Abstract ‘Local climate zones’ ( LCZs ) comprise a new and systematic classification of field sites for heat island studies. The classification divides urban and rural landscapes into 17 standard classes, each defined by structural and land cover properties that influence air temperature at screen height. This study is the first to evaluate the conceptual division of LCZs with temperature observations and simulation results from surface–atmosphere models. Results confirm that thermal contrasts exist among all LCZ classes, and that such contrasts are governed largely by building height and spacing, pervious surface fraction, tree density, and soil wetness. Therefore, partitioning of landscapes into structural and land cover classes, or ‘LCZs,’ is deemed justified for the purposes of field site classification in heat island studies. Also justified is the use of inter‐zone temperature difference (Δ T LCZ X−Y ) to quantify heat island magnitude. To further improve the LCZ system, we encourage other researchers to observe and model the climatic conditions of its varied classes. Especially useful would be tests using field data from different urban and rural environments to those in this study, and running more advanced urban canopy models with demonstrated predictive capability.

Abstract A large number of urban surface energy balance models now exist with different assumptions about the important features of the surface and exchange processes that need to be incorporated. To date, no comparison of these models has been conducted; in contrast, models for natural surfaces have been compared extensively as part of the Project for Intercomparison of Land-surface Parameterization Schemes. Here, the methods and first results from an extensive international comparison of 33 models are presented. The aim of the comparison overall is to understand the complexity required to model energy and water exchanges in urban areas. The degree of complexity included in the models is outlined and impacts on model performance are discussed. During the comparison there have been significant developments in the models with resulting improvements in performance (root-mean-square error falling by up to two-thirds). Evaluation is based on a dataset containing net all-wave radiation, sensible heat, and latent heat flux observations for an industrial area in Vancouver, British Columbia, Canada. The aim of the comparison is twofold: to identify those modeling approaches that minimize the errors in the simulated fluxes of the urban energy balance and to determine the degree of model complexity required for accurate simulations. There is evidence that some classes of models perform better for individual fluxes but no model performs best or worst for all fluxes. In general, the simpler models perform as well as the more complex models based on all statistical measures. Generally the schemes have best overall capability to model net all-wave radiation and least capability to model latent heat flux.

Abstract Urban land surface schemes have been developed to model the distinct features of the urban surface and the associated energy exchange processes. These models have been developed for a range of purposes and make different assumptions related to the inclusion and representation of the relevant processes. Here, the first results of Phase 2 from an international comparison project to evaluate 32 urban land surface schemes are presented. This is the first large‐scale systematic evaluation of these models. In four stages, participants were given increasingly detailed information about an urban site for which urban fluxes were directly observed. At each stage, each group returned their models' calculated surface energy balance fluxes. Wide variations are evident in the performance of the models for individual fluxes. No individual model performs best for all fluxes. Providing additional information about the surface generally results in better performance. However, there is clear evidence that poor choice of parameter values can cause a large drop in performance for models that otherwise perform well. As many models do not perform well across all fluxes, there is need for caution in their application, and users should be aware of the implications for applications and decision making. Copyright © 2010 Royal Meteorological Society

Abstract. Urban overheating and its ongoing exacerbation due to global warming and urban development lead to increased exposure to urban heat and increased thermal discomfort and heat stress. To quantify thermal stress, specific indices have been proposed that depend on air temperature, mean radiant temperature (MRT), wind speed, and relative humidity. While temperature and humidity vary on scales of hundreds of meters, MRT and wind speed are strongly affected by individual buildings and trees and vary on the meter scale. Therefore, most numerical thermal comfort studies apply microscale models to limited spatial domains (commonly representing urban neighborhoods with building blocks) with resolutions on the order of 1 m and a few hours of simulation. This prevents the analysis of the impact of city-scale adaptation and/or mitigation strategies on thermal stress and comfort. To solve this problem, we develop a methodology to estimate thermal stress indicators and their subgrid variability in mesoscale models – here applied to the multilayer urban canopy parameterization BEP-BEM within the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The new scheme (consisting of three main steps) can readily assess intra-neighborhood-scale heat stress distributions across whole cities and for timescales of minutes to years. The first key component of the approach is the estimation of MRT in several locations within streets for different street orientations. Second, mean wind speed and its subgrid variability are downscaled as a function of the local urban morphology based on relations derived from a set of microscale LES and RANS simulations across a wide range of realistic and idealized urban morphologies. Lastly, we compute the distributions of two thermal stress indices for each grid square, combining all the subgrid values of MRT, wind speed, air temperature, and absolute humidity. From these distributions, we quantify the high and low tails of the heat stress distribution in each grid square across the city, representing the thermal diversity experienced in street canyons. In this contribution, we present the core methodology as well as simulation results for Madrid (Spain), which illustrate strong differences between heat stress indices and common heat metrics like air or surface temperature both across the city and over the diurnal cycle.