Numerical study of the effects of local climate zones and green infrastructures on the atmospheric variables for the metropolitan region of Londrina

Autor: Medeiros Sobrinho, Otavio
Přispěvatelé: Martins, Leila Droprinchinski, Morais, Marcos Vinícius Bueno de, Vela, Angel Liduvino Vara, Freitas, Edmilson Dias de, Morais, Marcos Vinícius Bueno
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
Popis: Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) As áreas urbanas concentram mais de 50% da população mundial e são meios altamente impactados pelas atividades humanas. Neste sentido, as infraestruturas verdes (IVs) são empregadas para mitigar os efeitos causados pela urbanização. Os modelos de representação atmosférica, a exemplo do Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), são utilizados para representar numericamente o comportamento das variáveis atmosféricas em mesoescala. Informações envolvendo as estruturas urbanas consistem em uma lacuna que dificulta a reprodução das dinâmicas e fluxos turbulentos nessas áreas. Para superar isso, a classificação das Zonas Climáticas Locais (ZCLs) possibilitam a obtenção de um produto com 10 classes (31 a 40) representando as estruturas urbanas, definidas de acordo com suas propriedades. Com isso, esse trabalho avaliou os efeitos nas variáveis atmosféricas, incluindo as classes de ZCLs urbanas no uso de solo padrão para a Região Metropolitana de Londrina, bem como a implementação de IVs distribuídas na área urbana, por meio do WRF-Chem. A obtenção das ZCLs foi realizada a partir da classificação supervisionada de imagens do satélite Landsat 8, através dos softwares SAGA GIS e Google Earth Pro. As simulações do modelo foram configuradas em 3 domínios com 100 x 80, 88 x 70 e 76 x 58 pontos (9 km, 3 km e 1 km de espaçamento, respectivamente). Adicionalmente, foram identificados e ampliados cinco parques, e 2 lagos urbanos em uma quarta grade aninhada com 0,333 km de espaçamento entre os pontos de grade, para identificar os efeitos meteorológicos das IVs no ambiente urbano. A verificação quantitativa se procedeu utilizando índices estatísticos, a fim de avaliar o desempenho do modelo considerando as condições atuais da região. Temperatura do ar a 2 metros (T2) e umidade específica do ar a 2 metros (Q2) foram melhor representadas para ambas as estações de monitoramento (Instituto Água e Terra - IAT e Sistema de Tecnologia e Monitoramento Ambiental do Paraná - SIMEPAR), quando utilizada a ZCLs (World Urban Database and Access Portal Tools - WUDAPT), se comparado ao padrão (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer - MODIS). A Velocidade do Vento a 10 metros (WS10) na estação IAT apresentou evolução para todos os índices estatísticos por conta da melhor representação vertical das estruturas urbanas pelas ZCLs. Para os poluentes atmosféricos não houve nenhuma melhora estatisticamente considerável. O Lago (uma IV) não apresentou efeito relevante nas variáveis meteorológicas, provavelmente pelas dimensões horizontais. As IVs, constituídas pelos parques (áreas verdes), além de contribuírem localmente na redução dos efeitos da Ilha de Calor Urbana (ICU), apresentaram taxas de resfriamento e aumento na Q2 em até seis pontos de grade, aproximadamente 2 km, ao redor destas infraestruturas, desempenhando serviços ambientais capazes de mitigar os efeitos da ICU sustentando a importância destes sistemas nos projetos urbanos. Em geral a utilização das ZCLs melhorou o desempenho do modelo em representar as variáveis meteorológicas, e as áreas verdes (IVs) apresentaram benefícios para o clima local mesmo em cidades de médio porte como Londrina. Urban areas concentrate more than 50% of the world's population and are highly impacted by human activities. In this sense, Green Infrastructures (GIs) are used to mitigate these effects. Atmospheric models, such as the Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), represent the mesoscale meteorological variables numerically. Information involving urban structures is a gap that makes it difficult to numerical reproduce turbulent flows, mainly in urban areas. To overcome this limitation, the classification of Local Climate Zones (LCZs) makes it possible to obtain a product with 10 classes (31 to 40) representing the urban structures defined according to similar surface properties. Thereby, this work evaluated the effects on meteorological variables and on air quality using WRF-Chem with the urban classes of LCZs in the land use for the Metropolitan Region of Londrina well as the implementation of GIs distributed in the urban area. The LCZs were obtained from the supervised classification of Landsat 8 satellite images using SAGA GIS and Google Earth Pro. The model simulations were configured in 3 domains with 100 x 80, 88 x 70, and 76 x 58 points (9 km, 3 km, and 1 km of grid spacing). Additionally, five urban parks and two urban lakes were identified and expanded in a fourth nested grid with 0.333 km grid spacing to analyze environmental systems' meteorological effects on the urban environment. The quantitative verification was carried out using statistical indexes to analyze model performance in the region's current conditions. Two meters Air temperature (T2) and specific air humidity (Q2) are best represented for both monitoring stations (Instituto Água e Terra - IAT and Sistema de Tecnologia e Monitoramento Ambiental do Paraná - SIMEPAR) when using an LCZs (World Urban Database and Access Portal Tools - WUDAPT), compared to the default land use file (Moderate - Resolution Imaging Spectroradiometer - MODIS). The WS10 at the IAT station presents improvement for all statistical indices due to the better vertical representation of urban structures by LCZs. For the pollutants, there was no statistical improvement. The lake had no relevant effect on meteorological variables, probably due to horizontal dimensions. The parks, in addition to contributing locally to the reduction of the effects of the Urban Heat Island (UHI), presented cooling rates and increased in Q2 in up to six grid points, approximately 2 km, around these infrastructures, performing environmental services to mitigating the effects of UHI sustaining the importance of these systems in urban projects. In general, the use of LCZs improved the performance of the model to represent meteorological variables. The GI showed benefits for the local climate even in medium-sized cities.
Databáze: OpenAIRE
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