Modeling of urban surface temperature. A proposed method for Milano

This thesis describes an energy and water balance (EWB) model that incorporates surface energy fluxes computation between soil surface and shallow atmospheric layers. The model considers the synergic use of hydrological and remote sensing data. The energy and water balance equations are linked to soil water content (W) through the latent heat flux system (LE) and subsequently to land surface temperature (LST). The LE is calculated as a function of the LST, but since the LE, as effective evapotranspiration (ETeff), is also a factor in the mass balance equation that calculates the evolution of W at each time step, the LST variability and W variations can have a large impact on one another. In this model, the input variables are getting from meteorological stations, such as air temperature (Ta), net radiation (Rn), and rainfall (R). Other model parameters, such as the digital elevation model (DEM), and the leaf area index (LAI) can be derived from satellite data. The core of this model is the system between the water and energy balance equations that are linked through evapotranspiration (ET). Local scale estimation of LST in Milan in recent years can be solved by using the energy balance equation, in which looks for the LST that closes the equation with the Newton–Raphson method. The model is calibrated by comparison with LST obtained from the Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) satellite data. The main limitation of the outcomes, however, is that the model does not consider the effects of anthropogenic heat and anthropogenic irrigation. Then the model is used for future climate projections of LST, in particular the SSP1-2.6 and SSP5-8.5 scenarios of the CMIP6 are considered, using meteorological data generated by the Global Circulation Model EC-Earth3.0. In this way, it is possible to compare the difference of LST between urban and green areas in the future.

Questa tesi utilizza un modello di bilancio energetico e idrico (EWB) che considera i flussi energetici e idrici tra la superficie del suolo e l'atmosfera.Il modello utilizza in modosinergico i dati meteorologici e di telerilevamento. Le equazioni del bilancio energetico e idrico sono collegate al contenuto d'acqua nel suolo (W) attraverso il flusso di calore latente (LE) e di conseguenza alla temperatura della superficie del suolo (LST). Il LE è calcolato in funzione della LST, ma poiché il LE, come l'evapotraspirazione effettiva, è anche un fattore dell'equazione di bilancio di massa che calcola l'evoluzione di W a ogni passo temporale, la variabilità della LST e le variazioni di W possono avere un grande impatto l'una sull'altra. In questo modello, le variabili di input, ovvero la temperatura dell'aria (Ta), la radiazione netta (Rn) e le precipitazioni (R), provengono da stazioni meteorologiche. Altri parametri del modello, come il modello digitale del terreno (DEM)e l'indice di area fogliare (LAI) possono essere ricavati da dati satellitari. Il cuore di questo modello è il sistema tra le equazioni del bilancio idrico ed energetico, collegate attraverso l'evapotraspirazione (ET). La stima a scala locale della LST a Milano negli ultimi anni può essere risolta utilizzando l'equazione del bilancio energetico, in cui si cerca la LST che chiude l'equazione con il noto metodo di Newton-Raphson. Il modello è calibrato per confronto con la LST ottenuta dai dati satellitari del Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). La principale limitazione dei risultati, tuttavia, è che il modello non considera gli effetti del calore antropico e dell'irrigazione antropica. Il modello è stato in seguito utilizzato per le proiezioni future di LST in scenario di cambiamento climatico, in particolare sono stati analizzati gli scenariSSP126 e SSP585 del CMIP6 utilizzando i dati meteorologici generati dal modello di circolazione globale EC-Earth3.0. E' stato così possibile confrontate le differenze di LST tra le aree urbane e le aree verdi nello scenario futuro.