De toekomst van de aarde op korte termijn is er een van een opwarmende planeet, aangezien stadsuitbreiding en de uitstoot van broeikasgassen de effecten van klimaatverandering versterken. De huidige klimaatprojecties laten zien dat de temperaturen in Amerikaanse steden tegen het jaar 2099 naar verwachting met 2 tot 7 C (3,6 tot 12,6 F) zullen stijgen.

Om te proberen zich aan te passen aan deze opwarming en de leefbaarheid op de planeet te behouden, onderzoekers onderzoeken nieuwe manieren om steden te ontwerpen en te bouwen met klimaatbeperkende technologieën en ontdekken dat naarmate hun voorspellende modellen steeds geavanceerder worden, ze een complexe onderlinge afhankelijkheid van effecten onthullen.

Bijvoorbeeld, nieuwe modellering onthult de dynamiek van klimaatverandering en stadsuitbreiding op een meer gedetailleerd niveau, wat leidt tot een nieuw begrip van wat er kan gebeuren als steden groeien en regio's warmer worden. Deze informatie kan van cruciaal belang zijn om te bepalen wat wel of niet werkt als we ons proberen aan te passen aan de komende hitte.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van de Arizona State University enkele van de meest geavanceerde modellen van de effecten van klimaatverandering en stedelijke centra in de VS voltooid, en komen tot de bevinding dat sommige van de huidige voorgestelde oplossingen slechts een fractie van de verlichting van de geprojecteerde warmte zullen bieden.

De onderzoekers keken naar de dagelijkse interactie tussen stadsuitbreiding, klimaatverandering en aanpassing in de VS tot en met de 21e eeuw. Hun analyse onthulde een niet-lineaire interactie tussen stadsuitbreiding en de uitstoot van broeikasgassen en deed dit over een groot stuk land - de continentale VS - met bijzondere aandacht voor groeiende megapolitische gebieden. Vervolgens onderzochten ze een spectrum van hittebeperkende strategieën, waaronder bomen op straatniveau en technische oplossingen die het stedelijke hittefenomeen aanpakken.

"Eerdere studies hebben aangetoond dat conventionele strategieën om de opwarming te verminderen voornamelijk werken in het verlagen van de dagtemperatuur in plaats van de nachttemperatuur, " zei Matei Georgescu, een universitair hoofddocent in ASU's School of Geographical Sciences &Urban Planning. "Echter, steden hebben de grootste impact op de regionale thermische omgeving tijdens de avond- en nachturen."

"We hebben de effecten van conventionele hittebeperkende benaderingen gesimuleerd met meer algemeen erkende koelstrategieën, maar we hebben ook effecten gesimuleerd die verband houden met geconstrueerde materialen op nabije oppervlaktetemperatuur, " voegde hij eraan toe. "We vonden een matige temperatuurverlaging tijdens nachtelijke uren met behulp van materialen met een lage thermische toegankelijkheid."

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in "Diurnal interaction between urban expansion, klimaatverandering en aanpassing in de Amerikaanse steden van de 21e eeuw" in de vroege online-editie van Natuur Klimaatverandering . Co-auteurs met Georgescu zijn E. Scott Krayenhoff, Universiteit van Guelph, AAN, Canada, een voormalig postdoctoraal onderzoeker die samenwerkte met Georgescu aan de ASU, en Mohamed Moustaoui, Ashley Broadbent en Vishesh Gupta, allemaal aangesloten bij het Urban Climate Research Center van ASU.

Een focus op de V.S.

Het nieuwe onderzoek werpt een analytische blik op de continentale VS en doet dit op een hoger niveau van verfijning dan eerdere studies. Bijvoorbeeld, eerdere studies gingen ervan uit dat de effecten van verstedelijking en broeikasgassen konden worden bepaald door simpelweg de effecten van beide bij elkaar op te tellen. De nieuwe aanpak stelt de onderzoekers in staat om te karakteriseren in hoeverre deze twee factoren in regionale klimaatverandering niet-lineair met elkaar interageren.

"Het effect van stedelijke ontwikkeling en de uitstoot van broeikasgassen is minder dan alleen de som van de afzonderlijke componenten, " zei Georgescu. "Dit is alleen duidelijk tijdens de nachtelijke uren. De grootte van de niet-lineariteit vermindert de totale opwarming plaatselijk met maximaal 1 C (1,8 F). hij waarschuwt, "we moeten bedenken dat dit aanzienlijk minder is dan de totale opwarming zelf (van 4 naar 8 C, 7,2 tot 14,4 F) afhankelijk van het gesimuleerde BKG-scenario."

