Phoenix Regional Heat and Air Quality Knowledge Repository

This study addresses a classic sustainability challenge—the tradeoff between water conservation and temperature amelioration in rapidly growing cities, using Phoenix, Arizona and Portland, Oregon as case studies. An urban energy balance model— LUMPS (Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme)—is used to represent the tradeoff between outdoor water use and nighttime cooling during hot, dry summer months. Tradeoffs were characterized under three scenarios of land use change and three climate-change assumptions. Decreasing vegetation density reduced outdoor water use but sacrificed nighttime cooling. Increasing vegetated surfaces accelerated nighttime cooling, but increased outdoor water use by ~20%. Replacing impervious surfaces with buildings achieved similar improvements in nighttime cooling with minimal increases in outdoor water use; it was the most water-efficient cooling strategy. The fact that nighttime cooling rates and outdoor water use were more sensitive to land use scenarios than climate-change simulations suggested that cities can adapt to a warmer climate by manipulating land use.

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.

We conducted microclimate simulations in ENVI-Met 3.1 to evaluate the impact of vegetation in lowering temperatures during an extreme heat event in an urban core neighborhood park in Phoenix, Arizona. We predicted air and surface temperatures under two different vegetation regimes: existing conditions representative of Phoenix urban core neighborhoods, and a proposed scenario informed by principles of landscape design and architecture and Urban Heat Island mitigation strategies. We found significant potential air and surface temperature reductions between representative and proposed vegetation scenarios:

1. A Park Cool Island effect that extended to non-vegetated surfaces.
2. A net cooling of air underneath or around canopied vegetation ranging from 0.9 °C to 1.9 °C during the warmest time of the day.
3. Potential reductions in surface temperatures from 0.8 °C to 8.4 °C in areas underneath or around vegetation.

Outdoor human comfort is determined for the remodelled downtown of Tempe, Arizona, USA, an acclaimed example of New Urbanist infill. The authors desired to know whether changes were accompanied by more comfortable conditions, especially in hot, dry summer months. The physiological equivalent temperature provided an assessment of year-round outdoor human comfort. Building compactness and tree shade that became part of the changes in the downtown provided more overall daytime human comfort than open nearby streets; however some downtown sites were less comfortable at night, but below 40°C, a threshold for human comfort in this desert environment.

We examined the horizontal and vertical nocturnal cooling influence of a small park with irrigated lawn and xeric surfaces (∼3 ha) within a university campus of a hot arid city. Temperature data from 0.01- to 3-m heights observed during a bicycle traverse of the campus were combined with modeled spatial temperature data simulated from a three-dimensional microclimate model (ENVI-met 3.1). A distinct park cool island, with mean observed magnitudes of 0.7–3.6°C, was documented for both traverse and model data with larger cooling intensities measured closer to surface level. Modeled results possessed varying but generally reasonable accuracy in simulating both spatial and temporal temperature data, although some systematic errors exist. A combination of several factors, such as variations in surface thermal properties, urban geometry, building orientation, and soil moisture, was likely responsible for influencing differential urban and non-urban near-surface temperatures. A strong inversion layer up to 1 m over non-urban surfaces was detected, contrasting with near-neutral lapse rates over urban surfaces. A key factor in the spatial expansion of the park cool island was the advection of cooler park air to adjacent urban surfaces, although this effect was mostly concentrated from 0- to 1-m heights over urban surfaces that were more exposed to the atmosphere.

Two Long-Term Ecological Research (LTER) sites now include urban areas (Baltimore, Maryland and Phoenix, Arizona). A goal of LTER in these cities is to blend physical and social science investigations to better understand urban ecological change. Research monitoring programs are underway to investigate the effects of urbanization on ecosystems. Climate changes in these urban areas reflect the expanding population and associated land surface modifications. Long-term urban climate effects are detectable from an analysis of the GHCN (Global Historical Climate Network) database and a comparison of urban versus rural temperature changes with decadal population data. The relation of the urban versus rural minimum temperatures (Tminu-r) to population changes is pronounced and non-linear over time for both cities. The Tmaxu-r data show no well-defined temporal trends.

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.