Urban form, climate and health: a study on urban health and heat stress resilience for outdoor climate retrofitting

This dissertation explores the complex interplay between urban form, climate, and health in the context of heat stress resilience. With urban areas facing increasing climate challenges, this research emphasizes the urgent need to integrate urban planning, design, and policy for adaptation and mitigation of heat-related risks and promote more sustainable, equitable and healthy cities. Cities, home to over half the global population, are vulnerable to the impacts of climate challenges, where extreme heat is the focus in this dissertation. Urban heat islands, exacerbated by dense urban forms and limited vegetation, lead to elevated temperatures that can intensify thermal heat stress. This stress disproportionately affects vulnerable groups such as the elderly, children, people living alone or socio-economically disadvantaged populations. Rising global temperatures and the increasing frequency of heatwaves demand comprehensive solutions to address these challenges. This research focuses on Milan, a city characterized by a mix of dense urban cores and peripheral green areas, offering a compelling case study for understanding and addressing heat stress. The key objectives are to: (I) Develop a multidimensional taxonomy of urban heat stress indicators; (II) Analyse spatio-temporal dynamics of heat-related health impacts using high-resolution data; (III) Explore heat resilience through meso-scale analysis to inform targeted interventions; (IV) Propose a practical framework, governance scheme and examples of guidelines for enhancing urban heat resilience through planning and design guidelines. The dissertation adopts a multidisciplinary approach that integrates theoretical, empirical, and practical dimensions. First, conducting a systematic literature review identifies critical dimensions (demographic, economic, climate, health, morphological, social, and institutional) that influence heat stress resilience. This review results in a taxonomy of heat stress indicators to guide future research when addressing such challenging issues. Secondly, the study employs high-resolution data, including climate modelling, geospatial analysis, and health records of emergency calls during heatwaves. Using the Universal Thermal Climate Index (UTCI), spatial patterns of heat stress are modelled alongside cardiovascular and respiratory emergency call data. Lastly, the meso-scale analysis, a grid framework enables to explore from a local scale the dynamics among urban form, climate, and health. This approach reveals spatial inequities and identifies high-risk areas based on urban densities and socio-demographic vulnerabilities. The analysis highlights critical insights into the relationship between urban form, climate, and health, pointing at emergency calls for cardiovascular and respiratory issues during heatwaves, particularly during the daytime and the effect of "tropical nights" when the body cannot recover from prolonged heat exposure. Vulnerable populations, such as elderly, individuals living alone, and those with low socio-economic status (i.e., social housing), are usually disproportionately affected. Besides, high-density areas with minimal vegetation retain heat, exacerbating thermal stress. However, some dense neighbourhoods with robust social networks exhibit better resilience, underscoring the role of social cohesion. While central urban areas experience higher temperatures and health incidents compared to greener, peripheral zones, revealing significant spatial inequities in heat resilience. The proposed framework integrates insights from city-wide and meso scale analyses to inform urban planning and design, offering points of reflection for the future development of guidelines on resilience and spatial justice. Interventions aimed at heat resilience should primarily address social and economic vulnerabilities, with particular attention to public housing neighbourhoods, which are often characterized by poor housing quality and limited access to green or cooled spaces. It is essential to improve access to cooling centres, strengthen social support networks, and direct investments in climate-adaptive infrastructure, such as green roofs or shaded public spaces, specifically in these areas. The integration of high-resolution climate and health data can support targeted urban policies capable of responding more effectively to environmental and health inequalities, emphasizing the need for a multidimensional strategy for thermal resilience that bridges the gaps between urban planning, design, climate, and health. This research makes significant theoretical, empirical, and practical contributions to the fields of urban heat resilience, in the context of the city of Milan. It introduces a taxonomy of heat stress indicators, provides actionable insights through high-resolution spatio-temporal analyses, and highlights the need for equity-focused, localized interventions. By focusing on Milan, the research offers a replicable model for cities to tackle the escalating challenges of urban heat and promote sustainable urban futures. The findings underscore the necessity of an integrated approach to urban heat resilience, recognizing the interconnectedness of urban morphology, climate dynamics, and health outcomes. By advancing the understanding of these relationships, this research provides a foundation for creating cities that are not only climate-resilient but also equitable and inclusive, ensuring the well-being of all urban residents in the face of a warming planet.

