Μεθοδολογία ανάπτυξης του Έργου

Ανάπτυξη μεθοδολογίας κατηγοριοποίησης σε Αστικές Κλιματικές Ζώνες (ΑΚΖ)

Ο στόχος της μεθοδολογίας που εφαρμόστηκε είναι η δυνατότητα διάκρισης μιας πόλης σε ομογενείς περιοχές (ΑΚΖ) οι οποίες παρουσιάζουν παρόμοια χαρακτηριστικά ως προς το θερμικό τους περιβάλλον. Η χωρική διάσταση των ΑΚΖ αντιστοιχεί στο εύρος που βρίσκουν εφαρμογή τα φαινόμενα τοπικής κλίμακας των αστικών διεργασιών από 100 m έως 4 km. Σε αυτήν την κλίμακα τα επιμέρους χαρακτηριστικά των οικοδομικών τετραγώνων συναθροίζονται σε ένα μέσο θερμικό περιβάλλον. Οι ΑΚΖ έχουν λοιπόν μία έκταση ανάλογη των συνοικιών, χωρίς όμως κατ’ ανάγκη να ταυτίζονται με τα διοικητικά τους όρια.
Σε σημαντικό βαθμό οι ΑΚΖ προκύπτουν από την ομαδοποίηση αστικών σημείων με παρόμοια χαρακτηριστικά της αστικής μορφολογίας. Δηλαδή, κάθε ζώνη αποτελεί μια ενότητα με παραπλήσια ύψη κτηρίων, ποσοστό ανοικτών χώρων και βλάστησης. Ωστόσο, στόχος της προτεινόμενης μεθοδολογίας είναι η επιπρόσθετη ενσωμάτωση ατμοσφαιρικών παραμέτρων, π.χ. θερμοκρασία αέρα, ταχύτητα ανέμου, και παρατηρήσεων δορυφορικών εικόνων, π.χ. επιφανειακή θερμοκρασία του εδάφους (Land Surface Temperature – LST). Μέσω αυτών επιχειρήθηκε η επίτευξη μίας πιο σφαιρικής αποτύπωσης των τοπικών κλιμάτων που επικρατούν στις επιμέρους αστικές ενότητες. Τελικά με τις ΑΚΖ αναδεικύνονται οι αστικές ενότητες με διακριτά χαρακτηριστικά και εντοπίζονται εκείνες με τη δυσμενέστερη θερμική ποιότητα. Η προκύπτουσα χαρτογράφηση χρησιμοποιείται στα επόμενα στάδια του προγράμματος Adapt2CC για την εκτίμηση του δείκτη τρωτότητας και για την επιλογή κατάλληλων, ειδικά προσαρμοσμένων ανά περιοχή βιοκλιματικών μέτρων προσαρμογής.

Με βάση τα παραπάνω, οι προδιαγραφές και τα χαρακτηριστικά που να διαθέτουν οι ΑΚΖ είναι:
• Φυσική σημασία: Οι ΑΚΖ αντιστοιχούν σε περιοχές με διαφορετικά μικροκλιματικά χαρακτηριστικά λόγω χαρακτηριστικών της αστικής μορφολογίας ή άλλων τοπικών παραγόντων (π.χ. η απόσταση από τη θάλασσα).
• Αντικειμενικότητα: Οι προσδιοριζόμενες τάξεις προκύπτουν μέσω μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας η οποία θα ενσωματώνει αριθμητικές τιμές μορφολογικών, ατμοσφαιρικών ή άλλων παραμέτρων.
• Να είναι εύληπτες: Οι ΑΚΖ αποτελούν ένα κύριο στοιχείο της διαδραστικής, πληροφοριακής πλατφόρμας του έργου (Πολυκριτηριακό Σύστημα). Επομένως οι διαφορές μεταξύ ζωνών, καθώς η αντιστοιχία τους με τα θερμικά χαρακτηριστικά της πόλης πρέπει να είναι εύκολα κατανοητές από τον χρήστη.
• Προσαρμοστικότητα ανά περιοχή μελέτης: Η ταξινόμηση  αναδεικνύει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της εκάστοτε εξεταζόμενης περιοχής. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην περίπτωση πόλεων μικρότερης έκτασης, όπως για παράδειγμα το Ρέθυμνο.
• Προσαρμοστικότητα στα διαθέσιμα δεδομένα: Η διαδικασία ταξινόμησης παρουσιάζει ευελιξία στην περίπτωση έλλειψης ορισμένων δεδομένων για κάποια περιοχή ή αντίστοιχα στη δυνατότητα προσθήκης νέων μεταβλητών με σκοπό τη βελτιστοποίηση της διάκρισης.

