UPC CPSV


Urban-CLIMPLAN


LA ISLA DE CALOR URBANA:
EFECTOS EN EL CAMBIO CLIMÁTICO Y MODELADO PARA ESTRATEGIAS DE
PLANEAMIENTO TERRITORIAL Y URBANO

Aplicación a la Región Metropolitana de Barcelona


 


PROPUESTA CIENTÍFICA


1.- Objeto del proyecto e hipótesis de investigación


La investigación que aquí se propone tiene por objetivo estudiar los factores climáticos, geográficos, territoriales y urbanos que determinan la isla de calor del sistema metropolitano de Barcelona (3.200 km2, 4,7 millones de habitantes) con el objeto de asistir la toma de decisiones, en el marco del planeamiento y la gestión urbana, a fin de paliar los efectos negativos del cambio climático. A tal efecto se propone la construcción de un conjunto de modelos explicativos del régimen de temperaturas del suelo (LST), del aire (LSAT), así como, en general, de transferencia de calor a la atmósfera que confluyan en una plataforma integrada para la simulación de la isla de calor de la Región Metropolitana de Barcelona (RMB) encaminada al desarrollo de políticas urbanas que permitan incrementar la resiliencia de los sistemas urbanos al citado cambio en el clima.


La medición de la isla de calor, el estudio de los efectos que la misma tiene en la salud y la calidad de vida de la ciudadanía, así como el conocimiento de los factores explicativos de la misma, mediante la construcción de modelos físicos y estadísticos, ha de permitir la comprensión de la contribución de los sistemas urbanos y metropolitanos al cambio climático. A su vez, la elaboración a diferentes escalas de dichos modelos servirá para discernir el comportamiento climático de aspectos centrales de planificación territorial y urbana: los efectos del tamaño de las ciudades, de la estructura urbana (monocéntrica/policéntrica), del modelo de urbanización (compacto/disperso) así como de la morfología y materiales en el clima urbano. Modelos multiescala que abarquen la complejidad del territorio metropolitano: sistema en su conjunto, a nivel de subsistemas urbanos, así como a escala de ciudad y barrio. Todo ello encaminado a la toma de medidas que sirvan, a escala de planeamiento territorial y urbano, para paliar los efectos del cambio climático, así como incrementar la resiliencia al mismo.


La investigación propuesta se integra dentro de los objetivos prioritarios tanto de la Estrategia Europa 2020, como de la Estrategia Española 2013-2020. La EE2020 fijó dentro de los cinco objetivos clave que deben alcanzarse la contención del cambio climático, desarrollando a tal efecto el Acuerdo de Copenhague sobre Cambio Climático (2009) que planteó la necesidad de reducir el calentamiento global a un máximo de 2 °C por encima de los niveles pre-industriales. Por su parte, la Estrategia Española de Ciencia y Tecnología y de Innovación 2013-2020 ha situado como uno de sus 8 principales RETOS la Acción sobre cambio climático y eficiencia en la utilización de recursos y materias primas, en la que se indica que “el cambio climático es una de las principales amenazas de nuestra sociedad con implicaciones en todas las dimensiones del desarrollo sostenible. Es un eje clave de la política europea e internacional y requiere reforzar las acciones en investigación, desarrollo e innovación en el conocimiento científico, en la lucha contra las causas y sus efectos en España debido a la alta vulnerabilidad de nuestro país al respecto. Para ello resulta indispensable mejorar el conocimiento científico de los procesos y los mecanismos de funcionamiento de los océanos, los ecosistemas terrestres y la atmósfera, así como de las opciones de adaptación y mitigación del cambio climático” (pág. 30). El presente proyecto de investigación se inscribe, por tanto, en esta perspectiva: el conocimiento científico de las causas del cambio climático, especialmente en lo que se refiere a los cambios en los usos del suelo y sus efectos en la isla de calor urbana, así como de las medidas a adoptar para adaptar el planeamiento urbano, aumentado la resiliencia de los sistemas urbanos y metropolitanos.


Desde este encaje general, la investigación propuesta parte de una doble hipótesis:


  1. Desde una perspectiva física, que es posible modelar el comportamiento climático a la escala metropolitana y urbana. La gran mayoría de los modelos climáticos se limitan a las escalas global y regional, dejando en un segundo plano la escala local, que por lo general se considera demasiado compleja para ser analizada en detalle. Sin embargo es a esa escala local, o urbana, donde se producen la mayoría de procesos antropogénicos de los cuales deriva el cambio climático. Y no sólo las ciudades son las principales causantes del proceso de calentamiento del planeta. A su vez agrupan a la mayoría de la población, y por tanto a la ciudadanía que padece los efectos perversos de dicho cambio en el clima. La construcción de modelos multiescala de carácter físico y estadístico ha de permitir simular el clima urbano/metropolitano, determinando los principales elementos que determinan la isla de calor de nuestras ciudades. Esta es la hipótesis de partida de la presente investigación.

