Urban heat island prediction in the mediterranean context: an evaluation of the urban weather generator model

Abstract

The lack of urban-specific climate data is, today, one of the major limits for an accurate estimation of the building energy performance in the urban context. The urban climate is substantially modified by the “heat island” effect that determines an increase of the air temperature compared to the surrounding rural areas. By contrast, the weather data used to run the energy simulations normally refer to rural or suburban weather stations, causing relevant errors in the energy assessment, especially in hot climates.This study aims at evaluating the accuracy of the "Urban Weather Generator" (UWG), a model developed for generating urban weather files from rural weather data in order to improve the accuracy of the building energy simulations in the urban context.To this purpose, the model predictions have been compared to actual observations in different urban sites in Rome and Barcelona. The comparisons have been conducted for one year of observations for each site, focusing the analysis on summer and winter months. The model accuracy has been assessed through statistical analysis of the average error.Results show that the UWG model is able to capture the general trend of the urban temperature. The accuracy of the prediction increases for urban sites located in a rather homogeneous urban fabric in terms of building density and vegetation coverage. In these situations, the model allows a good prediction of the urban air temperatures with low computational requirement and it can be a useful tool to improve the accuracy of urban energy analysis. La falta de datos climáticos urbanos específicos es, hoy en día, uno de los principales límites para una estimación precisa del desempeño energético de los edificios en el contexto urbano. El clima urbano es sustancialmente modificado por el efecto "isla de calor" que determina un aumento de la temperatura del aire en comparación con las áreas rurales circundantes. Por el contrario, los datos meteorológicos usados para ejecutar las simulaciones de energía normalmente se refieren a estaciones meteorológicas rurales o suburbanas, causando errores relevantes en la evaluación energética, especialmente en climas cálidos. Este estudio tiene como objetivo evaluar la exactitud del "Generador de Tiempo Urbano" (UWG), un modelo desarrollado para generar archivos meteorológicos urbanos a partir de datos meteorológicos rurales con el fin de mejorar la precisión de las simulaciones energéticas de los edificios en el contexto urbano. Con este propósito, las predicciones del modelo se han comparado con observaciones reales en diferentes lugares urbanos de Roma y Barcelona. Las comparaciones se han realizado durante un año de observaciones para cada sitio, enfocando el análisis en los meses de verano e invierno. La precisión del modelo se ha evaluado mediante el análisis estadístico del error medio. Los resultados muestran que el modelo UWG es capaz de capturar la tendencia general de la temperatura urbana. La exactitud de la predicción aumenta para los sitios urbanos situados en un tejido urbano bastante homogéneo en términos de densidad de edificios y cobertura de vegetación. En estas situaciones, el modelo permite una buena predicción de las temperaturas del aire urbano con un bajo requerimiento computacional y puede ser una herramienta útil para mejorar la precisión del análisis de energía urbana. La manca de dades climàtiques urbans específics és, avui, un dels principals límits per a una estimació precisa de l'acompliment energètic dels edificis en el context urbà. El clima urbà és substancialment modificat per l'efecte "illa de calor" que determina un augment de la temperatura de l'aire en comparació amb les àrees rurals circumdants. Per contra, les dades meteorològiques que es fan servir per a executar les simulacions d'energia normalment es refereixen a estacions meteorològiques rurals o suburbanes, causant errors rellevants en l'avaluació energètica, especialment en climes càlids. Aquest estudi té com a objectiu avaluar l'exactitud del "Generador de Temps Urbà" (UWG), un model desenvolupat per generar arxius meteorològics urbans a partir de dades meteorològiques rurals per tal de millorar la precisió de les simulacions energètiques dels edificis en el context urbà. Amb aquest propòsit, les prediccions del model s'han comparat amb observacions reals en diferents llocs urbans de Roma i Barcelona. Les comparacions s'han realitzat durant un any d'observacions per a cada lloc, enfocant l'anàlisi en els mesos d'estiu i hivern. La precisió del model s'ha avaluat mitjançant l'anàlisi estadística de l'error mitjà. Els resultats mostren que el model UWG és capaç de capturar la tendència general de la temperatura urbana. L'exactitud de la predicció augmenta per als llocs urbans situats en un teixit urbà bastant homogeni en termes de densitat d'edificis i cobertura de vegetació. En aquestes situacions, el model permet una bona predicció de les temperatures de l'aire urbà amb un baix requeriment computacional i pot ser una eina útil per millorar la precisió de l'anàlisi d'energia urbana.