Advancements and applications of the microclimate model ENVI-met

Abstract

This dissertation presents, on the one hand, advancements of the scientifically well-established microclimate model ENVI-met that will allow more accurate microclimate modeling and, on the other hand, a broad range of model application studies to provide insights for the urban climate community and support sustainable urban planning in the future. Advancements feature the so-called Indexed View Sphere scheme and Advanced Canopy Radiation Transfer module which both improved radiation modeling accuracy in general. Following a model validation study in Hong Kong, new mean radiant temperature calculation schemes are implemented in the model. Furthermore, a Lagrangian Stochastic Particle Trajectory Model is presented which enables backwards-tracking of particle trajectories for complex urban environments. Aside from these advancements, ENVI-met was applied in an air quality modeling study that examined particulate matter expositions of children in urban environments. Furthermore, the model was used to investigate a new specific heat stress mitigation measure called super cool roofs (SCR) featuring a very high albedo and emissivity. Both, sensitivity studies and case studies on micro- and mesoscale examined the SCR cooling effect on pedestrian-level air temperatures.

Die vorliegende Dissertation stellt zunächst Weiterentwicklungen des wissenschaftlich anerkannten Mikroklima-Modells ENVI-met vor, durch die eine höhere Genauigkeit für zukünftige Modellierungs-Studien erzielt wird. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit Anwendungsstudien, auf deren Basis neue Erkenntnisse für die Stadtklima-Forschung gewonnen wurden. Weiterentwicklungen umfassen u.a. den Indexed View Sphere-Ansatz und das Advanced Canopy Radiation Transfer-Modul, mit denen die generelle Strahlungs-Modellierung verbessert werden konnte. Im Anschluss an eine Validierungsstudie in Hongkong wurden des Weiteren neue Berechnungsmethoden der mittleren Strahlungstemperatur im Modell implementiert. Außerdem wird die Entwicklung des Lagrangian Stochastic Particle Trajectory Model vorgestellt, welches die Rückwärts-Verfolgung von Partikeln in komplexen urbanen Strukturen erlaubt. Neben diesen Neuentwicklungen wurde ENVI-met in einer Luftqualitäts-Studie angewendet, in der die Feinstaub-Belastung von Kindern im urbanen Umfeld analysiert wird. Des Weiteren wurden neuartige Dachmaterialien als mögliche Strategie zur Vermeidung von urbanem Hitzestress untersucht. In Sensitivitätsstudien und Fallstudien auf der Mikro- und Mesoskala wurde der Kühlungs-Effekt dieser sogenannten Super Cool Roofs, die eine besonders hohe Albedo und Emissivität aufweisen, für die Lufttemperatur auf Bodenniveau betrachtet.