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Dan Li
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Synergistic Interactions between Urban Heat Islands and Heat Waves: The Impact in Cities Is Larger than the Sum of Its Parts

Dan Li et al.May 28, 2013
Abstract Cities are well known to be hotter than the rural areas that surround them; this phenomenon is called the urban heat island. Heat waves are excessively hot periods during which the air temperatures of both urban and rural areas increase significantly. However, whether urban and rural temperatures respond in the same way to heat waves remains a critical unanswered question. In this study, a combination of observational and modeling analyses indicates synergies between urban heat islands and heat waves. That is, not only do heat waves increase the ambient temperatures, but they also intensify the difference between urban and rural temperatures. As a result, the added heat stress in cities will be even higher than the sum of the background urban heat island effect and the heat wave effect. Results presented here also attribute this added impact of heat waves on urban areas to the lack of surface moisture in urban areas and the low wind speed associated with heat waves. Given that heat waves are projected to become more frequent and that urban populations are substantially increasing, these findings underline the serious heat-related health risks facing urban residents in the twenty-first century. Adaptation and mitigation strategies will require joint efforts to reinvent the city, allowing for more green spaces and lesser disruption of the natural water cycle.
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The effectiveness of cool and green roofs as urban heat island mitigation strategies

Dan Li et al.May 1, 2014
Mitigation of the urban heat island (UHI) effect at the city-scale is investigated using the Weather Research and Forecasting (WRF) model in conjunction with the Princeton Urban Canopy Model (PUCM). Specifically, the cooling impacts of green roof and cool (white/high-albedo) roof strategies over the Baltimore-Washington metropolitan area during a heat wave period (7 June–10 June 2008) are assessed using the optimal set-up of WRF-PUCM described in the companion paper by Li and Bou-Zeid (2014). Results indicate that the surface UHI effect (defined based on the urban–rural surface temperature difference) is reduced significantly more than the near-surface UHI effect (defined based on urban–rural 2 m air temperature difference) when these mitigation strategies are adopted. In addition, as the green and cool roof fractions increase, the surface and near-surface UHIs are reduced almost linearly. Green roofs with relatively abundant soil moisture have comparable effect in reducing the surface and near-surface UHIs to cool roofs with an albedo value of 0.7. Significant indirect effects are also observed for both green and cool roof strategies; mainly, the low-level advection of atmospheric moisture from rural areas into urban terrain is enhanced when the fraction of these roofs increases, thus increasing the humidity in urban areas. The additional benefits or penalties associated with modifications of the main physical determinants of green or cool roof performance are also investigated. For green roofs, when the soil moisture is increased by irrigation, additional cooling effect is obtained, especially when the 'unmanaged' soil moisture is low. The effects of changing the albedo of cool roofs are also substantial. These results also underline the capabilities of the WRF-PUCM framework to support detailed analysis and diagnosis of the UHI phenomenon, and of its different mitigation strategies.
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Contrasting responses of urban and rural surface energy budgets to heat waves explain synergies between urban heat islands and heat waves

Dan Li et al.May 1, 2015
Heat waves (HWs) are projected to become more frequent and last longer over most land areas in the late 21st century, which raises serious public health concerns. Urban residents face higher health risks due to synergies between HWs and urban heat islands (UHIs) (i.e., UHIs are higher under HW conditions). However, the responses of urban and rural surface energy budgets to HWs are still largely unknown. This study analyzes observations from two flux towers in Beijing, China and reveals significant differences between the responses of urban and rural (cropland) ecosystems to HWs. It is found that UHIs increase significantly during HWs, especially during the nighttime, implying synergies between HWs and UHIs. Results indicate that the urban site receives more incoming shortwave radiation and longwave radiation due to HWs as compared to the rural site, resulting in a larger radiative energy input into the urban surface energy budget. Changes in turbulent heat fluxes also diverge strongly for the urban site and the rural site: latent heat fluxes increase more significantly at the rural site due to abundant available water, while sensible heat fluxes and possibly heat storage increase more at the urban site. These comparisons suggest that the contrasting responses of urban and rural surface energy budgets to HWs are responsible for the synergies between HWs and UHIs. As a result, urban mitigation and adaption strategies such as the use of green roofs and white roofs are needed in order to mitigate the impact of these synergies.
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