3D digital bymodel analyserer virkningerne af blokering af sollys

Når sommersolen skinner på en varm bygade, vores første reaktion er at flygte til et skyggefuldt sted beskyttet af en bygning eller et træ.

En ny undersøgelse er den første til at beregne præcis, hvor meget disse skraverede områder hjælper med at sænke temperaturen og reducere "urban heat island"-effekten.

Forskere skabte en indviklet 3D digital model af en del af Columbus og fastslog, hvilken effekt skyggen af ​​bygningerne og træerne i området havde på jordoverfladetemperaturerne i løbet af en time på en sommerdag.

"Vi kan bruge oplysningerne fra vores model til at formulere retningslinjer for grøntsager og træplantningsindsatser, og endda hvor man skal placere bygninger for at maksimere skygge på andre bygninger og veje, sagde Jean-Michel Guldmann, medforfatter til undersøgelsen og professor emeritus i by- og regionalplanlægning ved The Ohio State University.

"Dette kan have betydelige effekter på temperaturerne på gade- og kvarterniveau."

For eksempel, en simulering udført af forskerne i et Columbus-kvarter fundet på en dag med en højde på 93,33 grader Fahrenheit, temperaturen kunne have været 4,87 grader lavere, hvis de unge træer, der allerede var i dette område, var fuldt udvoksede og 20 mere fuldt udvoksede træer var blevet plantet.

Guldmann udførte undersøgelsen med Yujin Park, som udførte arbejdet som doktorand ved Ohio State og nu er assisterende professor i by- og regionalplanlægning ved Chung-Ang University i Sydkorea, og Desheng Liu, professor i geografi ved Ohio State.

Deres arbejde blev offentliggjort online for nylig i tidsskriftet Computere, Miljø og bysystemer .

Forskere har længe kendt til den urbane varmeø-effekt, hvor bygninger og veje absorberer mere varme fra solen end landskaber, frigive det og øge temperaturerne i byerne.

En nylig undersøgelse viste, at i 60 amerikanske byer, bytemperaturer i byer var 2,4 grader F højere end landtemperaturer - og Columbus var en af ​​de 10 bedste byer med de mest intense sommervarmeøer.

Til denne nye undersøgelse, Guldmann og hans kolleger valgte et næsten 14 kvadratkilometer stort område i det nordlige Columbus, der havde en bred vifte af arealanvendelser, herunder enfamiliehuse, lejlighedsbygninger, kommercielle og forretningskomplekser, industriområder, rekreative parker og naturområder. Mere end 25, 000 bygninger var i undersøgelsesområdet.

Forskerne skabte en 3D-model af undersøgelsesområdet ved hjælp af 2D landdækningskort over Columbus, samt LiDAR-data indsamlet af byen Columbus fra et fly. LiDAR er en lasersensor, der registrerer genstandes form. Kombinationen af ​​disse data resulterede i en 3D-model, der viser de nøjagtige højder og bredder af bygninger og træer.

De vendte sig derefter til computersoftware, der beregnede de skygger, som hver af bygningerne og træerne i undersøgelsesområdet kastede i løbet af en times periode-kl. 11.00 til middag-den 14. september, 2015.

Ud over, forskerne havde data om jordoverfladetemperaturer i undersøgelsesområdet for samme dato og klokkeslæt. Disse data kom fra en NASA -satellit, der bruger termiske infrarøde sensorer til at måle jordoverfladetemperaturer med en opløsning på 30 x 30 meter (ca. 98 x 98 fod). Det resulterede i overfladetemperaturer for 39, 715 point i studieområdet.

Med disse data i hånden, forskerne gennemførte en statistisk analyse for at bestemme præcist, hvordan skyggen fra bygninger og træer påvirkede overfladetemperaturerne den septemberdag.

Resultaterne viste, at som forventet, bygninger skruede op for varmen i området, men at de af dem kastede skygger også havde en betydelig kølende effekt på temperaturerne, især hvis de skyggede for tagene på tilstødende bygninger.

Den statistiske model kunne præcist beregne disse effekter, både positivt og negativt. For eksempel, en stigning på 1 % i en bygnings areal førte til overfladetemperaturstigninger på mellem 2,6 % og 3 % i gennemsnit.

Men en stigning på 1 % i området af en skyggefuld tagterrasse førte til temperaturfald mellem 0,13 % og 0,31 % i gennemsnit.

Skygge på vejbaner og parkeringspladser reducerede også temperaturerne markant.

"Vi lærte, at større varmebegrænsende effekter kan opnås ved at maksimere skyggen på bygninger på hustage og veje, sagde Guldmann.

Resultaterne viste også betydningen af ​​grønne områder og vand for at sænke temperaturen. Græsklædte områder, både skyggefulde og udsatte, viste betydelige varmereducerende effekter. Imidlertid, indvirkningen af ​​skyggefuldt græs var stærkere end af græs udsat for direkte sollys.

Mængden af ​​trækroner og arealet af vandområder havde også betydelige køleeffekter.

In the simulation run in the Columbus neighborhood, the researchers calculated that if the current trees there were fully grown, the temperature on a 93.33-degree F day would be 3.48 degrees lower (89.85 degrees).

But that's not all. The simulation showed that if the neighborhood had 20 more full-grown trees, the temperature would be another 1.39 degrees lower.

"We've long known that the shade of trees and buildings can provide cooling, " Guldmann said.

"But now we can more precisely measure exactly what that effect will be in specific instances, which can help us make better design choices and greening strategies to mitigate the urban heat island effect."