1. Αποθετήριο Παραδοτέων Υποτρόφων Δράσεων ΕΣΠΑ Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης 2017-2023
2. Όλο το Αποθετήριο
3. Υποψήφιοι διδάκτορες

Τύπος:	Διδακτορική διατριβή
Τίτλος:	Εκτίμηση της συμβολής της αστικής μορφολογίας και λειτουργίας στο αστικό θερμικό περιβάλλον με την ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης
Εναλλακτικός τίτλος:	Αssessment of the contribution of urban form and function to the state of the urban thermal environment through the development of advanced satellite remote sensing techniques
Συγγραφέας:	[EL] Αγαθαγγελίδης, Ηλίας[EN] Agathangelidis, Ilias
Επιβλέπων διατριβής:	[EL] Καρτάλης, Κωνσταντίνος[EN] Cartalis, Constantinos
Συμβουλευτική επιτροπή:	[EL] Σανταμούρης, Ματθαίος[EN] Santamouris, Mattheos [EL] Χρυσουλάκης, Νεκτάριος[EN] Chrysoulakis, Nektarios
Μέλος εξεταστικής επιτροπής:	[EL] Ασημακοπούλου, Μαργαρίτα-Νίκη[EN] Assimakopoulos, Maragarita-Niki [EL] Βαρώτσος, Κωνσταντίνος[EN] Varotsos, Costas [EL] Κεραμίτσογλου, Ιφιγένεια[EN] Keramitsoglou, Iphigenia [EL] Κοτρώνη, Βασιλική[EN] Kotroni, Vassiliki
Ημερομηνία:	20/02/2020
Περίληψη:	Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιχειρήθηκε μία πολυδιάστατη μελέτη του θερμικού περιβάλλοντος του πολεοδομικού συγκροτήματος της Αθήνας. Η ερευνητική προσπάθεια είχε ως στόχο την εκτίμηση της επίδρασης της αστική μορφολογίας και λειτουργίας στο αστικό θερμικό περιβάλλον. Η μελέτη υλοποιήθηκε κατά κύριο λόγο με την ανάπτυξη τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης και επικουρικά με την εφαρμογή Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και αριθμητικής προσομοίωσης. Τα υφιστάμενα δορυφορικά συστήματα δεν διαθέτουν την ταυτόχρονη υψηλή χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα η οποία απαιτείται για τη λεπτομερειακή διερεύνηση των ενδοαστικών διαφοροποιήσεων. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε αρχικά βελτίωση των υφιστάμενων μεθοδολογιών της στατιστικής υποκλιμάκωσης, κατά την οποία το LST ενισχύεται χωρικά βάσει της σχέσης που εμφανίζει με επιφανειακές παραμέτρους. Η υποκλιμάκωση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση πολλαπλών μεταβλητών πρόβλεψης, υψηλής χωρικής ανάλυσης τιμών του συντελεστή εκπομπής έπειτα από φασματική ταξινόμηση, και εξετάζοντας διαφορετικούς γραμμικούς και μη γραμμικούς αλγορίθμους παλινδρόμησης. Εφαρμόστηκε στις καταγραφές θερμικής ακτινοβολίας του αισθητήρα Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) των δορυφόρων Aqua και Terra, για τη χωρική ενίσχυσή τους από το 1 km στα 100 m. Βρέθηκε ότι η προτεινόμενη μέθοδος υποκλιμάκωσης —με τη χρήση του αλγορίθμου παλινδρόμησης τύπου ridge— παρείχε αξιόπιστες, χωρικά ενισχυμένες τιμές LST με σφάλμα μικρότερο των 2 K (τετραγωνική ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος, Root Mean Square Error – RMSE) και με σταθερά καλύτερη ακρίβεια (∼0.5 K) συγκριτικά με τις μεθόδους αναφοράς. Στο επόμενο στάδιο της μελέτης πραγματοποιήθηκε, σε υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα (100 m), ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της αστικής μορφολογίας, της λειτουργίας και των ροών ενέργειας της Αθήνας, και επακόλουθα ο συνδυασμός τους σε έναν δείκτη θερμικής επιβάρυνσης. Χρησιμοποιώντας πλήθος γεωχωρικών δεδομένων, κατέστη δυνατή η πλήρης περιγραφή του κτηριακού περιβάλλοντος, συμπεριλαμβανομένου του λόγου του ύψους των κτηρίων προς το πλάτος των δρόμων —αναλογία διαστάσεων αστικής χαράδρας (H/W)— για κάθε οδό της πόλης. Επακόλουθα, αξιοποιώντας το υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης LST από το πρώτο τμήμα της εργασίας, πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός της αισθητής (QH) και της λανθάνουσας ροής θερμότητας (QE). Χρησιμοποιήθηκαν επιπρόσθετα παρατηρήσεις από μετεωρολογικούς σταθμούς και εφαρμόστηκε η μέθοδος της «αεροδυναμικής αντίστασης». Για την αξιολόγηση της ακρίβειας της εκτίμησης των ροών χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις μικρομετεωρολογικού πύργου· βρέθηκε μέσο σφάλμα RMSE ∼45 W/m2 για το QH και ∼15 W/m2 για το QE. Από τις παραπάνω τυρβώδεις ροές ενέργειας υπολογίστηκε στη συνέχεια ο λόγος Bowen β = QH/QE. Η ανθρωπογενής ροή θερμότητας (QF) προσδιορίστηκε μέσω της ανάπτυξης αλγορίθμου που συνδυάζει τις «bottom-up» και «top-down» προσεγγίσεις και είναι προσαρμοσμένος στα διαθέσιμα ενεργειακά δεδομένα της Αθήνας. Εντοπίστηκαν υψηλές ανθρωπογενείς εκπομπές θερμότητας για το κέντρο της πόλης (QF > 100 W/m2). Οι παραπάνω μεταβλητές (H/W, β και QF) μαζί με την εκτιμώμενη «καθαρή» μεταβολή του ρυθμού αποθήκευσης θερμότητας (ΔQs) ενσωματώθηκαν κατόπιν στον προτεινόμενο δείκτη θερμικής έκθεσης (Urban Heat Exposure, UHeatEx), χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ανάλυσης σε κύριες συνιστώσες (Principal Component Analysis, PCA). Ο παραπάνω δείκτης αποτύπωσε τα σημεία του αστικού ιστού της Αθήνας με τη δυσμενέστερη θερμική ποιότητα και κατά συνέπεια μπορεί να καταστεί ιδιαίτερα πολύτιμος σε μελέτες αστικού σχεδιασμού. Επιπρόσθετα, ο UHeatEx κατάφερε να αναδείξει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ως προς τη μορφολογία και το ενεργειακό ισοζύγιο της πόλης, κάτι που σε σημαντικό βαθμό δεν μπορούσε να επιτευχθεί μέσω της ταξινόμησης των «Τοπικών Κλιματικών Ζωνών» (Local Climate Zones, LCZ). Στο τελευταίο μέρος το ενδιαφέρον μετατοπίστηκε στην αξιολόγηση της μέσης επίδρασης στο θερμικό περιβάλλον εκτενέστερων αστικών ενοτήτων τοπικής κλίμακας (1 km). Συγκεκριμένα, αρχικά διερευνήθηκε η επίδραση βασικών αστικών μορφολογικών παραμέτρων —το ποσοστό των αδιαπέρατων επιφανειών, το ποσοστό της επιφάνειας κάλυψης από κτήρια και το ύψος των κτηρίων— στην επιφανειακή θερμοκρασία όπως αυτή καταγράφεται από τον δορυφορικό αισθητήρα MODIS. Με σκοπό μια ευρύτερη γενίκευση των συμπερασμάτων ως προς την επίδραση της αστικής μορφολογίας στο LST, παράλληλα με την περίπτωση της Αθήνας εξετάστηκαν 24 επιπλέον ευρωπαϊκές πόλεις. Η στατιστική ανάλυση κατέδειξε ότι η πυκνή και υψηλή δόμηση έχει εν γένει ασθενή θετική ή ακόμα και αρνητική σύνδεση με το LST κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ αντίθετα εμφανίζει ισχυρή θετική επίδραση τη νύχτα. Το παραπάνω ήταν ιδιαίτερα εμφανές για την Αθήνα, όπου και εξετάστηκαν επιπλέον μορφολογικές παράμετροι και πραγματοποιήθηκε ερμηνεία των αποτελεσμάτων με βάση τις τάξεις των LCZ. Στη συνέχεια, τα χαρακτηριστικά της αστικής μορφολογίας και λειτουργίας της Αθήνας ενσωματώθηκαν στο ατμοσφαιρικό μοντέλο WRF για τη διερεύνηση της προγνωστικής ικανότητάς του, όσον αφορά το αστικό θερμικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του WRF (σε πλέγμα χωρικής ανάλυσης 1 km) σε συνδυασμό με ένα τροποποιημένο σχήμα αστικής παραμετροποίησης έδειξαν ότι το μοντέλο μπορεί να αναπαραγάγει τις κύριες διαφοροποιήσεις εντός του αστικού ιστού, αναφορικά με την επιφανειακή θερμοκρασία (RMSE ∼2.4 K) και τη θερμοκρασία αέρα κοντά στο έδαφος (RMSE ∼1.7 K). Urbanization fundamentally transforms the local climate of a region. The