Phoenix Regional Heat and Air Quality Knowledge Repository

The City of Phoenix (Arizona, USA) developed a Tree and Shade Master Plan and a Cool Roofs initiative to ameliorate extreme heat during the summer months in their arid city. This study investigates the impact of the City's heat mitigation strategies on daytime microclimate for a pre-monsoon summer day under current climate conditions and two climate change scenarios. We assessed the cooling effect of trees and cool roofs in a Phoenix residential neighborhood using the microclimate model ENVI-met. First, using xeric landscaping as a base, we created eight tree planting scenarios (from 0% canopy cover to 30% canopy cover) for the neighborhood to characterize the relationship between canopy cover and daytime cooling benefit of trees. In a second set of simulations, we ran ENVI-met for nine combined tree planting and landscaping scenarios (mesic, oasis, and xeric) with regular roofs and cool roofs under current climate conditions and two climate change projections. For each of the 54 scenarios, we compared average neighborhood mid-afternoon air temperatures and assessed the benefits of each heat mitigation measure under current and projected climate conditions. Findings suggest that the relationship between percent canopy cover and air temperature reduction is linear, with 0.14 °C cooling per percent increase in tree cover for the neighborhood under investigation. An increase in tree canopy cover from the current 10% to a targeted 25% resulted in an average daytime cooling benefit of up to 2.0 °C in residential neighborhoods at the local scale. Cool roofs reduced neighborhood air temperatures by 0.3 °C when implemented on residential homes. The results from this city-specific mitigation project will inform messaging campaigns aimed at engaging the city decision makers, industry, and the public in the green building and urban forestry initiatives.

The City of Phoenix’s Cool Urban Spaces Report (2014) investigated the impact of the Phoenix Cool Roofs and Tree and Shade Master Plan initiatives on the city. The study evaluated how these heat mitigation efforts affect microclimates and human thermal comfort in the Phoenix metropolitan area. These findings are especially relevant as rapid and extensive urbanization has led to an urban heat island (UHI) effect that has increased steadily at approximately 0.9°F per decade. The city’s questions guiding this research were: 1. What are the cooling benefits achieved by increasing tree canopy from 10% (current) to 25% (2030 goal) and/or implementing cool roofs under existing conditions and projected warming? 2. What is the diurnal thermal benefit of tree canopy shade for a typical heat wave day during pre-monsoon summer?

The impacts of cool roofs and trees on near-ground air temperatures were modeled through 54 scenarios for a typical residential neighborhood in Phoenix. We ran the model for a combination of three tree-planting scenarios (no trees, current canopy cover and 2030 canopy goal) and three landscaping scenarios (mesic, oasis and xeric) with regular roofs and cool roofs under current climate conditions and two climate change projections. Two significant results of the tree and shade initiative are: 1. Increasing tree canopy cover to 25% leads to an additional temperature reduction of 4.3°F, which is a total cooling benefit of 7.9°F as compared to a bare neighborhood, and 2. Switching landscaping from xeric to oasis, i.e., adding grass patches to residential backyards, reduces average neighborhood temperatures by 0.4°F to 0.5°F.

The scenario with the lowest air temperatures is the residential neighborhood with mesic landscaping, 25% tree canopy cover and cool roofs under current climate conditions with an average neighborhood temperature of 99.5°F. In contrast, the xeric neighborhood with no tree cover and regular roofs under the high-emissions climate change scenario is the hottest. This indicates that the combination of increased tree canopy cover and cool roofs does lower temperatures as well as reduce the demand for air conditioning, thereby reducing anthropogenic heat. However, trees and cool roofs are only part of the solution and need to be included in a broader, more comprehensive mitigation and adaptation plan.

Across all climate and tree scenarios, the effect of cool roofs alone on local daytime temperatures is relatively low. Air temperature reduction only amounts to 0.5°F in the neighborhood. Regarding the city’s cool roofs initiative, results show little benefit for extending this project to commercial and residential properties based on its cooling impacts alone. Our research thus far indicates that there is no simple solution to mitigating the UHI, but a complex balance of strategies will be necessary so that efforts to lower the daytime temperatures do not increase nighttime temperatures or shift UHI impacts to more vulnerable populations.

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.