Obiettivi e metodologia

Questa tesi è volta all'analisi dell'Isola di calore della città di Torino e di come questa interagisca con i comuni adiacenti, evidenziando variazioni di temperatura tra l'interno della città e le sua periferia. Il lavoro è partito con la ricerca delle stazioni meteorologiche sparse per la città di Torino e nei comuni della prima e seconda cintura; ottenute le temperature medie di queste stazioni si è passato al calcolo dei diversi fattori che influenzano la temperatura delParia, quali lo studio delle Variabili di forma urbana. Tramite immagini satellitari dei sensori LANDSAT 8 OLI e ASTER EOS AM 1 - TERRA sono stati calcolati gli indici di Albedo, NDVI (Normalized Vegetation Index) ed LST (Land Surface Temperature), anch'essi influenti sulla temperatura dell'aria. Questi calcoli sono stati fatti grazie al software Arcgis 10.4. Le operazioni eseguite e l'approfondimento dei passaggi sono descritti tramite equazioni e immagini catturate dal programma stesso in fase di lavoro ed allegate in appendici. Attraverso i risultati ottenuti delle Variabili di forma urbana, l'Albedo, l'NDVI, lo studio delle temperature medie mensili delle stazioni meteorologiche, la distanza dal centro della città e le quote sul livello del mare delle stazioni è stato costruito un modello, fulcro del lavoro svolto, in cui è possibile calcolare la Temperatura dell'aria in funzione dei parametri appena citati. I risultati vengono confrontati con la Land Surface Temperature (LST, temperatura del suolo) da non confondere con la temperatura dell'aria, ma anzi parametro che influenza la stessa. Questo modello può essere utile in fase di progettazione e/o intervento sul costruito ai fini di rendere più sostenibile lo sviluppo urbano.

Stato dell'Arte

Ideatore del concetto di Isola di calore urbano, Urban Heat Island (UHI), fu Luke Howard, climatologo, quando nel 1818 si accorse che la temperatura in ambito urbano è maggiore di quella delle zone rurali [19]. Si pensa che sia stato lo stesso Luke Howard ad analizzare il fenomeno dell'isola di calore attraverso "The climate of London", uno scritto in cui descriveva il clima di Londra, ma lo studio vero e proprio è da attribuirsi a Gordon Manley, che nel 1958, scrisse un articolo nel "Quarterly Journal of thè Royal Metereology Society" in cui per la prima volta comparve il termine isola di calore. L' aumento della temperatura dell'aria all'intemo di una città causa discomfort abitativo e aumento della domanda di energia, soprattutto per il raffrescamento estivo. L'Isola di calore è inoltre caratterizzata da variazione spazio-temporale in base alla geolocalizzazione della città, le sue caratteristiche e l'ora del giorno [17]. La nascita di nuove megalopoli, lo sviluppo delle città già esistenti con edifici alti posizionati senza considerare canali di ventilazione adeguati uniti all'elevato assorbimento di irradiazione solare da parte dei materiali artificiali sempre più impermeabili incrementa tale fenomeno. Esistono al giorno d'oggi strategie di mitigazione quali, l'utilizzo di materiali ad elevato indice di albedo, ovvero elevato indice di riflessione della radiazione solare, i cosiddetti materiali "freddi", l'incremento di superfici a verde e la vegetazione fino alle tecnologie dei cool roof e green roof. Tramite una panoramica sulla letteratura del caso negli ultimi vent'anni si è presa visione dei metodi per mappare ed analizzare le isole di calore ed i fattori ad esse correlati per individuare delle soluzioni in grado di mitigarne gli effetti. Da questa schematizzazione della letteratura dell'ultimo ventennio in fatto di Isole di calore urbano è possibile dedurre un quadro di approccio allo studio dell'argomento dagli anni Novanta ad oggi. Si può evincere innanzitutto che i primi studi e le prime pubblicazioni in materia risalgono appunto agli inizi degli anni Novanta e hanno cominciato a moltiplicarsi dal 2011 in poi. La quasi totalità delle pubblicazioni prese in esame trattano l'argomento, ma anche quelle che non lo trattano direttamente si occupano comunque di analizzare l'andamento della temperatura superficiale (LST). Per questo i primi studi erano maggiormente incentrati sui cambiamenti di uso e copertura del suolo senza ancora strettamente correlarli al fattore di Albedo o ad altri fattori di forma urbana. Questi divengono soggetto delle analisi dal 2014 al presente, in cui si è arrivati a monitorare gli interventi già effettuati sull'incremento dei materiali riflettenti ed anche effetti secondari e conseguenze che questi possono provocare sul microclima. La maggioranza si è servita di dati satellitari, mentre recentemente si riscontrano numerosi utilizzi di dati meteorologici o di entrambe le tipologie per poter confrontare i risultati ottenuti dai dati misurati rispetto a quelli calcolati come è stato fatto anche in questa analisi dell'Isola di calore urbano della città metropolitana di Torino. Per quanto riguarda l'elaborazione grafica dei dati, i GIS (Geographic Information System) sono sempre stati abbastanza utilizzati, ma recentemente si passa spesso allo sviluppo di modelli per un'analisi più focalizzata che tenga conto anche della componente energetica e possa funzionare da vero supporto alla progettazione edilizia sostenibile. L'area e la scala di studio risultano svariate da sempre, ma oggi si rilevano pubblicazioni di paesi che hanno nel frattempo raggiunto un buon livello di sviluppo, oltre che di paesi anche piccoli e dell'area del Medio Oriente nella quale cresce l'attenzione verso l'incalzante desertificazione. Nel complesso L'Isola di calore urbano è un fenomeno riconosciuto e studiato oramai globalmente.

