The planetary boundary layer (PBL) is the lowest part of the troposphere and is directly influenced by surface forcing. Anthropogenic modification from natural to urban environments characterized by increased impervious surfaces, anthropogenic heat emission, and a three-dimensional building morphology, affects land-atmosphere interactions in the urban boundary layer (UBL). Ample research has demonstrated the effect of landscape modifications on development and modulation of the near-surface urban heat island (UHI). However, despite potential implications for air quality, precipitation patterns and aviation operations, considerably less attention has been given to impacts on regional scale wind flow. This dissertation, composed of three peer reviewed manuscripts, fills a fundamental gap in urban climate research, by investigating individual and combined impacts of urbanization, heat adaptation strategies and projected climate change on UBL dynamics. Paper 1 uses medium-resolution Weather Research and Forecast (WRF) climate simulations to assess contemporary and future impacts across the Conterminous US (CONUS). Results indicate that projected urbanization and climate change are expected to increase summer daytime UBL height in the eastern CONUS. Heat adaptation strategies are expected to reduce summer daytime UBL depth by several hundred meters, increase both daytime and nighttime static stability and induce stronger subsidence, especially in the southwestern US. Paper 2 investigates urban modifications to contemporary wind circulation in the complex terrain of the Phoenix Metropolitan Area (PMA) using high-resolution WRF simulations. The built environment of PMA decreases wind flow in the evening and nighttime inertial sublayer and produces a UHI-induced circulation of limited vertical extent that modulates the background flow. During daytime, greater urban sensible heat flux dampens the urban roughness-induced drag effect by promoting a deeper, more mixed UBL. Paper 3 extends the investigation to future scenarios showing that, overall, climate change is expected to reduce wind speed across the PMA. Projected increased soil moisture is expected to intensify katabatic winds and weaken anabatic winds along steeper slopes. Urban development is expected to obstruct nighttime wind flow across areas of urban expansion and increase turbulence in the westernmost UBL. This dissertation advances the understanding of regional-scale UBL dynamics and highlights challenges and opportunities for future research.

En la zona metropolitana de Phoenix, el calor urbano está afectando la salud, la seguridad y la economía y se espera que estos impactos empeoren con el tiempo. Se prevé que el número de días por encima de 110˚F aumentará más del doble para el 2060. En mayo de 2017, The Nature Conservancy, el Departamento de Salud Pública del condado de Maricopa, Central Arizona Conservation Alliance, la Red de Investigación en Sostenibilidad sobre la Resiliencia Urbana a Eventos Extremos, el Centro de Investigación del Clima Urbano de Arizona State University y el Center for Whole Communities lanzaron un proceso participativo de planificación de acciones contra el calor para identificar tanto estrategias de mitigación como de adaptación a fin de reducir directamente el calor y mejorar la capacidad de los residentes para lidiar con el calor. Las organizaciones comunitarias con relaciones existentes en tres vecindarios seleccionados para la planificación de acciones contra el calor se unieron más tarde al equipo del proyecto: Phoenix Revitalization Corporation, RAILMesa y Puente Movement. Más allá de construir un plan de acción comunitario contra el calor y completar proyectos de demostración, este proceso participativo fue diseñado para desarrollar conciencia, iniciativa y cohesión social en las comunidades subrepresentadas. Asimismo el proceso de planificación de acciones contra el calor fue diseñado para servir como modelo para esfuerzos futuros de resiliencia al calor y crear una visión local, contextual y culturalmente apropiada de un futuro más seguro y saludable. El método iterativo de planificación y participación utilizado por el equipo del proyecto fortaleció las relaciones dentro y entre los vecindarios, las organizaciones comunitarias, los responsables de la toma de decisiones y el equipo núcleo, y combinó la sabiduría de la narración de historias y la evidencia científica para comprender mejor los desafíos actuales y futuros que enfrentan los residentes durante eventos de calor extremo. Como resultado de tres talleres en cada comunidad, los residentes presentaron ideas que quieren ver implementadas para aumentar su comodidad y seguridad térmica durante los días de calor extremo.

Como se muestra a continuación, las ideas de los residentes se interceptaron en torno a conceptos similares, pero las soluciones específicas variaron entre los vecindarios. Por ejemplo, a todos los vecindarios les gustaría agregar sombra a sus corredores peatonales, pero variaron las preferencias para la ubicación de las mejoras para dar sombra. Algunos vecindarios priorizaron las rutas de transporte público, otros priorizaron las rutas utilizadas por los niños en su camino a la escuela y otros quieren paradas de descanso con sombra en lugares clave. Surgieron cuatro temas estratégicos generales en los tres vecindarios: promover y educar; mejorar la comodidad/capacidad de afrontamiento; mejorar la seguridad; fortalecer la capacidad. Estos temas señalan que existen serios desafíos de seguridad contra el calor en la vida diaria de los residentes y que la comunidad, los negocios y los sectores responsables de la toma de decisión deben abordar esos desafíos.

Los elementos del plan de acción contra el calor están diseñados para incorporarse a otros esfuerzos para aliviar el calor, crear ciudades resilientes al clima y brindar salud y seguridad pública. Los socios de implementación del plan de acción contra el calor provienen de la región de la zona metropolitana de Phoenix, y se brindan recomendaciones para apoyar la transformación a una ciudad más fresca.

Para ampliar la escala de este enfoque, los miembros del equipo del proyecto recomiendan a) compromiso continuo e inversiones en estos vecindarios para implementar el cambio señalado como vital por los residentes, b) repetir el proceso de planificación de acción contra el calor con líderes comunitarios en otros vecindarios, y c) trabajar con las ciudades, los planificadores urbanos y otras partes interesadas para institucionalizar este proceso, apoyando las políticas y el uso de las métricas propuestas para crear comunidades más frescas.