali dello sviluppo urbano e della morfologia delle città sul clima, sottolineando il ruolo cruciale della pianificazione urbana nel supportare e guidare scenari di programmazione e di adattamento efficaci, e, inoltre, nella valutazione dei costi e dei benefici delle strategie climatiche da attuare, così come delle politiche all’interno delle città stesse.La modellazione del clima urbano, ha dovuto affrontare numerose sfide, per quanto riguarda la scarsità della disponibilità e quantità di dati, nonché per la capacità e l’affidabilità dei modelli e dei flussi di lavoro di riferimento. Inoltre, è diventata essenziale la necessità di standardizzare il processo di calcolo degli indici urbani rilevanti e la possibilità di applicarli a vaste aree urbane. Di conseguenza, questo lavoro, focalizzandosi sull’isola di calore urbana ed individuandola come una manifestazione del cambiamento climatico all’interno delle città, introduce due contributi che vanno ad integrare quanto soprariportato, basati sull’uso dei modelli di elevazione e delle sofisticate tecniche del software GIS, dove, da un lato, è stato sviluppato con varie applicazioni climatiche urbane un approccio semplificato ed allo stesso tempo efficiente, per la modellazione di canyon urbani, individuati come parametro più influente sui microclimi urbani; ad esempio identificando potenziali corridoi di ventilazione attraverso la città di Milano, che permettono all’aria fredda di penetrare dai dintorni all’interno della città, climaticamente più mite. D’altra parte, considerando l’importante ruolo che i flussi radiattivi a onda corta hanno nell’alterazione del bilancio energetico terrestre, e le possibili anomalie termiche che ne conseguono, è stato introdotto un rapporto teorico integrato, al fine di migliorare la capacità e l’efficienza per quanto riguarda l’elaborazione di modelli di radiazioni solari urbane in 3-D; i risultati hanno dimostrato l’efficacia e la pertinenza del metodo proposto, in termini di efficienza di elaborazione, risoluzione spaziale dell’output e comunicazione visiva, con l’obiettivo di fornire una comprensione completa delle prestazioni ambientali ed energetiche dei tessuti urbani complessi su scala micro e locale; tutto ciò suggerisce inoltre ad architetti, designer e urbanisti, in che modo effettuare la scelta di materiali urbani destinati alle città, come esemplificato nel caso studio del centro di Milano.