Βήματα προσδιορισμού των ΑΚΖ
Με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά που διαθέτει το σχήμα ταξινόμησης των ΑΚΖ, τα συγκεκριμένα βήματα που ακολουθούνται κατά τη διαδικασία της κατηγοριοποίησης είναι τα εξής:
1. Επιλογή και υπολογισμός των κατάλληλων παραμέτρων που αποτελούν τα δεδομένα εισόδου για την ταξινόμηση στις ΑΚΖ. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να διακριθούν στις βασικές παραμέτρους της αστικής μορφολογίας, στις ατμοσφαιρικές μεταβλητές και σε επιπλέον παραμέτρους που θα υπολογιστούν μέσω δορυφορικών παρατηρήσεων.

2. Ανάπτυξη του αλγορίθμου προσδιορισμού των ΑΚΖ. Καθώς οι προκύπτουσες ζώνες δεν είναι εκ των προτέρων γνωστές, σκοπός είναι να προκύψουν μέσω τεχνικών μηχανικής μάθησης αρχικά χωρικές συσχετίσεις και εν τέλει διακριτές ομάδες από το αρχικό σύνολο των πολυδιάστατων δεδομένων του προηγούμενου βήματος (μη-επιβλεπόμενη ταξινόμηση).

3. Ποσοτική και ποιοτική εξέταση των τάξεων που προκύπτουν από την ομαδοποίηση. Έλεγχος για το αν πληρούνται τα κριτήρια τα οποία αναφέρθηκαν παραπάνω.

4. Οριστικοποίηση της χαρτογράφησης των τριών πόλεων (Αθήνα, Λάρισα και Ρέθυμνο) σε ΑΚΖ. Ανάπτυξη κατάλληλων εργαλείων για την καλύτερη παρουσίαση των αποτελεσμάτων, περιλαμβάνοντας για κάθε ζώνη μια σύντομη περιγραφή, αντιπροσωπευτικά σημεία, καθώς και συγκεντρωτικά στατιστικά στοιχεία για επιλεγμένες παραμέτρους.

Ανάπτυξη Σύνθετου δείκτη τρωτότητας στη θερμική επιβάρυνση λόγω κλιματικής αλλαγής

Η τρωτότητα υπολογίζεται μέσω της εκτίμησης της έκθεσης, της ευαισθησίας και της ικανότητας προσαρμογής του “συστήματος” (αστική περιοχή) έναντι κάποιου κινδύνου (θερμική επιβάρυνση). Η μαθηματική σχέση που χρησιμοποιείται είναι η εξής:

Τρωτότητα=a_1*Έκθεση+ a_2*Ευαισθησία+ a_3*Ικ. Προσαρμογής

όπου α1,α2 και α3 το βάρος κάθε παραμέτρου.

Για την εκτίμηση της τρωτότητας στη θερμική επιβάρυνση  αναγνωρίστηκαν οι παράμετροι που δύναται να περιγράψουν  τις τρεις διαστάσεις της. Επιλέχθηκαν κυρίως δείκτες οι δείκτες που είναι δυνατόν να υπολογιστούν μέσω εύκολα προσβάσιμων και αξιόπιστων δορυφορικών και επίγειων δεδομένων.

Η τελική επιλογή των δεικτών στοχεύει στην έκφραση των διαφορών που παρατηρούνται μεταξύ των ΑΚΖ στα φυσικά και κλιματικά χαρακτηριστικά των περιοχών μελέτης καθώς και στην παρουσία κρίσιμων υποδομών και στο επίπεδο ζωής των κατοίκων. Ουσιαστικά επιδιώκεται οι δείκτες  να περιγράφουν την τρωτότητα στο φυσικό, στο αστικό και στο ανθρωπογενές περιβάλλον των αστικών περιοχών.

Το φυσικό περιβάλλον των πόλεων είναι άμεσα συνδεδεμένο με τη τρωτότητα στη θερμική επιβάρυνση καθώς δέχεται πιέσεις από την συνεχή επέκταση του αστικού ιστού αλλά και από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Οι δείκτες που περιγράφουν το φυσικό περιβάλλον και τη σύνδεσή του με την τρωτότητα στη θερμική επιβάρυνση σχετίζονται με το ποσοστό βλάστησης στην επιφάνεια και τη θερμική άνεση που προκύπτει από τις μέσες κλιματολογικές συνθήκες, ειδικότερα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Το αστικό περιβάλλον ουσιαστικά σχετίζεται με τον τρόπο σχεδιασμού και λειτουργίας μιας πόλης ο οποίος  συνδέεται άμεσα με τη τρωτότητα στη θερμική επιβάρυνση. Ως δείκτες για την περιγραφή του αστικού περιβάλλοντος χρησιμοποιούνται μεταβλητές όπως ο βαθμός αδιαπερατότητας του εδάφους, η θερμοκρασία επιφανείας, η χωρική κατανομή των θερμών σημείων (hot spots), η ύπαρξη διαδρόμων αερισμού και το ποσοστό δομημένων εκτάσεων. Τέλος, το ανθρωπογενές περιβάλλον, που αποτελεί την αλληλεπίδραση μεταξύ των κατοίκων και της πόλης, μπορεί να αποτιμηθεί με την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, την πυκνότητα και την ένταση των πηγών ανθρωπογενούς θερμότητας, το μέσο χρόνο πρόσβασης σε κρίσιμες υποδομές όπως τα νοσοκομεία και το μέσο χρόνο πρόσβασης σε δροσερά μέρη όπως τα πάρκα.