1.1.Manifestazione

1.2.Tipologie

1.2.1.UHI, Urban Heat Island

1.2.2.SUHU, Surface Urban Heat Island

1.2.3.SUHI, Subsurface Urban Heat Island

1.2.4.MUHI, Micro Urban Heat Island

1.2.5.UHS, Urban Heat Sink

1.3.Cause e fattori di influenza

1.4.L'intensità dell'isola di calore urbano (UHI)

1.5.Conseguenze

1.6.Tecniche di mitigazione

1.6.1.Superfici riflettenti

1.6.2.Incremento della vegetazione

2.IL TELERILEVAMENTO

2.1.Evoluzione e fondamenti

2.2.Principi e metodi di telerilevamento

2.3.II telerilevamento Termico (Thermal Remote Sensing)

2.4.Lo spettro elettromagnetico

2.5.Finestre spettrali

2.5.1.Schematizzazione del Telerilevamento

2.6.Concetti fondamentali

2.6.1.Tecniche e metodi

2.6.2.I satelliti per l'osservazione della terra

2.6.3.Dalle immagini ai parametri di superficie

2.6.4.Caratteristiche dei sistemi

2.6.5.Dal segnale alla misura

2.6.6.Immagini Telerilevate

2.7.II telerilevamento e i sistemi informativi territoriali - GIS

2.8.Trasmissione del Calore

2.8.1.Termodinamica e Termocinetica

2.8.2.II corpo nero e la Funzione di Planck

2.8.3.Legge di Wien

2.8.4.Legge di Stefan-Boltzmann

2.9.Emissività

2.9.1.Meccanismi di emissione

2.9.2.Caratteristiche spettrali delle superfici naturali

2.10.I satelliti per l'osservazione della terra

2.10.1.tipologie di piattaforme

2.11.Piattaforme utilizzate: Landsat e Aster

2.11.1.Piattaforma Landsat

2.11.1.1.II satellite Landsat 8 OLI-TIRS

2.11.2.Piattaforma Aster

3.RACCOLTA ED ELABORAZIONE DATI SATELLITARI

3.1.NDVI Normalized Difference Vegetation Index

3.1.1.Calcolo NDVI da immagini ASTER

3.1.2.Calcolo NDVI da immagini LANDSAT 8

3.2.L'indice di ALBEDO

3.2.1.Calcolo ALBEDO da immagini ASTER

3.2.1.1.Materiali

3.2.1.2.Procedimento

3.2.2.Calcolo ALBEDO da immagini LANDSAT 8

3.2.2.1.Materiali

3.2.2.2.Procedimento

3.2.3.Verifica dei valori di Albedo

3.3.Land surface temperature LST

3.3.1.Calcolo LST da immagini ASTER

3.3.2.Calcolo LST da immagini LANDS AT 8

4.VARIABILI DI FORMA URBANA

4.1.Materiale

4.2.Calcolo indicatori di forma urbana

4.2.1.BCR Building Coverage Ratio

4.2.2.BD Building Density

4.2.3.BH Building Height

4.2.4.H/W Aspect Ratio

4.2.5.H/Hm Height of a building and the average height of the surrounding

BO Building Orientation

4.2.6.MOS Main Orientation of street

4.2.7.UM Urban Morphology

4.2.8.Polar exPlosure o solar factor

4.2.9.GUP Global Urban Morphology e Solar Explosure

4.3.Correlazione tra la temperatura dell'aria e le variabili di forma

5.RACCOLTA ED ELABORAZIONE DATI METEOROLOGICI

5.1.II caso studio: Città metropolitana di Torino

5.2.Stazioni meteorologiche

5.3.Formulazione del modello della Temperatura dell'aria calcolata, GUPA

5.4.Verifica del modello

CONCLUSIONI

RINGRAZIAMENTI

BIBLIOGRAFIA

APPENDICE A

APPENDICE A1

APPENDICE B

APPENDICE B1

APPENDICE C

APPENDICE C1

ALLEGATI

