Development and evaluation of a double-canyon urban canopy scheme, and estimation of urban heat island mitigation effects

Abstract

This work presents the development of a double-canyon urban canopy scheme (DCEP) based on the Building Effect Parametrization (BEP). The new scheme calculates the incoming and outgoing longwave and shortwave radiation for roof, wall and ground surfaces of an urban street canyon characterized by its street and building width as well as its canyon length, and the height distribution of buildings. The scheme introduces the radiative interaction of two neighbouring urban canyons allowing for the full inclusion of roofs into the radiation exchange, both, within the canyons and with the sky. In contrast to BEP, direct and diffuse shortwave radiation from the sky are treated independently, thus allowing for the calculation of the effective parameters representing the urban diffuse and direct shortwave radiation budget in the mesoscale model. Also, the energy balance of incoming longwave and diffuse shortwave radiation from the sky is closed, so that the new scheme is physically more consistent than BEP. Sensitivity tests show that these modifications are important for urban regions with a large variety of building heights. Moreover, the online coupling of DCEP with the mesoscale climate and weather model CCLM is explained in detail. An extensive evaluation of CCLM/DCEP is done against Basel Urban Boundary Layer Experiment data. The simulated radiative and energy fluxes as well as near-surface air temperatures and wind velocities are compared with measurements. The results indicate a good online performance of the model system comparable to the offline one of other urban canopy schemes in terms of the fluxes. Furthermore, CCLM/DCEP is applied to investigate possible adaption measures to extreme heat events for the city of Berlin (Germany). The emphasis is on the effects of a modified urban vegetation cover and roof albedo on near-surface air temperatures. A reference simulation is carried out for every extreme heat event in the period 2000 to 2009 with current vegetation cover, roof albedo and urban canopy parameters, and is evaluated with temperature observations from weather stations in Berlin and its surroundings. The derivation of the urban canopy parameters from an impervious surface map and a 1-D building data set is detailed. Characteristics of the simulated urban heat island for each extreme heat event are analysed in terms of these canopy parameters. In addition, six sensitivity runs are examined with a modified vegetation cover of each urban grid cell by -25%, +5% and +15%, with a roof albedo increased to 0.40 and 0.65, and with a combination of the largest vegetation cover and roof albedo, respectively. At the weather stations' grid cells, the results show a maximum of the average diurnal change in air temperature during each extreme heat event of 0.82K and -0.48K for the -25% and +15% vegetation covers, -0.50K for the roof albedos of 0.65, and -0.63K for the combined vegetation and albedo case.

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Doppel-Canyon basierten städtischen Bestandsschichtsschemas (DCEP) auf der Grundlage der Building Effect Parametrization (BEP) vorgestellt. Das neue Schema berechnet die ein- und ausgehende lang- und kurzwellige Strahlung für Dach-, Wand- und Bodenflächen einer städtischen Häuserschlucht, die durch ihre Straßen- und Gebäudebreite sowie ihre Länge und die Höhenverteilung der Gebäude charakterisiert ist. Das Schema führt den Strahlungsaustausch benachbarter Häuserschluchten ein, wodurch die Einbeziehung der Dächer in den Strahlungsaustausch möglich wird -- sowohl innerhalb der Häuserschluchten als auch mit dem Himmel. Direkte und diffuse kurzwellige Himmelsstrahlung werden im Gegensatz zu BEP getrennt behandelt, was eine Berechnung der effektiven Parameter für die städtische diffuse und kurzwellige Strahlungsbilanz im mesoskaligen Modell erlaubt. Weiterhin wird die Energiebilanz der einfallenden langwelligen und der diffusen kurzwelligen Himmelsstrahlung geschlossen, so dass das neue Schema physikalisch konsistenter als BEP ist. Sensitivitätsstudien zeigen die Wichtigkeit der Änderungen für urbane Regionen mit großen Gebäudehöhenunterschieden. Außerdem wird die Online-Kopplung von DCEP an das mesoskalige Klima- und Wettermodell CCLM ausführlich dargestellt. Des Weiteren wird eine umfangreiche Evaluierung von CCLM/DCEP im Vergleich zu Basel-Urban-Boundary-Layer-Experiment-Daten unternommen. Die simulierten Strahlungs- und Energieflüsse sowie die bodennahen Lufttemperaturen und Windgeschwindigkeiten werden mit Messungen verglichen. Die Resultate weisen auf eine gute Online-Leistungsfähigkeit des Modellsystems im Vergleich zu Offline-Anwendungen anderer städtischer Bestandsschichtsschemata bezüglich der Flüsse hin. Weiterhin werden mögliche Anpassungsmaßnahmen für Hitzewellen in der Stadt Berlin (Deutschland) mit CCLM/DCEP untersucht. In dieser Studie betrachten wir die Auswirkung der Änderungen der städtischen Vegetation und der Dach-Albedo auf die bodennahe Lufttemperatur. Für jede Hitzewelle in den Jahren 2000 bis 2009 wird eine Referenzsimulation mit der aktuellen Pflanzenbedeckung, Dach-Albedo und Häuserschluchtparametern durchgeführt und mit Stationsmessungen aus Berlin und Umgebung evaluiert. Die Ableitung dieser Parameter aus einer Versiegelungskarte und aus 3-D Gebäudedaten wird erklärt. Die simulierte städtische Wärmeinsel jeder Referenzsimulation wird anhand dieser Parameter analysiert. Weiterhin werden sechs Simulationsläufe mit einer um -25%, +5% und +15% geänderten Vegetationsbedeckung in jeder städtischen Gitterzelle, einer erhöhten Dachalbedo von 0.40 bzw. 0.65 und einer Kombination der größten Pflanzenbedeckung und Dachalbedo ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen ein Maximum der durchschnittlichen Lufttemperaturänderung im Tagesverlauf während jeder Hitzewelle in den Stationsgitterzellen von 0.82K und -0.48K für die -25% und +15% Vegetationsbedeckungsänderung, -0.50K für die Dachalbedos von 0.65 und -0.63K für die kombinierte Vegetations- und Albedomodifikation.