On the Urban Heat Island in Beirut ; L'ilot de chaleur urbaine à Beyrouth

Abstract

The urban heat island (UHI) is one of the more commonly documented phenomena of climate change. It is related to higher urban temperatures in the city centers as compared to the surrounding rural or suburban areas and can lead to unpleasant effects on urban dwellers not least of all on air quality, energy consumption levels, human health, and even mortality rates. In Beirut, the capital city of Lebanon, the literature clearly points to a lack of research on this topic. In addition, there is no evidence that there is a systematic transfer of urban climatic knowledge between concerned stakeholders like urban planning and environmental authorities which is cause for concern given the ever-increasing worldwide attention being given to climate change adaptation and mitigation measures and sustainable city developments. The objective of this research is to therefore investigate the intensity of UHI in Beirut, to identify most suitable measures to alleviate the effects of UHI from a technical perspective, to assess the implications on urban planning processes and to accordingly find opportunities for planning and design practices in Beirut. Beirut is a coastal city that sits on a peninsula that extends westward into the Mediterranean Sea. It covers a surface area of about 20 square kilometers, has a population of approximately 500,000 inhabitants, with a very high population density of about 21,000 inhabitants / km2.The UHI in Beirut was investigated using the Town Energy Balance (TEB) urban surface exchange modeling scheme developed by Météo France (Masson, 2000). TEB is included in the SURFEX land-surface modeling system. SURFEX means "surface externalisée" and it is a code that represents the energy exchange processes that occur between the atmosphere and the urban surfaces. Simulations were accordingly run across Beirut using TEB for 1 day during the winter season on 1 January, from 00:00 UTC (equivalent to 2:00AM local standard time) to 23:00 UTC, and 1 day during the summer season on 1 July from 00:00 UTC to 23:00 UTC with one hour time steps or one hour output results. During the summer significant variations of up to 6oC were found for canyon temperatures whereas areas characterized by dense urban fabrics had higher temperatures typically due to the larger fraction of man-made as opposed to natural surfaces and due to the lower albedo values (generally 0.2). During the winter, temperature variations were not as significant, differing by up to 1oC between aforementioned areas across Beirut. Therefore areas with high garden fractions were found to play an important cooling effect in the simulations for Beirut. In addition, a significant variation in cooling energy usage was found during the summer across Beirut where simulations showed energy demands as low as 50 W/m2 in areas characterized by higher garden fractions whereas simulations were much higher, up to 800 W/m2, in areas with dense urban fabrics. In the summer heating energy demands were also significant ranging from as low as 20-300 W/m2 across Beirut. Six scenarios were also run on TEB which showed that increasing the albedo of roofs and the fraction of gardens had the most noteworthy cooling effects. This research found that there are opportunities for improvement of the Urban Planning Law and the Building Code of Lebanon for better consideration of the urban microclimatic issues and recommended emphasis on urban greening strategies and cool roofing strategies. this thesis contributed to a better understanding of the urban environment of the city of Beirut and the respective urban parameters that have the most significant impact on reducing some of the impacts of the urban heat island phenomenon. In doing so, this research has paved the way for further work on reducing the UHI effect in Beirut, with the ultimate aim of creating a comfortable and safe environment for its residents, and future generations ; L'Ilot de Chaleur Urbain (ICU) est l'un des phénomènes du changement climatique les plus documentés. Il est le résultat de températures plus élevées dans le centre des villes que dans leurs banlieues ou les zones rurales alentour et peut avoir des conséquences néfastes sur les habitants des villes, notamment au niveau de la qualité de l'air, la consommation d'énergie, la santé publique et même le taux de mortalité. À Beyrouth, capitale du Liban, la littérature scientifique existante dénote un déficit de recherche sur ce sujet. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier l'intensité de l'ICU à Beyrouth, d'identifier les mesures les plus appropriées susceptibles d'en alléger les effets d'un point de vue technique, d'en évaluer les conséquences sur les politiques d'urbanisme et de faire des propositions pour la planification urbaine et la conception des bâtiments à Beyrouth. Dans cette thèse, l'ICU à Beyrouth a été étudié à l'aide du modèle Town Energy Balance (TEB), outil de modélisation servant à calculer les échanges d'énergie et d'eau entre les villes et l'atmosphère, développé par Météo France (Masson, 2000). TEB est inclus dans le système de modélisation des surfaces continentales SURFEX. SURFEX est une contraction de « Surface Externalisée » et c'est un code qui modélise les processus d'échange d'énergie entre l'atmosphère et les surfaces urbaines. Des simulations ont été effectuées à Beyrouth durant une journée, en hiver, le 1er janvier de 00:00 UTC (soit 02:00 heure locale) à 23:00 UTC et une journée, en été, le 1er juillet de 00:00 UTC à 23:00 UTC à des intervalles d'une heure. En été, des écarts significatifs allant jusqu'à 6°C ont été enregistrés pour les températures de canyon. Typiquement, les températures les plus élevées ont été enregistrées dans les zones à forte densité de construction où la part de surfaces travaillées par l'homme est la plus grande et où on a mesuré les albédos les plus bas (généralement 0.2). En hiver, les écarts de température ont été moins significatifs avec un différentiel de 1°C entre les zones à forte densité de construction et les espaces naturels. On en a déduit que les zones avec une grande proportion de végétations ont un rôle réfrigérant à Beyrouth. De plus, nous avons mesuré un écart significatif dans la consommation d'énergie pour la climatisation en été dans différentes parties de Beyrouth ; les simulations ont déterminé la demande requise d'énergie à 50 W/m2 dans les quartiers caractérisés par une grande proportion de jardins et jusqu'à 800 W/m2 dans les quartiers à forte densité de construction. En hiver également, les simulations ont montré des écarts importants au niveau de la demande d'énergie pour le chauffage dans différents quartiers de Beyrouth variant de 20 à 300 W/m2. Six scénarios ont été modélisés sur TEB et ils ont indiqué que l'augmentation de la surface des végétations et l'augmentation de l'albédo des toits produisaient les effets de refroidissement les plus notables. Cette thèse a mis en évidence des opportunités pour améliorer les lois de l'Urbanisme et le Code de la Construction au Liban pour une meilleure prise en compte des aspects microclimatiques urbains et recommande la mise en place de stratégies pour le développement d'espaces verts urbains et pour l'optimisation du refroidissement par les toits. Cette thèse a donc contribué à une meilleure compréhension de l'environnement urbain de la ville de Beyrouth et des paramètres urbains pouvant avoir le plus grand impact sur la réduction des effets de l'ICU. Ce faisant, cette étude a préparé le terrain pour des travaux plus poussés en vue de réduire les effets de l'ICU à Beyrouth dans le but de créer un environnement confortable et sain pour ses habitants et pour les générations futures