Kardinal Jusuf et al., 2007, "The influence of land use on the urban heat island in Singapore", Habitat International, n. 31, pp. 232-242

Li et al., 2009, "Remote sensing evaluation of urban heat island and its spatial pattern of the Shanghai metropolitan area, China", Ecological Complexity, n. 6, pp. 413-420

Stathopoulou, Cartalis, 2009, "Downscaling AVHRR land surface temperatures for improved surface urban heat island intensity estimation", Remote Sensing of Environment, n. 113, pp. 2592-2605

Unger et al., 2010, "Comparison and generalisation of spatial patterns of the urban heat island based on normalized values", Physics and Chemistry of the Earth, n. 35, pp. 107-114

Onischi et al., 2010, "Evaluating the potential for urban heat-island mitigation by greening parking lots", Urban Forestry & Urban Greening, n. 9, pp. 323-332

Mills et al., 2010, "Climate Information for Improved Planning and Management of Mega Cities (Needs Perspective)", Procedia Environmental Sciences, vol. 1, pp. 228- 246

Jiang, Tian, 2010, "Analysis of the impact of Land use/Land cover change on Land Surface Temperature with Remote Sensing", Procedia Environmental Sciences, vol. 2, pp. 571-575

Grimmond et al., 2010, "Climate and More Sustainable Cities: Climate

Infonnation for Improved Planning and Management of Cities (Producers/Capabilities Perspective)", Procedia Environmental Sciences, vol. 1, pp. 247-274

Houet, Pigeon, 2011, "Mapping urban climate zones and quantifying climate

behaviors - An application on Toulouse urban area (France) ", Environmental Pollution, n. 159, pp. 2180-2192

Szymanowski, Kryza, 2011, "Application of geographically weighted

regression for modelling the spatial structure of urban heat island in the city of Wroclaw (SW Poland)", Procedia Environmental Sciences, n. 3, pp. 87-92

Ooka et al., 2011, "Influence of meteorological conditions on summer ozone levels in the central Kanto area of Japan", Procedia Environmental Sciences, vol. 4, pp. 138-150

Merbitz et al., 2011, "GIS-based identification of spatial variables enhancing

heat and poor air quality in urban areas", Applied Geography, n. 33, pp. 94-106

Li et al., 2011, "Impacts of landscape structure on surface urban heat islands: A case study of Shanghai, China", Remote Sensing of Environment, n. 115, pp. 3249- 3263

Schwarz et al., 2011, "Exploring indicators for quantifying surface urban heat islands of European cities with MODIS land surface temperatures", Remote Sensing of Environment, n. 115, pp. 3175-3186

Fang et al., 2011, "Modeling Autoregressive Models in Cool Island Effects associated with Remote Telemeter Technology (ASTER) in Taiwan: A GIS Approach", Procedia Environmental Sciences, vol. 10, part B, pp. 1459-1465

Xu et al., 2011, "Dynamical Monitoring and Evaluation Methods to Urban Heat Island Effects Based on RS&GIS", SciVerse ScienceDirect, n.10, pp. 1228-1237