mitigation of the corresponding effects requires a better understanding of the urban climate processes and a detailed mapping of the urban form and function. Moreover, it is a high priority to describe the intra-urban variations and to detect the more thermally vulnerable districts of a city. In this PhD thesis, a multifaceted study of the thermal environment of Athens was conducted. The motivation of the research work was assessing the influence of urban form and function on the urban thermal environment, across two main horizontal scales of urban climatic process (100 m and 1 km). The work was carried out primarily by applying and developing satellite remote sensing techniques, and to a lesser extent via Geographical Information Systems (GIS) methodologies and the implementation of numerical simulations, using the mesoscale WRF model along with an urban microclimate parameterization. Using thermal infrared remote sensing observations, it is possible to retrieve the Land Surface Temperature (LST). However, the current satellite systems do not have the synchronous spatial and temporal frequency which is needed in a detailed study of intra-urban variability. To this end, an improvement of the standard statistical downscaling methodologies was firstly developed, where LST is disaggregated based on its relationship with surface parameters. The downscaling was accomplished using multiple predictor variables, high resolution land cover-based emissivity values, and assessing various linear and non-linear regression algorithms. The surface classification —at a spatial resolution of 10 m— was derived through machine learning techniques and integrating Sentinel-2 satellite data with pre-existing land use information; the obtained classification accuracy was ∼90%. The downscaling process was applied to sharpen the thermal observations of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) from 1 km to 100 m. The validation of the modelled surface temperatures was conducted with the high level LST product from the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) and with in situ surface temperature observations. It was found that the suggested downscaling method — using the ridge regression downscaling algorithm— produced a robust, spatially sharpened LST, with an average Root Mean Square Error (RMSE) less than 2 K and a consistent better performance compared to the reference methods. At the next stage, the urban form, function, and energy fluxes were mapped at a high resolution (100 m) and subsequently combined in an urban heat exposure indicator. Utilizing spatial data provided by the Hellenic Cadastre and the Hellenic Statistical Authority, a full description of the building environment was accomplished, as well as the derivation of the building height to road width ratio —urban canyon aspect ratio (H/W)— at street level. Next, using the downscaled satellite-derived LST from the first part of the study and meteorological observations, the sensible (QH) and latent heat flux (QE) were calculated applying the “aerodynamic resistance” methodology (bulk transfer of heat/humidity at local scale). To assess the accuracy of the calculations, micrometeorological observations from a previous research campaign were used; an overall RMSE error of ∼35 W m-2 for QH and ∼15 W m-2 for QE was obtained. From the above turbulent fluxes, the Bowen ratio β = QH / QE was subsequently derived. To determine the anthropogenic heat flux (QF) a