Parameterization of urban climate change as a function of urban morphology

Abstract

Urban thermal stress is escalating in response to rapid urbanization and climate change, posing increasing risks to human health, energy demand, and environmental quality in cities. However, current approaches to studying and mitigating the Surface Urban Heat Island (SUHI) effect often lack the spatial and physical resolution required to address these risks effectively. Many rely on simplified land cover classifications or static satellite snapshots, which fail to capture the evolving, fine-scale thermal patterns shaped by urban morphology. As a result, critical relationships between built form, vegetative structure, and surface temperature dynamics remain underexplored — limiting both scientific understanding and the capacity to inform spatial planning and climate adaptation strategies. This dissertation addresses this gap by developing a multiscalar, physically informed framework that integrates satellite derived land surface temperature (LST) with both spectral indices and landscape metrics to characterize urban morphology and its thermal behavior. Focusing on Mediterranean cities, the study employs high-resolution and long-term thermal data (Landsat and MODIS) to analyze the spatial structure of SUHI phenomena and their relationship to urban form. Indices such as NDVI, NDBI, and IBI are used not only for land cover classification and urban expansion mapping but also as proxies for surface function—capturing vegetation driven cooling and impervious-surface heating. The methodological progression spans from mapping urban expansion to long-term trend analysis of LST and, ultimately, to the use of landscape metrics for interpreting the thermal impacts of urban morphology. While not quantifying energy fluxes directly, the framework draws on surface energy balance principles to support a physically informed interpretation of radiative and thermodynamic urban patterns. Key findings highlight the thermal amplification effects of compact, impervious urban typologies and the cooling potential of cohesive vegetated landscapes. These insights offer actionable diagnostics for climate-responsive spatial planning, green infrastructure deployment, and urban heat mitigation. The results are scalable and transferable across climate zones, and relevant for informing policy on climate-resilient urban development. By linking physical processes to spatial form, this dissertation contributes a scientifically robust and practically applicable approach to diagnosing and managing urban heat. Its insights support predictive modeling, risk mapping, and intervention prioritization—advancing the goal of smarter and more thermally adaptive urban futures.

Η θερμική καταπόνηση στον αστικό χώρο εντείνεται ως αποτέλεσμα της ταχείας αστικοποίησης και της κλιματικής αλλαγής, αυξάνοντας τον κίνδυνο για τη δημόσια υγεία, τη ζήτηση ενέργειας και την περιβαλλοντική ποιότητα στις πόλεις. Ωστόσο, οι υφιστάμενες προσεγγίσεις για τη μελέτη και τον μετριασμό του φαινομένου της Αστικής Θερμικής Νησίδας (ΑΘΝ) συχνά δεν διαθέτουν την απαιτούμενη χωρική και φυσική ανάλυση ώστε να ανταποκριθούν αποτελεσματικά σε αυτές τις προκλήσεις. Πολλές βασίζονται σε απλοποιημένες ταξινομήσεις κάλυψης γης ή σε στατικές δορυφορικές εικόνες, τα οποία αδυνατούν να αποτυπώσουν τις εξελισσόμενες και τοπικά διαφοροποιημένες θερμικές κατανομές που διαμορφώνονται από τη μορφολογία του αστικού ιστού. Ως αποτέλεσμα, οι κρίσιμες σχέσεις μεταξύ δομημένου περιβάλλοντος, φυτοκάλυψης και της δυναμικής του θερμικού περιβάλλοντος παραμένουν υπομελετημένες, περιορίζοντας τόσο την επιστημονική κατανόηση όσο και τη δυνατότητα εφαρμογής των ευρημάτων στον χωρικό σχεδιασμό και την κλιματική προσαρμογή. Η παρούσα διατριβή επιχειρεί να καλύψει αυτό το κενό μέσω της ανάπτυξης ενός πολυδιάσταστου, φυσικά τεκμηριωμένου πλαισίου που συνδυάζει δορυφορικά δεδομένα θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους (LST) με φασματικούς δείκτες και μετρικές τοπίου, για την περιγραφή της αστικής μορφολογίας και της θερμικής της συμπεριφοράς. Εστιάζοντας σε μεσογειακές πόλεις, η μελέτη αξιοποιεί θερμικά δεδομένα υψηλής χωρικής και μεγάλης χρονικής ανάλυσης (Landsat και MODIS), προκειμένου να αναλυθεί η χωρική δομή του φαινομένου της ΑΘΝ και η συσχέτισή του με τη διαμόρφωση του αστικού ιστού. Δείκτες όπως οι NDVI, NDBI και IBI χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την ταξινόμηση κάλυψης γης και τη χαρτογράφηση της αστικής εξάπλωσης, αλλά και ως φυσικά ερμηνεύσιμα υποκατάστατα λειτουργίας επιφάνειας—απεικονίζοντας τη δροσιστική επίδραση της βλάστησης και τη θερμική επιβάρυνση από αδιαπέραστες επιφάνειες. Η μεθοδολογική προσέγγιση εξελίσσεται από την ανάλυση της αστικής εξάπλωσης και των θερμικών τάσεων, στην ερμηνεία της θερμικής συμπεριφοράς με βάση τη μορφολογία του αστικού τοπίου. Παρότι δεν γίνεται ποσοτικός υπολογισμός των ενεργειακών ροών, το πλαίσιο βασίζεται σε αρχές του επιφανειακού ενεργειακού ισοζυγίου για τη φυσικά τεκμηριωμένη ερμηνεία των αστικών θερμικών μοτίβων. Τα βασικά ευρήματα αναδεικνύουν την ενίσχυση της θερμικής καταπόνησης σε πυκνά δομημένες, αδιαπερατές πολεοδομικές τυπολογίες, καθώς και τη δροσιστική επίδραση συνεκτικών πράσινων περιοχών. Τα συμπεράσματα προσφέρουν διαγνωστικά εργαλεία για τον κλιματικά ενήμερο χωρικό σχεδιασμό, την ανάπτυξη πράσινων υποδομών και τον μετριασμό της αστικής θερμικής νησίδας. Τα αποτελέσματα είναι επεκτάσιμα και εφαρμόσιμα σε άλλες κλιματικές ζώνες και χρήσιμα για τη χάραξη πολιτικής προς την κατεύθυνση της ανθεκτικής αστικής ανάπτυξης. Συνδέοντας τις φυσικές διεργασίες με τη χωρική δομή, η διατριβή συμβάλλει σε μια επιστημονικά τεκμηριωμένη και πρακτικά εφαρμόσιμη προσέγγιση για τη διάγνωση και διαχείριση της αστικής θερμικής καταπόνησης. Τα αποτελέσματα της μπορούν να υποστηρίξουν προγνωστικά μοντέλα, χαρτογράφηση κινδύνου και την ιεράρχηση παρεμβάσεων, προωθώντας τον στόχο ενός πιο έξυπνου και θερμικά προσαρμοστικού αστικού μέλλοντος.