Lelovics et al., 2011, "Satellite- and Ground-Based Temperature Observations used in Assessing the Urban Heat Island Phenomena", Procedia Computer Science, vol. 7, pp. 183-184

Shahmohamadi, 2011, "Healthy Environment: The Need to Mitigate Urban Heat Island Effects on Human Health", Procedia Engineering, vol. 20, pp. 61-70

Caihua et al., 2011, "Application of Urban Thermal Environment Monitoring Based on Remote Sensing in Beijing", Procedía Environmental Sciences, vol. 11, part C, pp. 1424-1433

Schwarz et al., 2012, "Relationship of land surface and air temperatures and its implications for quantifying urban heat island indicators - An application for the city of Leipzig (Germany)", Ecological Indicators, n. 18, pp. 693-704

Zhang et al., 2012, "Study on Urban Heat Island effect based on Normalized Difference Vegetated Index: a case study of Wuhan City", SciVerse ScienceDirect, n.

pp. 574-581

Oikonomou et al., 2012, "Modelling the relative importance of the urban heat island and the thermal quality of dwellings for overheating in London", Buildin and Environment, n. 57,, pp. 223-238

Li et al., 2012, "Monitoring patterns of urban heat islands of the fast-growing Shangai metropolis, China: using time-series of Landsat TM/ETM+data", Internal Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, n. 19, pp. 127-138

Yeo et al., 2012, "Development of an Environment and energy Geographical Information System (E-GIS) construction model to support environmentally friendly urban planning", Applied Energy, n. 104, pp. 723-7397

Buyadi et al., 2013, "Green Spaces Growth Impact on the Urban Microclimate", Procedía - Social and Behavioral Sciences, vol. 105, pp. 547-557

Radhi et al., 2013, "Impacts of urbanisation on the thermal behaviour of new built up environments: A scoping study of the urban heat island in Bahrain", Landscape and Urban Planning, n. 113, pp. 47-61

Xu et al., 2013, "Correlation analysis of the urban heat island effect and the spatial and temporal distribution of atmospheric particulates using TM images in Beijing", Environmental Pollution, n. 178 , pp. 102-114

Mallick et al., 2013, "Modelling urban heat islands in heterogeneous land surface and its correlation with impervious surface area by using night-time ASTER satellite data in highly urbanizing city, Delhi-India", SciVerse ScienceDirect, n. 52 , pp. 639-655

Zhang et al., 2013, "Analysis of land use/land cover change, population shift, and their effects on spatiotemporal patterns of urban heat islands in metropolitan Shangai, China", Applied Geography, n. 44, pp. 121-133

Feng et al., 2014, "Using land use change trajectories to quantify the effects of urbanization on urban heat island", ScienceDirect, n. 53, pp. 463-473

Chun, Guldmann, 2014,"Spatial statistical analysis and simulation of the urban heat island in high-density central cities", Landscape and Urban Planning, n. 125, pp. 76-88

Middel et al., 2014,"Impact of urban form and design on mid-afternoon microclimate in Phoenix Local Climate Zones", Landscape and Urban Planning, vol. 122, pp. 16-28

Chen et al., 2014, "WRF simulations of urban heat island under hot-weather synoptic conditions: The case study of Hangzhou City, China", Atmospheric Research, vol. 138, pp. 364-377

Lehmann, 2014, "Low carbon districts: Mitigating the urban heat island with green roof infrastructure", City, Culture and Society, vol. 5, issue 1, pp. 1-8

Scaini et al., 2014, "A GIS-based methodology for the estimation of potential volcanic damage and its application to Tenerife Island, Spain", Journal of Volcanology and Geothermal Research, n. 278-279, pp. 76-88

Ivajnsic et al., 2014, "Geographically weighted regression of the urban heat island of a small city", Applied Geography, n. 53, pp. 341-353

Thomas et al., 2014, "Analysis of Urban Heat Island in Kochi, India, Using a Modified Local Climate Zone Classification", Procedia Environmental Sciences, vol. 21, pp. 3-13

Doick et al., 2014, "The role of one large greenspace in mitigating London's nocturnal urban heat island", Science of The Total Environment, vol. 493, pp. 662-671