  2. Desde una perspectiva de planificación urbana, que se puede y se debe integrar el conocimiento del comportamiento climático de la ciudad en el planeamiento y diseño de la ciudad. Hasta ahora la disciplina de la planificación urbana y territorial ha desconocido, por regla general, los efectos en el cambio de clima que representan los modelos de desarrollo urbano adoptados. A pesar de los grandes esfuerzos realizados para incluir los aspectos ambientales, energéticos y de sostenibilidad, que tienen su principal traducción en la obligada evaluación ambiental del planeamiento, la planificación urbana no ha incorporado todavía la evaluación climática de sus determinaciones territoriales. Es preciso y urgente realizar dicha integración. Muy particularmente es necesario evaluar el comportamiento climático de los modelos de estructura (mono-policéntrica), de urbanización (compacta/dispersa), de usos e intensidades del suelo, además de los aspectos estrictamente morfológicos. Desde esta perspectiva, la presente investigación parte de la premisa de que no sólo es posible y necesario realizar dicha evaluación integrada, sino de que, además, se puede adaptar el actual paradigma de desarrollo urbano, el modelo policéntrico de ciudad compacta, a las exigencias de la resiliencia al cambio climático.


A tales efectos, la investigación que se propone integra distintas áreas disciplinares. Los equipos de investigación y de trabajo se componen de físicos y climatólogos, geógrafos, especialistas en teledetección y sistemas de información geográfica, así como arquitectos- urbanistas y planificadores urbanos.


2.- Antecedentes y estado actual


El calentamiento del sistema climático es inequívoco, como evidencian ya los aumentos observados del promedio mundial de la temperatura del aire y del océano, el deshielo generalizado de nieves y hielos, y el aumento del promedio mundial del nivel del mar” (IPCC 20071, pág. 2). De los 12 años comprendidos entre 1995 y 2006, 11 figuran entre los más cálidos en los registros de temperatura de la superficie mundial existentes desde 1850. Este aumento de temperatura está distribuido por todo el planeta y es más acentuado en las latitudes septentrionales superiores. Las regiones terrestres (fig. n. 1) se han calentado más aprisa que los océanos. La variación de las concentraciones de gases de efecto invernadero (GHG) en la atmósfera, y las variaciones de la cubierta terrestre y de la radiación solar, alteran el equilibrio energético del sistema climático. En este sentido, el origen antropogénico de los cambios observados (Trenberth et al., 20072) parece hoy un hecho igualmente incontrovertido. Las emisiones mundiales de GHG por efecto de actividades humanas han aumentado, desde la era preindustrial, en un 70% entre 1970 y 20041. El resultado de los diferentes modelos de la evolución de las temperaturas de la superficie terrestre, evidencian el protagonismo de los forzamientos de origen antropogénico, respecto a los de carácter natural.


En el caso de España y Cataluña, los estudios realizados (Brunet et al, 20073; Del Río et al, 20074; Martínez et al, 20105) han obtenido resultados similares a los observados a escala global, con incrementos del orden de 0,5ºC por década, especialmente en primavera y verano, denotando cambios que afectan asimismo al régimen de precipitaciones, así como en general a los eventos extremos de origen climático.


Estas tendencias continuarán produciéndose, acelerando incluso, a lo largo del siglo XXI. Los modelos de simulación del clima muestran un elevado nivel de coincidencia respecto a que, con las políticas actuales de mitigación de los efectos del cambio climático, las emisiones mundiales de GHG seguirán aumentando en los próximos decenios. “De proseguir las emisiones de GHG a una tasa igual o superior a la actual, el calentamiento aumentaría y el sistema climático mundial experimentaría durante el siglo XXI numerosos cambios, muy probablemente mayores que los observados durante el siglo XX” (IPCC 20071, pág. 8).


Figura n. 1: Evolución de las temperaturas (forzamientos naturales y antropogénicos)

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Fuente: IPCC 2007


Existe un elevado consenso acerca de que las ciudades tienen un protagonismo especial en este contexto de cambio climático. Según el Centre for Human Settlements (UN–HABITAT) las ciudades son responsables del 75% del consumo global de energía, así como el 80% de las emisiones GEI (http://www.un.org/press/en/2007/gaef3190.doc.htm). Con independencia que estos datos estén o no sobredimensionados (Satterthwaite, 20086; Dodman, 20097) y de que no exista todavía un protocolo estandarizado para el análisis de la contribución de las ciudades al cambio climático, como sucede en cambio para los países, no cabe duda que los procesos de estilo de vida generados a partir de la industrialización, y muy particularmente los cambios asociados a la urbanización son elementos determinantes del calentamiento global. Dicha contribución de la urbanización al cambio climático es de doble naturaleza. Por una parte por la generación urbana de GHG, lo que contribuye de forma determinante al calentamiento global del planeta, y por otra a la concreta radiación generada por la superficie del suelo urbanizado, la cual determina un determinado flujo de calor sensible y latente en virtud del tipo de cubiertas urbanas, así como a su grado de humedad.