Questa ricerca esplora la complessa interazione tra forma urbana, clima e salute nel contesto della resilienza allo stress termico. Con le aree urbane sempre più esposte alle sfide climatiche, questo lavoro sottolinea l’urgente necessità di integrare pianificazione urbana, progettazione e politiche di adattamento e mitigazione dei rischi legati al calore, promuovendo città più sostenibili, eque e salubri. Le città, che ospitano oltre la metà della popolazione mondiale, sono particolarmente vulnerabili agli impatti del cambiamento climatico, con particolare riferimento alle ondate di calore, fulcro di questa dissertazione. Il fenomeno delle isole urbane di calore (UHI), strettamente legato a fattori quali densità edilizia e scarsità di vegetazione, determina un aumento delle temperature, intensificando lo stress termico. Tale condizione colpisce in maniera sproporzionata i gruppi più vulnerabili, come anziani, bambini, persone sole o in condizione di svantaggio socio-economico. Il riscaldamento globale e l’aumento della frequenza ed intensità delle ondate di calore impongono soluzioni integrate e strutturate per affrontare tali sfide. La ricerca si concentra su Milano, città caratterizzata da un tessuto urbano denso alternato a zone verdi periferiche, offrendo un caso di studio rilevante per comprendere e affrontare lo stress termico. Gli obiettivi principali sono: (I) sviluppare una tassonomia multidimensionale degli indicatori di stress termico urbano; (II) analizzare la dinamica spazio-temporale degli impatti sanitari legati al calore ; (III) esplorare la resilienza termica attraverso un’analisi a scala urbana er orientare interventi mirati; (IV) proporre un quadro operativo, uno schema di governance e esempi di linee guida per rafforzare la resilienza urbana al calore tramite strumenti di pianificazione e progettazione. La ricerca adotta un approccio multidisciplinare che integra dimensioni teoriche, empiriche e operative. In primo luogo, attraverso una revisione sistematica della letteratura, vengono identificate le dimensioni critiche (demografica, economica, climatica, sanitaria, morfologica, sociale e istituzionale) che influenzano la resilienza allo stress termico, culminando nella proposta di una tassonomia di indicatori per orientare ricerche future. In secondo luogo, si utilizzano dati ad alta risoluzione, che includono modellazione climatica, analisi geospaziali e registri sanitari relativi a chiamate d’emergenza durante il periodo estivo. L’indice Universale del Clima Termico viene impiegato per modellare i pattern spaziali di stress termico in relazione ai dati sanitari per emergenze cardiovascolari e respiratorie. Infine, un’analisi a scala urbana, basata su un reticolo spaziale, consente di esplorare localmente le interazioni tra forma urbana, clima e salute, evidenziando disuguaglianze spaziali e aree potenzialmente a rischio. L’analisi mette in luce relazioni critiche tra forma urbana, clima e salute, rilevando un incremento delle chiamate d’emergenza, per problematiche cardiovascolari e respiratorie, durante le ore diurne delle ondate di calore, e l’effetto delle cosiddette “notti tropicali”, in cui l’organismo non riesce a recuperare dall’esposizione prolungata al calore. Le popolazioni vulnerabili, come anziani, individui soli e persone a basso reddito (public housing), risultano particolarmente esposte. Tuttavia, alcuni quartieri ad alta densità abitativa caratterizzati da solidi legami sociali potrebbero risentire in modo diverso, anche se non abbiamo esplorato direttamente questo aspetto e ci siamo limitati a ipotizzare un possibile impatto delle relazioni sociali mostrano una maggiore resilienza, sottolineando il ruolo della coesione sociale. Le zone centrali della città registrano temperature più elevate e un maggior numero di chiamate di emergenza rispetto alle aree periferiche più verdi, rivelando disuguaglianze spaziali significative nella resilienza al calore. Tuttavia, tale correlazione potrebbe essere parzialmente influenzata dalla maggiore densità abitativa delle aree centrali, che implica una popolazione più numerosa e quindi un potenziale aumento naturale delle chiamate. Nonostante ciò, l’emergere di outlier in alcune aree suggerisce che altri fattori, oltre alla densità, contribuiscano agli impatti sanitari osservati. Il quadro teorico-operativo proposto integra le evidenze raccolte a scala urbana e intermedia per contribuire alla definizione preliminare di orientamenti utili alla pianificazione urbana, offrendo elementi di riflessione per l’elaborazione futura di linee guida in materia di resilienza e giustizia spaziale. Gli interventi per la resilienza al calore dovrebbero prioritariamente affrontare le vulnerabilità sociali ed economiche, con un’attenzione particolare ai quartieri di edilizia residenziale pubblica, spesso caratterizzati da scarsa qualità abitativa e limitato accesso a spazi verdi o raffrescati. È fondamentale migliorare l’accesso a centri di raffrescamento, rafforzare le reti di supporto sociale e orientare gli investimenti in infrastrutture climaticamente adattive, come tetti verdi o spazi pubblici ombreggiati, proprio in queste aree. L’integrazione di dati climatici e sanitari ad alta risoluzione può supportare politiche urbane mirate, capaci di rispondere alle disuguaglianze ambientali e sanitarie in modo più efficace, sottolineando la necessità di una strategia multidimensionale alla resilienza termica, colmando i divari tra pianificazione urbana, progettazione, clima e salute. In conclusione, questa ricerca apporta contributi significativi sul piano teorico, empirico e pratico nel campo della resilienza urbana al calore, con particolare riferimento al contesto milanese. Concentrandosi su Milano, il lavoro propone un modello replicabile per altre città che intendano affrontare le crescenti sfide del riscaldamento urbano e promuovere futuri urbani più sostenibili, eque e inclusive, in grado di garantire il benessere di tutti i cittadini in un pianeta che si riscalda.