Gevaarlijk hoge temperaturen, vooral in steden, veroorzaken vaak aandoeningen zoals een hitteberoerte en hitte-uitputting of verergeren reeds bestaande medische aandoeningen zoals hart- en vaatziekten. Tussen 1999 en 2010 minimaal 8, 081 mensen stierven in de Verenigde Staten als gevolg van hittegerelateerde ziekten.

Een van de belangrijkste factoren achter dit opzienbarende aantal is het stedelijk hitte-eilandeffect. Dit veroorzaakt grote temperatuurverschillen tussen steden en omliggende gebieden als gevolg van warmte die wordt vastgehouden door bevolkingsconcentraties en door de mens gemaakte infrastructuur. Eenentachtig procent van de gemelde sterfgevallen - meer dan 6, 500 in totaal - kwamen voor in stedelijke gebieden.

Gewapend met een subsidie ​​van het Prediction of and Resilience against Extreme Events (PREEVENTS)-programma van de National Science Foundation (NSF), een team van onderzoekers van Carnegie Mellon wilde steden een hulpmiddel bieden om dit gevaarlijke fenomeen beter te begrijpen.

Het team werd geleid door universitair hoofddocenten Matteo Pozzi en Mario Berges van de afdeling Civiele en Milieutechniek, en hun Co-PI, onderzoekswetenschapper Kelly Klima van de afdeling Engineering and Public Policy.

De vrucht van hun arbeid is SCHADUW, wat staat voor Surface Heat Assessment for Developed Environments. Door SCHADUW, het team, waaronder postdoctoraal onderzoeker Carl Malings en professor Elie Bou Zeid van Princeton, hebben kleinschalige ruimte-tijdmodellen van de stedelijke temperaturen in Pittsburgh ontwikkeld.

Terwijl onderzoekers van Princeton zich concentreerden op het simuleren van weersomstandigheden en andere factoren die bijdragen aan de temperatuur op een bepaalde locatie, het CMU-team koos voor een meer datagedreven aanpak. Pozzi en Malings, een doctoraat destijds student van Pozzi, gewerkt aan de ontwikkeling van "statistische modellen om beter te modelleren, begrijpen, en beseffen hoe de temperatuur verandert in tijd en ruimte" binnen de stedelijke omgeving.

Ze ontdekten dat hoge temperaturen veroorzaakt door regionale hittegolfgebeurtenissen nog een ander krachtig ingrediënt kunnen toevoegen aan de pot met gevaarlijke temperatuurfactoren die in de stedelijke omgeving spelen.

"Een, de temperatuur is hoger in stedelijke gebieden, "zegt Malings. "Twee, het is zelfs nog hoger tijdens hittegolven. En drie, de temperaturen kunnen in de stad erg variëren, omdat de bouwsamenstelling heel anders is. Dat maakt het effect heel anders."

Hoewel het team van Princeton deze factoren op een bepaald moment kon modelleren, dit over de hele stad doen zou extreem rekenintensief zijn, waardoor deze methode onpraktisch is voor realtime temperatuurmodellering en -voorspelling.

"Het idee waar we aan werken, is het bouwen van wat we 'surrogaatmodellen' noemen, ' dat zijn in feite eenvoudigere modellen die dezelfde soort informatie vastleggen, maar veel sneller kunnen worden uitgevoerd om dicht bij realtime voorspellingen te komen, ', zegt Malings.

Met behulp van dit systeem van surrogaatmodellen, het team was in staat om grotere trends in temperaturen tussen verschillende locaties in de loop van de tijd waar te nemen. Ondanks dat het in de beginfase van het project is, hun bevindingen hebben al geleid tot verschillende publicaties, inclusief hun meest recente paper over een methodologie voor optimale detectie ter ondersteuning van besluitvorming in scenario's met extreme temperaturen. Dit zou kunnen zorgen voor een veel beter systeem voor vroegtijdige waarschuwing voor populaties met een hoog risico op hittegerelateerde ziekten.

In het langetermijnperspectief is het model kan informatie verstrekken over infrastructuurbeslissingen voor civiel ingenieurs. Gebruikmakend van informatie die wordt verschaft door de modelleringstechnieken van het team, stadsplanners en architecten zouden groene infrastructuur en andere warmtebeperkingstechnieken kunnen integreren in de steden van de toekomst, het bestrijden van het stedelijk hitte-eilandeffect bij de bron.

"Het resulterende raamwerk zal toekomstige stedenbouwkundigen en beheerders helpen om beslissingen te nemen over de temperatuur in de stad, " zegt Berges, "en ze zullen kunnen profiteren van de snelgroeiende stroom sensorgegevens die beschikbaar is in stedelijke omgevingen."

voor Malingen, nu een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde, de informatie van SHADE zal ook helpen bij toekomstige beslissingen over waar sensoren moeten worden geplaatst voor optimale resultaten. De conclusies die hij uit deze sensoren hoopt te trekken, beperken zich niet alleen tot het stedelijke hitte-eilandeffect.

"Je kunt hetzelfde doen met luchtvervuiling, waar u uw eerdere voorspelling van vervuilingsconcentraties doet en deze vervolgens bijwerkt met de sensormetingen en op basis daarvan beslissingen optimaliseert, ', zegt Malings.

Nadat ze hun modellering tot nu toe hadden beperkt tot Pittsburgh en New York, het team is van plan om zijn reikwijdte in de toekomst uit te breiden naar een groter aantal steden.

"Steden hebben vergelijkbare eigenschappen, maar net begonnen in Pittsburgh en New York als onze casestudies, er zijn zeker verschillende gedragingen tussen de twee, ", zegt Pozzi. "Ons idee voor de toekomst is om stedelijke schaalmodellen te ontwikkelen voor verschillende steden, maar er moet voor elke afzonderlijke stad een specifieke kalibratie worden uitgevoerd."