A pesar de que el clima de las ciudades depende fundamentalmente de factores de carácter regional, como la latitud, el relieve así como la distancia a las masas de agua, factores locales y de micro-escala, como las diferentes características de la estructura urbana, la topografía y superficie de las cubiertas de suelo, la vegetación, así como el calor antropogénico generado por el metabolismo urbano, entre otros factores, pueden modificar el clima regional a la escala urbana (Lowry, 19778; Oke, 19739).


Existen diferencias significativas en el clima de las áreas urbanas comparadas con las de carácter rural (Oke, 198710). El efecto de la isla de calor urbana (UHI) describe la influencia de las superficies urbanas en los patrones de temperatura de las áreas urbanas en contraposición a las áreas circundantes. Los materiales artificiales (especialmente el asfalto y hormigón) usados usualmente en las áreas urbanizadas son una de las principales causas. Aparte de las zonas áridas y semiáridas, la UHI muestra temperaturas más altas en las zonas urbanas que en las zonas rurales (Jin et al., 200511) y depende de diversos factores, como la latitud, la altitud, la topografía, el tamaño de la ciudad (Wienert & Kuttler, 200512) y la estabilidad atmosférica (Tomlinson et al., 201213).


La acumulación de calor en las ciudades no sólo afecta a los entornos urbanos, sino que también tiene efectos a escala local e incluso global: la isla de calor urbana (UHI) se encuentra estrechamente vinculada con el cambio climático general (Roth et al, 198914, Weng et al, 200415, Voogt & Oke, 200316). Cambiando los usos permeables y húmedos, característicos del espacio rural, por los secos e impermeabilizados propios de pavimentación y edificación de las áreas urbanas se afecta de forma acusada el balance energético y la temperatura del suelo (Guo et al., 201217) así como otras muchas

propiedades como la evapotranspiración, la infiltración de agua en la superficie, el sistema de drenaje, entre otros factores que afectan al clima así como al conjunto de ecosistemas.


Los efectos de la UHI se manifiestan en diferentes escalas. Pueden distinguirse dos tipos de UHI: la “canopy layer heat island” y la “boundary level heat island”10 (fig. n. 2). La primera depende de la rugosidad del suelo generada por los edificios y la copa de los árboles, con un límite superior situado justo por encima del nivel de las cubiertas de los edificios. En esta capa, el flujo del aire y los intercambios de energía vienen gobernados por procesos de microescala que dependen de las características específicas de la superficie. La segunda se sitúa por encima de la primera, con un límite inferior sujeto a la influencia de la superficie urbana. En la capa límite urbana, que es la parte de la capa límite atmosférica por encima del nivel de los edificios cuyas características están afectadas por la presencia de la urbe, la UHI opera de forma distinta, tratándose de un fenómeno de escala local a mesoescala, controlado por procesos que operan a mayor escala espacial y temporal.


Figura n. 2: Urban Canopy & Urban Boundary Layers

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Fuente: Oke (1987)


Existe un elevado consenso acerca de que la temperatura de la superficie terrestre (LST) ocupa un papel fundamental en la generación de la UHI, al representar un factor determinante de la radiación de la superficie y el intercambio de energía (Weng, 200918), así como del control de la distribución de calor entre la superficie y la atmósfera (Oke, 200619). Guillevic et al. (201220) indican que: "la temperatura de la superficie terrestre (LST) es una variable clave que ayuda a regular los flujos e intercambios de calor por radiación, latente y sensible". En resumen, la LST regula el ambiente térmico urbano. Por ello, es necesario el modelado y predicción de los cambios ambientales así como el análisis y la comprensión de la dinámica de la LST y su relación con los cambios de origen antropogénico. La LST sirve como un indicador importante de los procesos químicos, físicos y biológicos del ecosistema y está influenciada, junto a la latitud y tipo de clima, por variables de tipo geográfico, como la elevación, orientación y pendiente, entre otros muchos factores que condicionan la incidencia de la radiación solar en la superficie terrestre, junto a las propiedades de las cubiertas y usos de suelo, como el color, la rugosidad de la superficie, la humedad, la composición química, etc. La temperatura de la superficie terrestre regula las capas bajas de la atmósfera. Por lo tanto, se la puede identificar como una variable climática clave así como factor crítico para el medio ambiente urbano dado que la LST modula el equilibrio de la energía (Tan et al., 200921).


