Document

Multidisciplinary assessment for climate change in Muscat city : Implications for climate resilience.

Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2023
Language
English
English abstract
Cities and urbanization can accelerate climate change. Every urban functioning depends on energy, consuming fossil fuels for various purposes and releasing anthropogenic carbon dioxide (CO2). Clearing land for cities and modifying natural land cover to build and run cities increase urban heat capacity and make the city environment thermally not bearable by the city dwellers. Therefore, existing cities should be turned to adapt, and new city planning should be built for resilience towards the impact of climate change. This study was planned with the overarching objective of exploring the current situation of vulnerability and resilience of Muscat City, the capital of the Sultanate of Oman. The aspects of vulnerability, namely exposure, sensitivity, and adaptive capacity based on the framework of IPCC, are targeted with specific objectives through multidisciplinary investigation. The exposure component in this study was aimed to assess the phenomenon of UHI in Muscat city. This was carried out with an extensive primary investigation through field measurements in parallel with meteorological and remotely sensed data from 2019- 2020. Land surface and air temperatures were measured using a non-contact infrared and used as input to calculate UHI. A total of 8352 measurements of land surface and air temperature were collected to investigate UHI during day and night, winter and summer season covering different land uses and land cover (Residential, Commercial, Residential/Commercial, Greenery space, and Industrial) and in different land cover (Road, Pavement, Bare soil, Vegetation) across the sub-cities with rural reference of Izki in Al-Dakhiliya governorate. This investigation was accomplished by statistically analyzing the relationship between the variables and how the variables influence the UHI effect in the local environment. The finding of the in-situ measurement shows UHI varied from 0.24 to 6.74 °C across all sub-cities based on land surface temperature. In contrast, air temperature measurements indicate the formation of UHI in some sub-cities with maximum values of 4.65 °C in Bowshar and 4.17 °C in Al Amrat at the night and the absence of this phenomenon in others. Overall, the strength of UHI is higher in the winter season. Analyzing meteorological and remotely sensed data highlights findings from field measurements, with the formation of UHI in all sub-cities in winter with values ranging from 0.43-5.37 °C and its absence in most sub cities during the summer. There are significant differences (p ≤ 0.05) among the land use types, with greenery space having the lowest mean value (21.70 ± 0.59 °C). The fact that the mean temperature of the land's surface, in regard to the type of land cover, follows the pattern of road > pavement > bare soil > vegetation, with the exception of the daylight in the summer, indicates very clearly the role of vegetation in lowering the UHI effect. This was also confirmed by the findings that the air temperature above the vegetation cover was reduced by 1.3 °C to 2.1 °C during the daytime and by 2.6 °C to 3.1 °C during the nighttime. In addition, there was a moderate correlation (R2= 0.58) between the temperature of the land surface and the air during the winter, in contrast to the summer (R2 = 0.29), when the association was weaker. Quantification of the urban heat island effect (UHI) is essential for city planners in pursuit of sustainable urbanization, taking into account changes in land use and land cover in the future and building resilient cities. The adaptive capacity component was aimed by estimating the carbon storage and sequestration potential of the vegetation in the selected vegetation in Muscat city. Estimation of the parameters was done through using existing allometric models. Field works involved measuring the circumference