new algorithm was developed, combining the “bottom-up” and “topdown” methodologies, adapted to the available data for the study area. While the aggregated QF value for the total urban area was rather low, particularly high anthropogenic heat emissions were found for the city center (QF > 100 W m-2 for summer daytime hours). Subsequently, the above urban parameters (H/W, β και QF) together with the net heat storage (ΔQs) were integrated into the proposed Urban Heat Exposure (UHeatEx) indicator through Principal Component Analysis (PCA). The indicator outlined the diverging thermal quality of the different building blocks in Athens and thereby can be valuable to urban planning adaptation responses. Moreover, UHeatEx managed to highlight the city-specific features of the urban form and energy budget of the city, which to a great extent could not be captured by the classification of the Local Climate Zones (LCZ). At the final stage of the study, using the properties of urban form and function as they were calculated in the previous stages of the work, focus was shifted to the study of the integrated neighborhood-scale effect (1 km) on the urban thermal climate. Specifically, it was initially assessed how basic urban morphological parameters —the impervious fraction, the building fraction, and the building height— are interlinked to the surface temperature variations, as captured by a spaceborne sensor (MODIS). To promote the generalization of conclusions, in addition to Athens, 24 additional European cities were examined. The statistical analysis showed that the closely spaced and high-rise buildings have generally a weak positive or even a negative relation to LST in daytime and a strong positive effect at night. This finding was significantly pronounced for Athens, where further urban parameters were also evaluated and the results were linked to the LCZs classes. Finally, urban form and function of Athens were incorporated in the WRF model to study its ability to predict the urban thermal environment. Using WRF along with a modified urban parameterization scheme (at a 1 km grid), results indicated that the prevailing intra-urban spatial patterns can be reproduced in the simulations, regarding the surface temperature (RMSE ∼2.4 K) and the near-surface air temperature (RMSE ∼1.7 K).
Γλώσσα:	Ελληνικά
Τόπος δημοσίευσης:	Αθήνα
Σελίδες:	233
Θεματική κατηγορία:	[EL] Γεωεπιστήμες και Επιστήμες Περιβάλλοντος[EN] Earth and related Environmental Sciences
Λέξεις-κλειδιά:	Δορυφορική τηλεπισκόπηση; Επιφανειακή θερμοκρασία; Υποκλιμάκωση; Αστική μορφολογία; Αστικό θερμικό περιβάλλον; Αστικές ροές ενέργειας; Τοπικές κλιματικές ζώνες; Αστικός σχεδιασμός; Satellite remote sensing; land surface temperature; downscaling; Urban form; urban thermal environment; urban energy fluxes; local climate zones; urban planning
Κάτοχος πνευματικών δικαιωμάτων:	© Ηλίας Αγαθαγγελίδης
Όροι και προϋποθέσεις δικαιωμάτων:	CC BY-NC-ND
Διατίθεται ανοιχτά στην τοποθεσία:	https://www.didaktorika.gr/eadd/handle/10442/47082
Σημειώσεις:	«Το έργο συγχρηματοδοτείται από την Ελλάδα και την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανάπτυξη Ανθρώπινου Δυναμικού, Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση», στο πλαίσιο της Πράξης «Ενίσχυση του ανθρώπινου ερευνητικού δυναμικού μέσω της υλοποίησης διδακτορικής έρευνας» (MIS-5000432), που υλοποιεί το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ)»
Εμφανίζεται στις συλλογές:	Υποψήφιοι διδάκτορες