Έπειτα από την επιλογή και τον υπολογισμό των δεικτών από τα πρωτογενή δεδομένα πραγματοποιήθηκε μετασχηματισμός σε μορφή raster (ψηφιδωτή) , η οποία είναι κατάλληλη για εισαγωγή των δεδομένων σε σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών και τη διενέργεια αριθμητικών πράξεων μεταξύ των δεδομένων. Επιπλέον,  μετασχηματίστηκαν σε κοινή χωρική ανάλυση ώστε να μπορεί να γίνει συνδυασμός των δεδομένων. Παράλληλα έγινε κανονικοποίηση των τιμών των επιμέρους δεικτών, ώστε  να μπορούν να είναι συγκρίσιμες μεταξύ τους. Η κανονικοποίηση έγινε με την μέθοδο min-max που αποτελεί μια απλή μέθοδο που μετασχηματίζει τις τιμές έτσι ώστε να έχουν εύρος μεταξύ 0 και 1.

Οι δείκτες που επιλέχθηκαν για να περιγράψουν κάθε μία από της διαστάσεις της τρωτότητας κατηγοριοποιήθηκαν όπως παρουσιάζεται παρακάτω:

Ο βαθμός επίδρασης των δεικτών στις τρεις διαστάσεις της τρωτότητας είναι αδύνατο να ποσοτικοποιηθεί εξαιτίας της φύσης των “μετρούμενων” μεγεθών. Επιλέχθηκε από την ομάδα έργου να πραγματοποιηθεί η διαδικασία της  στάθμισης βαρών των δεικτών μέσω της μεθόδου αναλυτικής ιεράρχησης AHP (analytic hierarchy process).  Η συγκεκριμένη μέθοδος σταθμίζει τα βάρη μεταβλητών  οι οποίες συνθέτουν έναν τελικό σύνθετο δείκτη σύμφωνα με την σημαντικότητάς τους. Συγκεκριμένα, η  μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί τη σύγκριση των μεταβλητών ανά ζεύγη, από μία ομάδα εμπειρογνωμόνων, ώστε να προκύψει μια κλίμακα ιεράρχησης μεταξύ τους.

Ανάπτυξη Μετεωρολογικής και Κλιματικής βάσης δεδομένων

Η διαδικτυακή εφαρμογή/API της πληροφοριακής πλατφόρμας του έργου, μέσα από την οποία οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να αναζητήσουν και να μελετήσουν για μια συγκεκριμένη περιοχή ή πόλη ιστορικά και μελλοντικά μετεωρολογικά/κλιματικά δεδομένα. Βασικό κομμάτι της εν λόγω εφαρμογής/API αποτελεί η μετεωρολογική/κλιματική βάση δεδομένων για τις υπό μελέτη περιοχές (Αθήνα, Λάρισα, Ρέθυμνο) του έργου, η οποία περιλαμβάνει πληροφορίες για μια σειρά από μεταβλητές (π.χ., θερμοκρασία του αέρα) και δείκτες (π.χ., διάρκεια επεισοδίων καύσωνα) για το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον, συνδυάζοντας δεδομένα από πολλαπλές πηγές (επίγειες παρατηρήσεις, reanalysis και κλιματικές προσομοιώσεις). Έτσι, αποτελεί ένα ολοκληρωμένο εργαλείο παροχής αξιόπιστων μετεωρολογικών/κλιματικών πληροφοριών, καλύπτοντας, για πρώτη φορά στην Ελλάδα, τις ανάγκες πολλών χρηστών από διαφορετικούς τομείς (ενέργεια, αστικός σχεδιασμός, διαχείριση αστικών υδάτων κ.α.) σχετικά με την κλιματική αλλαγή.

Δεδομένα επίγειων μετεωρολογικών σταθμών

Το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών λειτουργεί ένα δίκτυο 430 σταθμών σε όλη τη χώρα που καταγράφουν όλες τις βασικές μετεωρολογικές παραμέτρους όπως:
• θερμοκρασία,
• υγρασία
• διεύθυνση και ταχύτητα ανέμου
• ατμοσφαιρική πίεση
• βροχόπτωση ενώ
και αρκετοί από αυτούς ηλιακή ακτινοβολία.

