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Título: Urban heat mitigation through green infrastructure: a modeling approach
Título(s) alternativo(s): Mitigando o estresse térmico urbano através da infraestrutura verde: uma abordagem baseada em modelos
Autor(es): Oukawa, Gabriel Yoshikazu Cortez
Orientador(es): Abad, Patricia Krecl
Palavras-chave: Arborização das cidades
Ilha de calor urbana
Conforto humano
Temperatura atmosférica
Trees in cities
Urban heat island
Human comfort
Atmospheric temperature
Data do documento: 12-Mar-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Londrina
Citação: OUKAWA, Gabriel Yoshikazu Cortez. Urban heat mitigation through green infrastructure: a modeling approach. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2025.
Resumo: O ritmo acelerado da urbanização contribui para a intensificação da ilha urbana de calor (IUC) e amplifica os efeitos das mudanças climáticas. As soluções baseadas na natureza (SBN), como a arborização, são apontadas como estratégias economicamente viáveis para mitigar a IUC e melhorar o conforto térmico. No entanto, o planejamento e a implementação dessas soluções enfrentam desafios, e sua eficácia depende também de fatores locais, como a morfologia urbana, e externos, como a circulação atmosférica regional. Técnicas de modelagem podem ser usadas para avaliar os benefícios da arborização, simular cenários futuros e desenvolver metodologias que auxiliem a tomada de decisões. Esta dissertação investiga a IUC, o estresse térmico urbano e estratégias de arborização em Londrina, Brasil, por meio de modelagem estatística e numérica. Modelos de florestas aleatórias, desenvolvidos usando um amplo conjunto de preditores espaciais e temporais, simularam a temperatura do ar (Tar) e a intensidade da IUC (IIUC) com alta resolução espacial (10 m) e temporal (1h). O impacto de diferentes cenários de cobertura arbórea foi avaliado em três regiões da cidade durante o inverno e o verão. O Índice Termoclimático Universal (UTCI) foi simulado com o modelo numérico SOLWEIG também com alta resolução espacial (2 m) e temporal (1h) para determinar os benefícios do aumento da arborização no conforto térmico, ao longo das duas estações. Foram analisados quatro cenários, incluindo o desenvolvimento de um algoritmo que otimiza o uso de espaços urbanos para o plantio de árvores. Os modelos que simularam Tar e IIUC demonstraram alto poder explicativo (R² ≥ 0,82), e a modelagem direta da IIUC identificou as variáveis locais que mais influenciam a IUC, como as zonas climáticas locais de tipo 2 (edificações compactas de média altura), 4 (abertas de grande altura) e 8 (extensas de baixa altura). Nos cenários com maior cobertura arbórea, observaram-se reduções na IIUC de até 65% no inverno e 55% no verão na região norte da cidade, enquanto o centro e a região sul apresentaram reduções menores (3–27%). A análise espacial do UTCI revelou que o centro da cidade e bairros adjacentes sofrem com mais horas de desconforto térmico, com o centro registrando cerca de 200h acima do limiar de estresse térmico muito forte (≥ 38 ºC) no verão. O cenário mais ambicioso de aumento da cobertura arbórea resultou em reduções de até 2,1°C no UTCI. Esses resultados sugerem que a arborização desempenha um papel essencial na redução da IIUC, mas medidas complementares, como a reforma/modernização de edifícios para melhorar a ventilação, poderiam melhorar ainda mais o conforto térmico, especialmente em áreas densamente urbanizadas. As metodologias desenvolvidas nesta pesquisa são cruciais para a tomada de decisões em relação à exposição da população ao estresse térmico urbano, identificando as áreas mais críticas, além de avaliar o impacto do aumento da cobertura arbórea no conforto térmico.
Abstract: The fast-paced urbanization contributes to the intensification of urban heat islands (UHI) and can amplify the effects of climate change. Nature-based solutions (NBS), such as urban greening, are widely promoted as a cost-effective strategy to mitigate UHI and enhance thermal comfort. However, the planning and implementation of these solutions face challenges, and their effectiveness also depends on local factors, such as urban morphology, and external influences, such as regional atmospheric circulation. Modeling techniques can be used to assess the benefits of tree planting, simulate future scenarios, and develop methodologies that aid informed decision-making. This Master’s thesis examines the UHI, urban heat stress, and urban greening strategies in Londrina, Brazil, through statistical and numerical modeling approaches. Random forest models, developed using a broad pool of spatial and temporal predictors, simulated air temperature (Tair) and UHI intensity (UHII) at high spatial (10 m) and temporal (1 hr) resolutions. The impact of different tree cover scenarios was evaluated in three regions of the city during winter and summer. The Universal Thermal Climate Index (UTCI) was simulated with the SOLWEIG numerical model at high spatial (2 m) and temporal (1 hr) resolutions to assess how increased tree cover can potentially improve thermal comfort across both seasons. Four scenarios were analyzed, including the development of an algorithm that optimizes the use of urban spaces for tree planting. The models predicting Tair and UHII demonstrated high explanatory power (R² ≥ 0.82), and direct UHII modeling identified the local variables that most influence UHI, such as local climate zones 2 (compact midrise), 4 (open highrise) and 8 (large lowrise). In the enhanced tree cover scenarios, reductions in UHII of up to 65% in winter and 55% in summer were observed in the northern region of the city, while the city center and southern region experienced smaller reductions (3-27%). The spatial analysis of UTCI revealed that the city center and adjacent neighborhoods suffer from longer periods of heat stress, with the center experiencing about 200 hr above the very strong heat stress threshold (≥ 38 ºC) in summer. The most ambitious tree cover expansion scenario resulted in UTCI reductions of up to 2.1°C. These results suggest that urban greening plays a key role in reducing UHII but that complementary measures, such as retrofitting buildings to improve ventilation, could further enhance thermal comfort, especially in densely urbanized areas. The methodologies developed in this research are crucial for decision-making regarding the population’s exposure to urban heat stress, identifying the most critical areas, as well as assessing the benefits of increasing tree canopy cover for thermal comfort.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36391
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