of tree as biophysical parameters. A total of 3864 trunks in 2860 trees, belonging to 36 species, were measured at the sampling area. The investigation was performed between December 2020 and March 2021, by using a stratified sampling method. Parks and roadside plantations were chosen, and plot/transect technique was utilized. In addition, Normalized difference vegetation index (NDVI) derived from satellite data was obtained and correlated with the finding from the field. The outcome of this objective found that there is a significant difference (P ≤ 0.05), in terms of carbon storage amongst the sub-cities. Carbon storage ranges between 88.1 tonne C to 1192.0 tonne C. In general, the pattern of sub-cities regarding to carbon storage and carbon sequestration is A'seeb > Muttrah > Bowshar > Muscat > Al Amrat. On average, each tree in the parks absorbs 3.2 ± 0.1 tonnes of carbon dioxide equivalent (CO2eq), bringing the total quantity of carbon dioxide removed from the atmosphere by the trees to around 5227.6 tonnes. By contrast, a roadside plantation may absorb 5985.7 tonne of carbon dioxide, or 4.9 ± 0.2 tonne per tree. The contribution of different species in this total amount of carbon sequestered differs from one species to others. It found that Ficus spp. providing the highest contribution to carbon sequestration (CO2eq), at 30.3%, with a total of 3399.3 tCO2eq, followed by Azadirachta indica (25.4%), at 2845.2 tCO2eq, and Conocarpus erectus (20.4%), at 2286 tCO2eq. Overall, the findings indicate that carbon-storing vegetation is critical for the maintenance of a sustainable environment in the city. Plantation projects on both existing and new land uses, as well as along the roadside, were found to have the potential to boost carbon sequestration in urban areas. The impact of outdoor microclimate on the thermal comfort of Muscat inhabitants was assessed in the summer season. A total of 415 face-to-face questionnaires were collected using a transversal field survey. The thermal sensation was ranked according to ASHRAE 7-point scale and thermal and other environmental parameters preference was ranked using the Mclntyre scale. Objective and subjective parameters were collected simultaneously via Kestrel 5400 Heat Stress Tracker and structured questionnaire respectively. Then, RayMan Pro version 3.1 software was used to compute Physiological Equivalent Temperature (PET) values. The physiological Equivalent Temperature (PET) range for Omani inhabitants was obtained of 23.6 °C 30.8 °C and neutral PET of 27.2 °C. Physiological Equivalent temperature (PET) had a moderate correlation (R= 0.7, R2= 0.50) with thermal sensation votes and it is significant at the 0.01 level (2-tailed). A linear regression model specific to the country's climatic zone and the national dress code of the citizens was established as: TSV= (0.14 ×PET)-3.8. Finally, the objective of general vulnerability assessment was carried out by identifying multiple indicators from the primary findings and also from available secondary data covering three components exposure, sensitivity and adaptive capacity. Two frameworks were used, namely the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) methods and the Sendai framework of the United Nations of Disaster Risk Reduction (UNDRR). The findings revealed the A'seeb sub-city (Wilayate) has a lower vulnerability index value of -1.260 due to the high resilience index scoring a value of 1.000. While Al Amrat and Muscat sub-cities are with high vulnerability values of -0.010 and 0.440, respectively. The larger outcome of this objective may provide future studies with this initial set of indicators and also assist Ministries and Authorities in expanding such assessment to other rapidly emerging cities across the Sultanate of Oman. It may be helpful to summarize these findings from a wide range of perspectives and use them as a starting point for future studies to identify vulnerability and building resilience in Muscat city. These findings could be helpful for decision-makers as they implement the country's National Urban Development Strategy (NUDS) and Oman's 2040 vision.