La composición de las cubiertas de suelo es uno de los principales factores que influyen en la LST, en particular el porcentaje de cada tipo de cobertura terrestre que ocupa el área urbanizada. El área construida, asimismo, puede tener un impacto especialmente alto (Zhou et al. 201122). La temperatura de la superficie terrestre tiene, por lo general, una correlación positiva con la superficie impermeable de carácter urbano y negativa con la ocupada por bosques y zonas con vegetación. La disminución de vegetación influye en los saldos de calor, lo que lleva a un aumento de LST, al mismo tiempo, la precipitación y la evapotranspiración tiene la tendencia opuesta (Guillevic et al., 200223, Meng et al., 200924). En la literatura especializada está especialmente bien documentada la relación existente entre la LST con las cubiertas verdes y el Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). El NDVI, junto a otros indicadores de vegetación, ha sido ampliamente usado como un indicador de la cantidad, calidad y desarrollo de la vegetación, así como del impacto en la misma de la urbanización. Los trabajos que han analizado la relación NDVI-LST muestran, por lo general, una correlación negativa entre ambas variables. De igual manera se ha demostrado la existencia de una relación positiva entre la superficie impermeabilizada (impervious surface) con la LST15.


Por su parte, otras investigaciones han demostrado la correlación positiva existente entre la LST con distintos indicadores de intensidad de la edificación, como por ejemplo el NDBI (Normalized Difference Built-up Index), lo que representa que la isla de calor urbana es más alta en las áreas edificadas respecto a las no edificadas; dicha variable, han indicado diversos autores, es más estable que el NDVI, al no depender de forma acusada de la estación del año, así como por tener una relación más abiertamente lineal con la LST que el índice de vegetación (Li & Liu, 200825). La literatura especializada, asimismo, ha demostrado como la LST está relacionada no sólo con el tipo de vegetación sino también con la humedad del suelo y la densidad demográfica18. Aplicando técnicas de remote sensing, Weng (200126) analizó la expansión urbana y sus impactos en la LST, obteniendo que la expansión urbana causaba el crecimiento de la LST en 13.01 K.


El acceso a la teledetección (remote sensing, RS) ha hecho posible el estudio generalizado de la LST y, en consecuencia, de la UHI a escala local y regional. En la actualidad existen diversos sensores operacionales que permiten medir la LST: MODIS, Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection (ASTER), Landsat-7 ETM+, Landsat-8 TIRS, Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), NOAA Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Indian National Satellite System (INSAT), Geostationary Meteorological Satellite (GMS) así como el Meteorology Satellite (Meteosat), entre otros (Tomlinson et al., 201127). La figura n. 3 presenta una síntesis de dichos sensores.


Dichos satélites se caracterizan por una muy diversa variedad de resoluciones espaciales y temporales, resultando, por lo general, que a mayor resolución espacial menor resolución temporal, y viceversa (Weng et al, 201428). Entre los más utilizados se encuentran MODIS, con una resolución espacial de 1 km/píxel, y Landsat, con 30 m/píxel (120 en la banda térmica). El gran reto en el momento presente consiste en la fusión de datos entre distintos sensores. En este sentido Gao, et al. (2006)29 desarrollaron una metodología que permite mejorar la resolución espacial y temporal simultáneamente mediante la técnica denominada “Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model” (STARFM), que mezcla los datos de Landsat y MODIS para generar una información integrada. Dicha metodología de fusión de datos ha tenido mucha difusión en la literatura especializada, generando una gran variedad de modelos, entre los que destaca SADFAT desarrollado con éxito para medir la isla de calor de la metrópolis de Los Ángeles28.


Figura n. 3: Sensores RS de la LST

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Fuente: Tomlinson et al. (2011)


A pesar de que los satélites permiten medir con facilidad la LST, la UHI ha sido comúnmente estudiada a través de la temperatura del aire en la capa superficial atmosférica, usualmente, a una altura de 2 m sobre el suelo (land air surface temperature, LSAT). La temperatura del aire, medida en las estaciones meteorológicas, es una de las observaciones más frecuentemente registrada, con gran precisión y resolución temporal (Stisen et al., 200730). Sin embargo, son datos puntuales que, en general, no representan eficazmente la variación espacial de la temperatura del aire, especialmente en áreas donde la distribución de estaciones es poco densa, puesto que la temperatura del aire está afectada por propiedades que varían ampliamente en el espacio y en el tiempo (Prihodko and Goward, 199731). Ello ha conducido a numerosas investigaciones para desarrollar métodos que permitan estimar los valores de la LSAT en los espacios entre las estaciones meteorológicas. Se han utilizado diferentes técnicas de interpolación para generar una distribución espacial continua de la temperatura del aire a partir de las observaciones de las estaciones (e.g. Dodson and Marks, 199732). Sin embargo, el buen funcionamiento de los métodos de interpolación depende esencialmente de la densidad espacial y de la distribución de las estaciones. Otra aproximación clásica para modelar la temperatura del aire ha sido aplicar análisis de regresión múltiple (OLS), utilizando variables geográficas (latitud, longitud, altitud y distancia al mar) como parámetros (Ninyerola et al., 200033).


