Phoenix Regional Heat and Air Quality Knowledge Repository

Urban Heat Island (UHI) has significant impacts on the buildings energy consumption and outdoor air quality (OAQ). Various approaches, including observation and simulation techniques, have been proposed to understand the causes of UHI formation and to find the corresponding mitigation strategies. However, the causes of UHI are not the same in different climates or city features. Thus, general conclusion cannot be made based on limited monitoring data.

With recent progress in computational tools, simulation methods have been used to study UHI. These approaches, however, are also not able to cover all the phenomena that simultaneously contribute to the formation of UHI. The shortcomings are mostly attributed to the weakness of the theories and computational cost.

This paper presents a review of the techniques used to study UHI. The abilities and limitations of each approach for the investigation of UHI mitigation and prediction are discussed. Treatment of important parameters including latent, sensible, storage, and anthropogenic heat in addition to treatment of radiation, effect of trees and pond, and boundary condition to simulate UHI is also presented. Finally, this paper discusses the application of integration approach as a future opportunity.

Rapid urbanization of the planet is occurring at an unprecedented pace, primarily in arid and semi-arid hot climates [Golden, J.S., 2004. The built environment induced urban heat island effect in rapidly urbanizing arid regions – a sustainable urban engineering complexity. Environ. Sci. J. Integr. Environ. Res. 1 (4), 321–349]. This growth has manifested itself as a cause of various impacts including elevated urban temperatures in comparison to rural sites known as the Urban Heat Island (UHI) effect [Oke, T.R., 1982. The energetic basis of the urban heat island. Q. J. R. Meteor. Soc. 108, 1–24]. Related are the increased demands for electric power as a result of population growth and increased need for mechanical cooling due to the UHI. In the United States, the Environmental Protection Agency has developed a three-prong approach of (1) cool pavements, (2) urban forestry and (3) cool roofs to mitigate the UHI. Researchers undertook an examination of micro scale benefits of the utilization of photovoltaic panels to reduce the thermal impacts to surface temperatures of pavements in comparison to urban forestry. The results of the research indicate that photovoltaic panels provide a greater thermal reduction benefit during the diurnal cycle in comparison to urban forestry while also providing the additional benefits of supporting peak energy demand, conserving water resources and utilizing a renewable energy source.

Because of a projected surge of several billion urban inhabitants by mid-century, a rising urgency exists to advance local and strategically deployed measures intended to ameliorate negative consequences on urban climate (e.g., heat stress, poor air quality, energy/water availability). Here we highlight the importance of incorporating scale-dependent built environment induced solutions within the broader umbrella of urban sustainability outcomes, thereby accounting for fundamental physical principles. Contemporary and future design of settlements demands cooperative participation between planners, architects, and relevant stakeholders, with the urban and global climate community, which recognizes the complexity of the physical systems involved and is ideally fit to quantitatively examine the viability of proposed solutions. Such participatory efforts can aid the development of locally sensible approaches by integrating across the socioeconomic and climatic continuum, therefore providing opportunities facilitating comprehensive solutions that maximize benefits and limit unintended consequences.

The City of Phoenix Street Transportation Department partnered with the Rob and Melani Walton Sustainability Solutions Service at Arizona State University (ASU) and researchers from various ASU schools to evaluate the effectiveness, performance, and community perception of the new pavement coating. The data collection and analysis occurred across multiple neighborhoods and at varying times across days and/or months over the course of one year (July 15, 2020–July 14, 2021), allowing the team to study the impacts of the surface treatment under various weather conditions.

En la zona metropolitana de Phoenix, el calor urbano está afectando la salud, la seguridad y la economía y se espera que estos impactos empeoren con el tiempo. Se prevé que el número de días por encima de 110˚F aumentará más del doble para el 2060. En mayo de 2017, The Nature Conservancy, el Departamento de Salud Pública del condado de Maricopa, Central Arizona Conservation Alliance, la Red de Investigación en Sostenibilidad sobre la Resiliencia Urbana a Eventos Extremos, el Centro de Investigación del Clima Urbano de Arizona State University y el Center for Whole Communities lanzaron un proceso participativo de planificación de acciones contra el calor para identificar tanto estrategias de mitigación como de adaptación a fin de reducir directamente el calor y mejorar la capacidad de los residentes para lidiar con el calor. Las organizaciones comunitarias con relaciones existentes en tres vecindarios seleccionados para la planificación de acciones contra el calor se unieron más tarde al equipo del proyecto: Phoenix Revitalization Corporation, RAILMesa y Puente Movement. Más allá de construir un plan de acción comunitario contra el calor y completar proyectos de demostración, este proceso participativo fue diseñado para desarrollar conciencia, iniciativa y cohesión social en las comunidades subrepresentadas. Asimismo el proceso de planificación de acciones contra el calor fue diseñado para servir como modelo para esfuerzos futuros de resiliencia al calor y crear una visión local, contextual y culturalmente apropiada de un futuro más seguro y saludable. El método iterativo de planificación y participación utilizado por el equipo del proyecto fortaleció las relaciones dentro y entre los vecindarios, las organizaciones comunitarias, los responsables de la toma de decisiones y el equipo núcleo, y combinó la sabiduría de la narración de historias y la evidencia científica para comprender mejor los desafíos actuales y futuros que enfrentan los residentes durante eventos de calor extremo. Como resultado de tres talleres en cada comunidad, los residentes presentaron ideas que quieren ver implementadas para aumentar su comodidad y seguridad térmica durante los días de calor extremo.

Como se muestra a continuación, las ideas de los residentes se interceptaron en torno a conceptos similares, pero las soluciones específicas variaron entre los vecindarios. Por ejemplo, a todos los vecindarios les gustaría agregar sombra a sus corredores peatonales, pero variaron las preferencias para la ubicación de las mejoras para dar sombra. Algunos vecindarios priorizaron las rutas de transporte público, otros priorizaron las rutas utilizadas por los niños en su camino a la escuela y otros quieren paradas de descanso con sombra en lugares clave. Surgieron cuatro temas estratégicos generales en los tres vecindarios: promover y educar; mejorar la comodidad/capacidad de afrontamiento; mejorar la seguridad; fortalecer la capacidad. Estos temas señalan que existen serios desafíos de seguridad contra el calor en la vida diaria de los residentes y que la comunidad, los negocios y los sectores responsables de la toma de decisión deben abordar esos desafíos.

Los elementos del plan de acción contra el calor están diseñados para incorporarse a otros esfuerzos para aliviar el calor, crear ciudades resilientes al clima y brindar salud y seguridad pública. Los socios de implementación del plan de acción contra el calor provienen de la región de la zona metropolitana de Phoenix, y se brindan recomendaciones para apoyar la transformación a una ciudad más fresca.

Para ampliar la escala de este enfoque, los miembros del equipo del proyecto recomiendan a) compromiso continuo e inversiones en estos vecindarios para implementar el cambio señalado como vital por los residentes, b) repetir el proceso de planificación de acción contra el calor con líderes comunitarios en otros vecindarios, y c) trabajar con las ciudades, los planificadores urbanos y otras partes interesadas para institucionalizar este proceso, apoyando las políticas y el uso de las métricas propuestas para crear comunidades más frescas.