Arabic abstract
المدن والتحضر يسرعان من وتيرة حدوث التغير المناخي . وكل عمل حضري يعتمد على الطاقة وعلى حرق الوقود الاحفوري الغراض انشطة بشرية مختلفة، مما ينتج عنه انبعاثات غاز ثاني اكسيد الكربون. استحداث اراضي لبناء مدن واداراتها وتعديل الغطاء الارضي الطبيعي يسرع من السعة الحرارية الحضرية، مما يجعلها من ناحية حراريه ال تطاق من قبل قاطنيها. ولذلك يجب على المدن القائمة التحول نحو التكيف ، وعند التخطيط لمدن جديدة يجب ان يتم بنائها بطريقة مرنة للصمود في وجه التغيرات المناخية. تم بناء هذه الدراسة بهدف شامل لتقصي الوضع الراهن لقابلية التأثر والمرونة لمدينة مسقط ، عاصمة سلطنة عمان.جوانب قابلية التأثروهي التعرض، الحساسية والقدرة على التكيف بالاعتماد على اطار الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC (تم استهدافه بالاضافة الي أهداف محددة من خالل تحقق متعدد التخصصات. مكون التعرض في هذه الدراسة تم استهدافه لتقييم ظاهرة الجزر الحرارية الحضرية(UHI (في مدينة مسقط. هذه الدراسة تضمنت التحقق أولي شامل وواسع من خالل القياسات الحقلية بالتوازي مع ييانات الارصاد الجوية وبيانات الاستشعار عن بعد من 2020-2019م. الحرارة السطحية وحرارة الهواء تم قياسها بواسطة جهاز غير متصل يعمل بالاشعة تحت الحمراء ، وتم استخدام هذه القياسات كمدخالت لحساب القيمة العددية للجزر الحرارية الحضرية (UHI(. بمجموع قياسات كلي بلغ 8352 لحرارة الاسطح وحرارة الهواء الجوي تم تجميعها للتحقق من الجزر الحرارية الحضرية (UHI (خالل النهار والليل ، وفصلي الشتاء والصيف بتغطية مختلف استخدامات الاراضي ) السكنية ، التجارية ، السكنية \ التجارية ، المناطق الخضراء) الحدائق(، والصناعية (، وايضا مختلف الغطاءات الارضية ) الشوارع، الارصفة ، التربة الجرداء، والنباتية ( في مختلف المدن قيد الدراسة مع والية ازكي بمحافظة الداخلية كمرجع . هذا التحقق تم انجازه بتحليل احصائي للعالقات بين المتغيرات ، وكيف ان هذه المتغيرات تؤثر على ظاهرة الجزر الحرارية الحضرية(UHI (في البيئة المحلية . نتائج القياسات الحقلية تشير الى ان الجزر الحرارية الحضرية(UHI (تتراوح بين 0.24 الى 6.74 درجة سليزية) C° )على نطاق جميع المدن، بالاعتماد على درجات حرارة الاسطح. في المقابل قياسات حرارة الهواء الجوي من القياسات الحقلية تشير الى نشوء ظاهرة الجزر الحرارية الحضرية (UHI (في بعض المدن بقيم مرتفعة في بوشر وتقدر ب 4.65 درجة سليزية ) C° )و 4.17 درجة سليزية ) C° )في العامرات خالل الليل، وغياب هذه الظاهرة في أخراها . بصورة عامة شدة هذه الظاهرة تكون اقوى في فصل الشتاء. بتحليل بيانات الارصاد الجوية وبيانات الاستشعار عن بعد ، ابرزت النتائج من القياسات الحقلية ، بنشوء هذه الظاهرة في كل المدن في فصل الشتاء بقيم تراوحت بين 0.43 الى 5.37 درجة سليزية ) C° )، وغيابها في معظم المدن في فصل الصيف . هناك دالئل احصائية p( (0.05 ≥ بين استخدامات الاراضي ، بوجود قيمة متوسطة منخفضة للمناطق الخضراء) الحدائق( بلغت (C° 0.59 ± 21.70 (. حقيقة متوسط حرارة الاسطح الارضية ، بالنسبة الى نوع الغطاء، تتبع نمط الشوارع < الارصفة < التربة الجرداء< النباتي ، باستثناء الوقت النهاري في الصيف ، وهذا يشير بصورة واضحة الى دور الغطاء النباتي في التقليل من اثر الجزر الحرارية الحضرية (UHI(. وهذا ايضا تم تاكيده بنتائج حرارة الهواء فوق الغطاء النباتي ، حيث انها انخفضت بمقدار 1.3 الى 2.1 درجة سليزية ) C° )خالل فترة النهار و 2R بمقدار 2.6 الى 3.1 درجة سليزية ) C° )خالل فترة الليل . يضاف الى ذلك ، كانت هناك عالقة متوسطة = ( 2R) 0.58 بين درجة حرارة الاسطح ودرجة حرارة الهواء خالل الشتاء مقارنة بالصيف (0.29 = )، عندها كانت العالقة ضعيفة . تحديد اثر الجزر الحرارية الحضرية (UHI (يعتبر ذات اولوية لمخططي المدن للسعي لالستدامة الحضرية ، مع الاخذ بعين الاعتبار التغيرات في استخدام الاراضي والغطاءات الارضية في المستقبل ، ولبناء مدن مرنة . مكون القدرة على التكيف تم استهدافه من خالل تقدير الخزن والحبس الكربوني للنباتات في مناطق نباتية محددة في مدينة مسقط. تقديرالعوامل تم تنفيذه باستخدام نماذج لمعادالت تم انشاؤها سلفا (models Allometric(. العمل الحقلي تطلب قياس محيط جذع الشجرة كمعامل حيوي فيزيائي) biophysical). بمجموع 3864 جذع و 2860 شجرة تنتمي الى 36 نوع تم قياسها في منطقة الدراسة . هذا العمل تم تنفيذه بين شهر ديسمبر 2020م وشهر مارس 2021 ، باستخدام طريقة العينة الطبقية(method sampling stratified A (. الحدائق والاشجار على جوانب الطرق تم اختيارها ، وتم استخدام طريقة قطعة معاينةtechnique) transect/plot ( ، بالضافة xi