La teledetección por satélite proporciona información espacialmente continua que permite obtener la LST a escalas desde decenas de metros hasta kilómetros. El conocimiento de la distribución espacial de la LST permite otro enfoque para estudiar la isla de calor urbana, conocido como UHI superficial. Además, los satélites proporcionan datos sobre varias características y usos del suelo que permiten cuantificar la UHI superficial mediante diversos indicadores, no solamente la diferencia entre el valor medio de la LST entre zonas rurales y urbanas (19, 18, Schwarz, 201134).


No obstante, disponer de información sobre la distribución espacial de la temperatura del aire en la capa superficial atmosférica es necesario en una amplia gama de disciplinas (hidrología, meteorología, estudio de ecosistemas o del clima urbano, entre otras) para estudios a escala regional y local. La temperatura del aire es un descriptor principal de las condiciones ambientales y está involucrada en muchos e importantes procesos como la evapotranspiración real y potencial, la radiación neta o la distribución de las especies31, los algoritmos de corrección atmosférica de la LST (Qin et al., 200135) o la generación de diversos índices de estrés de las cosechas (Moran et al., 199436). Las ciencias de la salud también usan la temperatura del aire como un parámetro importante para modelar los vectores de transmisión de enfermedades o para medir el efecto de las temperaturas extremas en la mortalidad (Florio et al., 200437).


Durante las dos últimas décadas, se han propuesto diversos métodos para estimar la LSAT a partir de datos RS. La mayoría de estos métodos obtienen la LSAT a partir de la LST. Ambas temperaturas suelen estar fuertemente acopladas (véase fig. n. 4) pero sus valores pueden diferir en unos cuantos Kelvin y la magnitud y el signo de esta diferencia son variables en el tiempo y en el espacio (Good, 201438). En general, estos métodos se pueden clasificar en tres grupos: 1) Aproximaciones mediante el índice de temperatura–vegetación (TVX) (31; Nieto et al., 201139); 2) métodos estadísticos, basados en regresión lineal simple o múltiple (33, 37, 38 Vogt et al., 199740; Recondo and Pérez-Mondadeira, 200241; Cristobal et al., 200842), 3) aproximaciones basadas en el balance de energía entre la superficie del suelo y la capa atmosférica superficial (Pape and Löffler, 200443; Sun et al., 200544).

Figura n. 4: LST & LSAT diurna y nocturna

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Fuente: Environmental Protection Agency (2008)45


Algunos trabajos recientes (Chen et al., 201146, 201447) evalúan y ensayan con éxito la aplicación de un sistema de modelización atmosférica, el modelo WRF (Weather Research& Forecasting, http://www.wrf-model.org/) (Skamarock et al., 200848), desarrollado por el National Center for Atmospheric Research (NCAR), acoplado con un modelo de palio urbano, para simular los efectos de la UHI. Con este modelo es posible simular no solo la temperatura del aire a una altura de 2 m sobre el nivel del suelo, sino también su variación en altura, junto con la de otras variables atmosféricas, como la humedad y la velocidad y dirección del viento. Ello ha de permitir investigar en qué medida el desarrollo urbano potencia la intensidad de la UHI, así como la extensión horizontal y vertical de sus efectos.

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Dado el anterior contexto científico referente a la isla de calor urbana, el presente proyecto propone la construcción de un conjunto de modelos explicativos de la LST y LSAT encaminados a la asistencia en la toma de medidas que sirvan, a escala de planeamiento territorial y urbano, para paliar los efectos del cambio climático, así como incrementar la resiliencia al mismo.