Οι καταγραφές γίνονται ανά 10 λεπτά επιτρέποντας έτσι την παρακολούθηση της συνεχούς εξέλιξης των παραμέτρων αυτών. Στο πλαίσιο του σέργου ADAPT2CC αξιοποιούνται οι λεπτομερείς μετρήσεις των σταθμών για την περίοδο 2010-2020, με έμφαση στις τρεις περιοχές ενδιαφέροντος:
• Αττική
• Λάρισα και
• Ρέθυμνο
Και στις τρεις περιοχές υπάρχουν σταθμοί οι οποίοι ήδη έχουν συμπληρώσει 10 έτη λειτουργίας και επομένως μπορούν να αξιοποιηθούν για τις ανάγκες του προγράμματος.

Δεδομένα ECMWF ERA5 reanalysis

Οι προσομοιώσεις reanalysis αποτελούν εκτιμήσεις κλιματικών παραμέτρων σε παγκόσμια κλίμακα, οι οποίες παράγονται από τον συνδυασμό μεγάλου όγκου ιστορικών παρατηρήσεων και αριθμητικών μοντέλων χρησιμοποιώντας σύγχρονα συστήματα αφομοίωσης δεδομένων. Στα πλαίσια του παρόντος έργου, θα αξιοποιηθούν τα δεδομένα reanalysis ERA5-Land (https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-land?tab=overview), λόγω της υψηλότερης χωρικής ανάλυσης που τα χαρακτηρίζει, για τις ανάγκες της μετεωρολογικής/κλιματική βάσης δεδομένων. Ειδικότερα, τα δεδομένα θα συλλεχθούν από την βάση αποθήκευσης κλιματικών δεδομένων (Climate Data Store – CDS; Εικόνα 2) που παρέχεται δωρεάν από το ECMWF (https://confluence.ecmwf.int/display/CKB/Climate+Data+Store+%28CDS%29+documentation), σε ωριαίο βήμα για τις υπό μελέτη περιοχές και για την περίοδο 1981-2020, έτσι ώστε να συμπληρώσουν χρονικά τα επίγεια δεδομένα.

Δεδομένα περιοχικών κλιματικών μοντέλων EURO-CORDEX

Στα πλαίσια του παρόντος έργου, αξιοποιούνται τα αποτελέσματα των περιοχικών κλιματικών προσομοιώσεων που έχουν διενεργηθεί από πλήθος ερευνητικών κέντρων στο πλαίσιο της πρωτοβουλίας “Coordinated Regional Climate Downscaling” (CORDEX), η οποία υποστηρίζεται από το πρόγραμμα Παγκόσμιας Κλιματικής Έρευνας (World Climate Research Program; WCRP) και αξιολογείται από τη Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC). Τα δεδομένα σε οριζόντια χωρική ανάλυση ~ 12.5 km είναι διαθέσιμα στη βάση αποθήκευσης κλιματικών δεδομένων (CDS) του ECMWF (https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/projections-cordex-single-levels?tab=overview). Τα εν λόγω αριθμητικά πειράματα συμπεριλαμβάνουν διαφορετικές περιόδους και σενάρια προσομοιώσεων, διαφορετικούς συνδυασμούς GCMs και RCMs. Η κάθε προσομοίωση RCM δύναται να χρησιμοποιεί αρχικές και οριακές συνθήκες προερχόμενες από διαφορετικό GCM και να αφορά τη μελλοντική περίοδο 2006-2100 χρησιμοποιώντας διαφορετικά σενάρια εκπομπών θερμοκηπικών αερίων (Representative Concentration Pathways; RCP). Αυτά τα σενάρια είναι τα RCP2.6, RCP4.5 και RCP8.5 παρέχοντας διαφορετικούς τρόπους επιρροής του κλίματος.

Ο συνδυασμός των επίγειων δεδομένων (2010-2020), των δεδομένων ERA5-Land reanalysis (1981-2020) και των ιστορικών δεδομένων CDS-EURO-CORDEX (1950-2020) θα οδηγήσει στην περιγραφή του «μέσου» και παρόντος κλίματος για τις υπό μελέτη περιοχές του έργου, ενώ η περιγραφή του μελλοντικού κλίματος κάτω από διαφορετικά σενάρια εξέλιξης θα λάβει χώρα μέσα από τις μελλοντικές προσομοιώσεις CDS-EURO-CORDEX (2021-2100). Πιο συγκεκριμένα, η περίοδος 1961-1990 θα χρησιμοποιηθεί ως περίοδος αναφοράς για το «μέσο» κλίμα και θα αποτελέσει τη βάση σύγκρισης σε σχέση με το παρόν (1991-2020) και, κυριότερα, με το μελλοντικό (2021-2100) κλίμα.

Αξιολόγηση της αποδοτικότητας των μέτρων προσαρμογής