الى مؤشر الغطاء النباتي التفاضلي (NDVI (المستخرج من بيانات الاقمار الاصطناعية تم الحصول عليه وايجاد عالقته مع النتائج الحقلية. المخرجات من هذا الهدف وجدت انه توجد داللة احصائية، (0.05 ≥ P(، بالنسبة للخزن الكربوني بين المدن . قيم الخزن الكربوني ترواحت بين 88.1 طن و 1192.0 طن من الكربون . بصورة عامة ، النمط بالنسبة للخزن والحبس الكربوني هو السيب < مطرح < بوشر < مسقط < العامرات . في المتوسط ، كل شجرة في الحدائق تمتص 0.1 ± 3.2 طن من مكافئ ثاني اكسيد الكربون dioxide carbon (eq2CO (equivalent ، وبالتالي كمية ثاني اكسيد الكربون التي تم ازالتها من الغالف الجوي بواسطة الاشجار بمقدار 5227.6 طن . في المقابل ، الاشجار على جانبي الطريق يمكنها ان تمتص 5985.7 طن او 0.2 ± 4.9 طن لكل شجرة. مساهمة مختلف انواع النباتات في هذا المقدار من الحبس الكربوني اختلف من نوع الخر. وجد ان ما يطلق عليه بشجر الرول محليا) .spp Ficus )كانت مساهمته كبيرة للحبس الكربوني (eq2CO (بمقدار 30.3% وبمجموع 3399.3 طن من مكافئ ثاني اكسيد الكربون eq2CO ، متبوعا بما يسمى شجرة النيم) indica Azadirachta )بمقدار (25.4%) وبمجموع 2845.2 طن من مكافئ ثاني اكسيد الكربون eq2CO ، وشجرة بما يعرف ب الدمس) erectus Conocarpus ) بمقدار(20.4%) وبمجموع 2286 طن من مكافئ ثاني اكسيد الكربون eq2CO . بصورة عامة النتائج توضح ان الخزن الكربوني لالشجار بالغ الاهمية للمحافظة على بيئة مستدامة في المدينة. مشاريع التشجير في مختلف استخدامات الاراضي القائمة منها والحديثة ، وبالاضافة الى امتداد الشوارع وجد بان لديها امكانية لرفع الحبس الكربوني في المناطق الحضرية . تم تقييم تاثير الامناخ الخارجي المحلي)microclimate outdoor )على الارتياح الحراري لقاطني مسقط في فصل الصيف. بمجموع 415 استبانة مباشرة تم تجميعها باستخدام مسح ميداني بطريقة مستعرضة) survey field transversal ). الاحساس الحراري تم تصنيفه وفقا لتصنيف مكون من سبع نقاط بالاعتماد علي المقياس المعتمد من قبل الجمعية الامريكية لمهندسي التبريد والتدفئة وتكييف الهواء )ASHRAE ) ، والتفضيل الحراري وايضا عوامل بيئة اخرى تم تصنيفها بالاعتماد على scale Mclntyre ، العوامل الموضوعية) parameters Objective )والعوامل الشخصية) parameters subjective ) تم تجميعها بصورة متزامنة على ( structured questionnaire (منظم واستبيان ( Kestrel 5400 Heat Stress Tracker (باستخدام التوالي. بعد ذلك تم استخدام برنامج) software 3.1 version Pro RayMan ) لحساب قيم درجة الحرارة المكافئة الفسيولوجية ) (PET (Temperature Equivalent Physiological ) . تم تحديد مدى درجة الحرارة المكافئة الفسيولوجية ) (PET (Temperature Equivalent Physiological ) ووجد انه يساوي C-30.8°C23.6° ، و درجة التعادل لدرجة الحرارة المكافئة الفسيولوجية ) Physiological-neutral Equivalent PET-n Temperature تعادل C° 27.2 . درجة الحرارة المكافئة الفسيولوجية ) = 0.50) متوسطة بعالقة ترتبط ( Physiological Equivalent Temperature (PET) R= 0.7, R2 ) مع الاحساس الحراري الصوات الافراد وذات داللة احصائية عند مستوى .(tailed2- (level 0.01 . تم ايجاد نموذج انحدار خطي خاص بالنطاق المناخي لسلطنة عمان ولالبسها الوطني هو -3.8(PET ×0.14= (TSV وفي الختام ، تقييم هدف التاثر العام تم تنفيذه عن طريق التعرف على مؤشرات عديدة من النتائج الاولية ، وبالاستعانة من البيانات الثانوية المتوفرة والتي تغطي ثالثة مكونات وهي التعرض، والحساسية والقدرة على التكيف . اطارين منهجيين تم الاستعانه بهما وهما الطريقة المتبعة من قبل اطار الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC (واطار سنداي للحد من مخاطر الكوارث لهيئة الامم للحد من مخاطر الكوارث) Sendai والية ان النتائج كشفت .( framework of United Nation of Disaster Risk Reduction (UNDRR) السيب لديها اقل قيمة لمؤشرالتاثر -1.260 نظرا المتالكها اعلى قيمة لمؤشر المرونة حيث كانت قيمته تساوي 1.000 . بينما والية العامرات ووالية مسقط لديها قيم اعلى لقابلية التاثر حيث كانت -0.010 و 0.440 علي التوالي . المخرج الاكبر لهذا الهدف لربما هو تزويد الدراسات المستقبلية بحزمة من المؤشرات الاولية ، والتي تساعد الوزارات والهيئات الحكومية ، لتوسيع هذا التقييم ليشمل مدن اخرى ناشئة ومتسارعة النمو على امتداد سلطنة عمان. قد يكون من المفيد تلخيص هذه النتائج من مجموعة واسعة من وجهات النظر، واستخدامها كبداية لدراسات مستقبلية للتعرف على قابلية التاثر وبناء مرونة لمدينة مسقط . هذه النتائج يمكن ان تكون مفيدة لمتخذي القرار اثناء تنفيذهم للاستراتجية الوطنية للتنمية العمرانية Strategy Development Urban National) NUDS ( ورؤية عمان 2040 vision 2040 Oman
Category
Theses and Dissertations