El planeamiento urbano tiene una transcendencia fundamental para informar, coordinar e implementar medidas para mejorar la calidad climática de las ciudades frente al cambio climático global (Alcoforado & Matzerakis, 201049). Se han producido algunas iniciativas para introducir en la planificación territorial metodologías dirigidas a paliar el cambio climático. Especialmente en la “pequeña escala”, existe una amplia experiencia de diseño bioclimático urbano (p.e. Gómez et al. 200450 entre una extensa bibliografía que no es posible reproducir aquí). A su vez, a nivel de edificio se ha producido en los últimos años un importante esfuerzo para aumentar la eficiencia energética, con el objetivo de reducir de forma paralela la generación de GHG (Directivas 2002/91/CE y 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo relativas a la eficiencia energética de los edificios). En la “gran escala” sin embargo, la del planeamiento urbano y territorial, no parece existir una sensibilización paralela, siendo escasas las iniciativas para adaptarlo por tal de aumentar la resiliencia urbana al cambio climático. En este sentido la reflexión permanece todavía en el campo teórico, no habiendo descendido a la arena de la práctica de la planificación. A pesar de la abundancia de estudios científicos producidos a lo largo de las últimas décadas acerca de los efectos de la urbanización en el clima, así como de los demostrados perversos resultados que en la salud y en la calidad de vida de las personas generan los eventos extremos resultado del cambio climático, el planeamiento territorial y urbano aún no parece haberse adaptado al mismo.


El impacto de la isla de calor urbano (UHI) no sólo afecta al incremento de las temperaturas sino que también puede cambiar las tasas y ritmos de precipitación, generando un aumento de los eventos tormentosos y de precipitación intensa así como un incremento de las nieblas y nubes. Por otra parte, la UHI tiene un inmenso impacto en la salud y el bienestar de los ciudadanos (Wenzel, 200751). Este es especialmente preocupante cuando se producen episodios extremos como las olas de calor, ya que se suman los efectos de la UHI al de la situación sinóptica extrema. En los últimos años podemos destacar el episodio de Agosto de 2003 en Europa occidental, en la que se produjeron entre 22.000 y 45.000 muertes relacionadas con el fenómeno (Vandentorren et al., 200452). Además, el mayor porcentaje de muertes relacionadas con estos episodios se producen en las zonas urbanas (Palecki et al., 200153). También es destacable la ola de calor que se está produciendo actualmente, Junio-Julio de 2015, en Europa occidental (https://www.climate.gov/news-features/event- tracker/summer-heat-wave-arrives-europe). Se estima que la frecuencia, intensidad y los impactos de las olas de calor se incrementarán en las próximas décadas (Meehl and Tebaldi, 200454, IPCC 201455). Por ello, algunas ciudades están implementando tecnologías y políticas apropiadas para mitigar el impacto en la población (Sheridan and Kalkstein, 200456).


Los diferentes escenarios propuestos por el IPCC necesitan ser adaptados a la realidad urbana, generando una conciencia progresiva entre los planificadores urbanos acerca de los efectos del cambio climático en las ciudades. En este sentido, Matzarakis & Endler (201057), por ejemplo, han analizado las perspectivas climáticas en la ciudad de Freiburg, entre los periodos 1961-90 y 2071-2100 mediante dos escenarios del IPCC (A1B y B1); de esta manera dichos autores han modelado los efectos previsibles en las distintas áreas de la ciudad, cuantificando los cambios previstos a finales de siglo XXI en función de parámetros tales como los posibles cambios en la morfología urbana, materiales y vegetación (Matzarakis et al., 200058).


El desarrollo de los llamados climatopes se ha erigido como uno de los mecanismos más eficaces para la introducción del clima en la planificación territorial y urbana a la “gran escala” (meso-escala, en términos climáticos). Los inicios de esta técnica se encuentran en los trabajos pioneros desarrollados por investigadores alemanes a finales de los 70’ (Matzarakis, 200559), los cuales alumbraron la nueva técnica de los climatopes en las investigaciones seminales de Baumüller et al. (1998)60, en el marco del proyecto ‘Urban climate 21’ - Climatological basics and design features for ‘Stuttgart 21’, así como Scherer et al. (1999)61, a partir del desarrollo de un proyecto de investigación en Basilea (Suiza). En palabras del Climate Atlas de la Nachbarschaftsverband Stuttgart (asociación de barrios de la metrópoli de Stuttgart, desaparecida en 1992), los climatopes pueden ser definidos como las “areas with similar microclimatic characteristics. They differ especially in the daily temperature curve, the vertical roughness (wind field disturbances), the topographic position and exposure and above all in the type of actual land use. Another criterion for particular climatopes is the quantity of emissions. As microclimatic characteristics in built-up areas are primarily determined by the type of actual land use and especially by the type of development, climatopes are named after the dominant type of land use” (http://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?climate_climate_atlas_1992_9_climatopes).


Chao et al. (2010)62 han realizado una revisión sistemática de la investigación especializada acerca de los climatopes, denominados en la literatura de lengua inglesa, urban climatic maps (UCM), o más concretamente local climate zones (LCZ), identificando cerca de 30 aportaciones. Destacan los trabajos realizados para Tokio (Architectural Institute of Japan, 200063), Berlin (Berlin Digital Environmental Atlas, 200364), Freiburg59, Hong Kong (Ren et al. 200765), Lisboa49 o Vancouver (Stewart et al. 201466).