Effat, Hassan, 2014, "Chenge detection of urban heat islands and some related parameters using multi.temporal Landsat images; a case study for Cairo city, Egypt", Urban Climate, n. 10, pp. 171-188

O'Malley et al., 2014, "An Investigation into Minimizing Urban Heat Island (UHI) Effects: A UK Perspective", Energy Procedia, vol. 62, pp. 72-80

Nasir et al., 2015, "Adapting Human Comfort in an Urban Area: The Role of Tree Shades Towards Urban Regeneration", Procedia - Social and Behavioral Sciences, vol. 170, pp. 369-380

van Hove et al., 2015, "Temporal and spatial variability of urban heat island and thermal comfort within the Rotterdam agglomeration", Building and Environment, vol. 83, pp. 91-103

Kumar, 2015, "Remote Sensing Based Vegetation Indices Analysis to Improve Water Resources Management in Urban Environment", Aquatic Procedia, vol. 4, pp. 1374-1380

Touchaei, Wang, 2015, "Characterizing urban heat island in Montreal (Canada)

Effect of urban morphology", Sustainable Cities and Society, pp. 1-8

Yang et al., 2015, "Environmental impacts of reflective materials: Is high albedo a 'silver bullet' for mitigating urban heat island?", Renewable and Sustainable Energy Reviews, n. 47, pp. 830-843

Vieira Araujo et al, 2015, "Sao Paulo urban heat island have a higher incidence of dengue than other urban areas", The Brazilian Journal of Infectious Diseases, vol. 19, issue 2, pp. 146-155

Salata et al., 2015, "How high albedo and traditional buildings materials and vegetation affect the quality of urban microclimate. A case study", Energy and Buildings, pp. 1 -45

Bakannan, Chang, 2015, "The Influence of Height/width Ratio on Urban Heat Island in Hot-arid Climates", Procedia Engineering, vol. 118, pp. 101-108

Coseo, Larsen, 2015 "Cooling the Heat Island in Compact Urban Environments: The Effectiveness of Chicago's Green Alley Program", Procedia Engineering, vol. 118, pp. 691-710

Weber et al., 2015, "Policy-relevant indicators for mapping the vulnerability of urban populations to extreme heat events: A case study of Philadelphia", Applied Geography, vol. 63, pp. 231-243

Mirzaei, 2015, "Recent challenges in modeling of urban heat island", Sustainable Cities and Society, vol. 19, pp. 200-206

Shi et al., 2015, "Influence of urbanization on the thermal environment of meteorological station: Satellite-observed evidence", Advances in Climate Change Research, vol. 6, issue 1, pp. 7-15

van Hove et al., 2015, "Temporal and spatial variability of urban heat island and thermal comfort within the Rotterdam agglomeration", Building and Environment, n. 83, pp. 91-103

Yang et al., 2015, "Thermal Comfort in High-rise Urban Environments in Singapore", Procedía Engineering, vol. 121, pp. 2125-2131

Wang et al., 2015,"The Urban Heat Island Effect in the City of Toronto", Procedía Engineering, wo\. 118, pp. 137-144

Mohan, Kandya, 2015, "Impact of urbanization and land-use/land-cover change on diurnal temperature range: A case study of tropical urban airshed of India using remote sensing data", Science of the Total Environment, n. 506-507, pp. 453- 465

Pisello et al., 2015, "Combined Thermal Effect of Cool Roof and Cool Façade on a Prototype Building", Energy Procedía, vol. 78, pp. 1556-1561

Lemonsu et al., 2015, "Vulnerability to heat waves: Impact of urban expansion scenarios on urban heat island and heat stress in Paris (France)", Urban Climate, vol.

part 4, pp. 586-605

Wong et al., 2015, "Temporal Statistical Analysis of Urban Heat Islands at the Microclimate Level", Procedía Environmental Sciences, vol. 26, pp. 91-94

Mazzotta et al., 2015, "Environmental High Performance Urban Open Spaces Paving: Experimentations in Urban Barriera (Turin, Italy)", Energy Procedía, vol. 78, pp.669-674

Tumini et al., 2016, "Urban microclimate and thermal comfort modelling: strategies for urban renovation", International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development.