In aanvulling, Het team van Georgescu heeft de gegevens doorzocht. Eerder werk gebruikte de 24-uurs gemiddelde temperatuur van elke dag als datapunt. In dit onderzoek, het team produceerde aanzienlijk meer gegevens (ongeveer 100 terabytes) via computersimulaties gemaakt op de krachtige supercomputingclusters die beschikbaar zijn bij ASU en onderzocht de effecten gedurende een 24-uurs, of "dagelijkse" schaal, met tussenpozen van drie uur.

"Het beschikbaar stellen van deze gegevens aan de onderzoeksgemeenschap zal gerelateerd onderzoek mogelijk maken, zoals biometeorologische beoordelingen van gezondheidsonderzoekers en energiebeoordelingen van de bouwwetenschapsgemeenschap, " zei Scott Krayenhoff, hoofdauteur van de studie.

Wat in de modellering wordt onthuld, is een opwarmend continent, vooral in de regionale stedelijke centra van de V.S.

"De stedelijke opwarming in de zomer als gevolg van een dynamisch interactieve combinatie van stadsuitbreiding en klimaatverandering is tegen het einde van de eeuw 1 tot 6 C (1,8 tot 10,8 F) in de middag en 3 tot 8 C (5,4 tot 14,4 F) 's nachts, ", zei teamlid Mohamed Moustaoui.

Algemeen, de simulaties die voorspelden dat de stedelijke opwarming in de middag meer uitgesproken zal zijn in het oosten van de VS en de nachtelijke opwarming het sterkst zal zijn in de Appalachen, Grote Meren en California Central Valley regio's, grotendeels als gevolg van stadsuitbreiding in deze regio's.

De onderzoekers simuleerden vervolgens hoe verschillende warmtebeperkende technologieën zouden presteren gezien de verwachte hogere regionale temperaturen. Deze technologieën omvatten koele daken, groene daken en straatbomen, die allemaal kunnen worden gebruikt om de nabije oppervlakte buitentemperaturen van een gebied te verlichten.

Aanpassen aan de hitte

"Met behulp van dynamisch interactieve simulaties, we onderzochten meerdere adaptatiestrategieën met als doel de verwachte stedelijke hitte van de 21e eeuw te compenseren, " legt Krayenhoff uit. "We combineerden een intensieve implementatie van koele daken, groene daken en straatbomen (d.w.z. een volledig aanpassingsscenario) en ontdekte dat dit leidt tot 1,3 tot 2,0 C (2,3 tot 3,6 F) zomerse gemiddelde middagkoeling, afhankelijk van de regio, maar minder dan 1 C (1,8 F) nachtelijke koeling. Lokale middagkoeling in veel geprojecteerde Amerikaanse grootstedelijke gebieden was iets hoger, vooral in Californië, Texas en het noordoosten."

Zelfs met deze warmtebeperkende technologieën, simulaties toonden aan dat de hitte waarschijnlijk zal aanhouden.

"Wat ik het meest opvallend vond, was dat gecombineerd, implementatie met hoge intensiteit van alle aanpassingsstrategieën kon de opwarming van de klimaatverandering niet compenseren onder het RCP 8.5 (of business as usual) klimaatscenario, waardoor de gemiddelde continentale Amerikaanse stedelijke opwarming van 1 tot 4 C (1,8 tot 7,2 F) overdag en 3 tot 6 C (5,4 tot 10,8 F) 's nachts, en grote verwachte toename van extreme hittedagen in steden in het hele land, ’ legde Krayenhoff uit.

"Zelfs met aanzienlijke broeikasgasreducties, dat is, onder het RCP 4.5-emissiescenario, nachtelijke opwarming bleef niet-triviaal na volledige toepassing van aanpassingsmaatregelen, "voegde hij eraan toe. "Dit betekent dat we 'koele' gebouwen kunnen bouwen en bomen in onze straten kunnen planten en toch zullen Amerikaanse steden waarschijnlijk een stuk heter worden zonder gelijktijdige en substantiële vermindering van de uitstoot van broeikasgassen."