Dichos trabajos han puesto de relieve la importancia de integrar la evaluación climática pormenorizada en el planeamiento territorial y urbano. Se ha superado de manera definitiva la tradicional aproximación que diferenciaba exclusivamente lo “urbano” de lo “rural”, con pequeña, o nula, atención a la micro-escala. En este sentido, la incorporación de la cultura centro-europea de los climatopes en el discurso oficial de la climatología urbana de cultura anglosajona, ha sido fundamental. El concepto de ‘local climate zone’ (LCZ) desarrollado recientemente por Stewart & Oke (2012)67 ha servido de lazo de unión entre ambos planteamientos, anteriormente distanciados entre sí.


La introducción de la evaluación climática en la planificación urbana y territorial puede servir para la mitigar los efectos de la UHI. Es necesario introducir en el planeamiento la cultura de la evaluación del mismo en el contexto de cambio climático, de forma similar a cómo la sostenibilidad y los efectos en el medio ambiente se han introducido en la evaluación ambiental del planeamiento (Roca, et al., 200268). Y es necesario introducir en el mismo medidas como la limitación de la expansión urbana (crecimiento a expensas de los “green fields”), el incremento de las áreas verdes (incluidas las cubiertas y las fachadas de los edificios) así como del porcentaje de suelo permeable, la modificación del albedo de los materiales y pavimentos (aumentado el grado de reflexión de la radiación solar entrante), la integración de cuerpos de agua artificiales, la promoción de la ventilación urbana, la disposición de la edificación y, en general, la composición de la morfología urbana de forma que facilite la circulación del aire, genere cañones urbanos y suavice las temperaturas, son elementos que deben ser incluidos en las prácticas cotidianas de la planificación urbana y territorial.


En este sentido permanecen numerosos interrogantes a los que el proyecto intentará dar respuesta. ¿Se puede modelar el clima urbano con un grado de detalle suficiente para evaluar los efectos en la UHI de las distintas políticas urbanas? ¿Qué es más eficiente desde el punto de vista de la UHI, la ciudad compacta o la ciudad dispersa? ¿Afecta la estructura urbana (mono/policéntrica) la generación de la UHI? ¿Puede el planeamiento introducir medidas que incrementen la eficiencia de la ciudad compacta y policéntrica desde un punto de vista climático? ¿Cómo afecta el diseño urbano al clima de la ciudad? Estas son, entre otras, preguntas a las que el presente proyecto de investigación espera poder aportar respuestas.


3.- Objetivos específicos del proyecto de investigación


En el marco general que se acaba de exponer, la investigación aquí propuesta tiene como objetivos específicos:


  1. El conocimiento y análisis de la evolución en el clima de la Región Metropolitana de Barcelona (RMB). Concretamente su régimen de temperaturas, precipitaciones y régimen de vientos en el periodo comprendido entre 1975 y 2015. De forma más específica, se analizarán los episodios de olas de calor, inundaciones, periodos de sequía y vendaval acusados, así como su evolución en el tiempo.

  2. El desarrollo de un Sistema de Información Climático Integrado (SICI) que incorpore las principales variables gráficas y alfanuméricas de la Región Metropolitana de Barcelona (RMB) relativas a factores geográficos, climáticos, cubiertas y usos del suelo así como las previsiones del planeamiento urbanístico. A dicho sistema de información se le agregarán las bases de datos necesarias para el análisis territorial, como la información catastral, económica, demográfica, social y ambiental.

  3. El modelado mediante técnicas remote sensing (a partir de Landsat, Modis, así como otros posibles sensores) de la temperatura de la superficie terrestre (LST), así como de los factores que la determinan: componente natural, climático-geográfica (altitud, latitud, distancia al mar, …), y componente de artificialización (vegetación, usos del suelo, intensidad de la edificación, …). A tal efecto se elaborarán modelos a diferentes escalas de resolución utilizando técnicas de regresión múltiple ordinaria (OLS) así como geográficamente ponderada (GWR).

  4. Elaboración de un modelo (OLS) de la temperatura del aire a 2 metros de altura (LSAT) mediante métodos estadísticos, utilizando para ello las observaciones reales proporcionadas por las estaciones meteorológicas de las redes públicas y los valores de la temperatura de la superficie del suelo (LST), además de otras variables de teledetección y de carácter geográfico y climático. Se analizará cuáles son las variables más relevantes para la estimación de la LSAT y se cuantificará la bondad del modelo obtenido para la LSAT mediante el valor promedio del error cuadrático medio (RMSE).

  5. De forma alternativa se desarrollará un modelo físico para la determinación de la transferencia de la LST a la atmósfera, que será contrastado tanto con la información medida “in situ” como con el modelo estadístico anteriormente desarrollado. A tal efecto, se aplicará un método que explique las diferencias entre la LSAT y la LST mediante razonamientos basados en principios físicos, a partir del balance de energía entre la superficie del suelo y la capa atmosférica superficial. Se determinarán los valores de la LSAT a partir de la ecuación resultante y los resultados obtenidos se contrastarán con las observaciones reales y con los derivados por métodos estadísticos en el objetivo anterior.

  6. Adicionalmente se ensayará el desarrollo de un sistema de simulación y pronóstico del clima urbano. Se aplicará el sistema de modelización atmosférica WRF (Weather Research & Forecasting), desarrollado por el National Center for Atmospheric Research (NCAR), acoplado con un modelo de palio urbano, para investigar el impacto de la urbanización en la meteorología y el clima así como los procesos que conforman los patrones espaciales y temporales de la UHI a diferentes escalas de resolución (regional, subsistemas urbanos, y de microescala). En este sentido, se simulará la temperatura del aire a una altura de 2 m sobre el nivel del suelo y también su variación en altura, junto con la de otras variables atmosféricas, como la humedad y la velocidad y dirección del viento. Se investigará la intensidad de la UHI y la extensión horizontal y vertical de sus efectos, así como su impacto en el balance de energía en la superficie.

  7. Resultado de los anteriores objetivos será la construcción de una plataforma integrada para la simulación de la isla de calor de la RMB. Dicha plataforma deberá servir no sólo para la medición de la isla de calor, sino también para conocer las variables explicativas de la misma, la evaluación de situaciones de riesgo, la realización de pronósticos en virtud a la modificación de los parámetros determinantes, así como la asistencia desde una perspectiva climática al proceso de planeamiento urbano.

  8. Se aplicará la plataforma integrada de simulación para evaluar los episodios extremos de los últimos años, como las olas de calor del 2003 y 2015. Dicho ensayo permitirá conocer el comportamiento de la plataforma ante eventos de tipo excepcional, como las derivadas del cambio climático. Se realizará una comparativa entre los resultados obtenidos para los episodios del 2003 y del 2015 y sus efectos en la forma de la isla de calor. También se compararán las temperaturas aparentes o de sensación de los diferentes días de ambos episodios para ver las consecuencias en la salud de las personas. Se estudiarán las situaciones sinópticas de ambos episodios.

  9. La herramienta de simulación integrada se aplicará para evaluar la contribución a la generación de la isla de calor de los distintos modelos de urbanización de la RMB. Concretamente el efecto del tamaño de las ciudades, el carácter monocéntrico (continuo urbano de Barcelona) / policéntrico (resto de subsistemas urbanos) del sistema metropolitano, así como la evaluación climática de los territorios compactos y dispersos. De igual manera se evaluarán los efectos de la impermeabilización del suelo, nivel de vegetación, tipos de uso y otros factores que puedan determinar la contribución a la isla de calor de los modelos de urbanización.

  10. A escala regional y municipal, se elaborarán los “climatopes” del sistema metropolitano de Barcelona, así como el régimen y características climáticas de las distintas “zonas climáticas” que lo conforman. Dichos instrumentos han de servir para asistir al planeamiento territorial y urbano para la toma de decisiones encaminadas a incrementar la resiliencia de la RMB ante el cambio climático.

  11. La plataforma se aplicará, igualmente, para evaluar a la microescala los efectos climáticos de las diferentes morfologías urbanas, determinando los efectos del trazado, orientación, vegetación, usos artificiales del suelo, impermeabilización del mismo, materiales, tipología edificatoria e intensidad de la edificación, entre otros factores que puedan afectar a la isla de calor urbana.

  12. Evaluación social de los efectos del cambio climático. El proyecto permitirá la identificación a la microescala de las zonas de riesgo y sectores de la población más expuestos a los efectos perversos producidos por eventos climáticos extremos, así como, en consecuencia, la asistencia a la toma de decisiones de gestión urbana dirigidos a paliar las consecuencias negativas del cambio climático.

  13. De forma complementaria se estudiarán las principales contribuciones internacionales a la inclusión en el planeamiento urbano de las variables climáticas.

  14. Finalmente, el proyecto propondrá un conjunto de escenarios de “buenas prácticas” del planeamiento territorial y urbano, a las diferentes escalas (regional, municipal y de barrio) a fin de paliar los efectos de la isla de calor.


Conforme a los anteriores objetivos, el esquema general de la investigación propuesta se puede sintetizar en el esquema de investigación que se presenta a continuación:


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Bibliografia