Over the last decade, rapidly growing world energy consumption is leading to supply difficulties, exhaustion of fossil energy resources, and global environmental deterioration. More than one-third of energy expenditure is attributable to buildings. Urbanization is intensifying these trends with tighter spatial interrelationships among buildings. This is escalating building energy consumption due to the mutual impact of buildings on each other and, as a result, exacerbating Urban Heat Island (UHI) effects. I sought solutions to this significant engineering issue from nature, and discovered a similar heat island effect in flowers, namely the micro-greenhouse effect. However, a special cooling effect has been observed in a peculiar temperate flower, Galanthus nivalis, which generates cooler intrafloral temperatures. In this research, I studied the special retro-reflectance of the flower petals, which has been suggested as a possible contributor to this cooling effect, and implemented a bio-inspired retro-reflective pattern for building envelopes. I conducted cross-regional energy simulation of building networks in a dynamic simulation environment in order to examine its thermal-energy impact. I found that building surface temperatures dropped considerably when neighboring buildings were retrofitted with my bio-inspired retro-reflective facade. I concluded that my bio-inspired retro-reflective pattern for building envelopes; (1) lessens the reflected heat of solar radiation in spatially-proximal buildings leading to reduced UHI, and (2) reduces the energy required for cooling and, therefore, energy consumption. The research has further implications and contributions on building design, urban planning, development of retro-reflective technology, and environmental conservation. / Master of Science

In dieser Dissertation wird das kompressible, nicht-hydrostatische und dreidimensionale Modell All Scale Atmospheric Model (ASAM) für Grobstruktur- bzw. Large-Eddy-Simulationen (LES) angewendet, um lokale Inseleffekte in der karibischen Passatwindzone zu untersuchen. Da das Modell bis dato noch keine Anwendung im Bereich von LES feuchter atmosphärischer Grenzschichten und heterogener Oberflächen fand, wurden einige Bestandteile zum Modellcode hinzugefügt oder überarbeitet. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf das Einbeziehen orographischer Strukturen mittels angeschnittener Zellen (engl. cut cells). Sowohl die räumliche und zeitliche Diskretisierung der Modellgleichungen als auch die nötigen physikalischen Parameterisierungen werden in einer umfassenden Modellbeschreibung zusammengefasst. Die Robustheit und Stabilität der Modellformulierung wird durch eine Reihe von Simulationen idealisierter Testfälle bestätigt. Large-Eddy-Simulationen werden für das Gebiet der Karibikinsel Barbados zur Untersuchung von Inseleffekten bezüglich Grenzschichtmodifikation, Wolkenbildung und vertikaler Durchmischung von Aerosolen durchgeführt. Durch das Vorhandensein einer topographisch strukturierten Inseloberfläche in der Mitte des Modellgebietes muss das Modellsetup offene seitliche Randbedingungen beinhalten. Damit das einströmende Windfeld konsistent mit der Dynamik einer turbulenten, marinen Grenzschicht ist, wird eine neue Methode implementiert und angewendet, welche auf Störungen des potentiellen Temperaturfeldes mittels finiter Amplituden basiert. Beobachtungen aus der SALTRACE-Messkampagne werden benutzt, um die Modellläufe anzutreiben. Die Ergebnisse einiger Sensitivitätstests zeigen Probleme der Modellierung im Bereich der \"Terra incognita\" auf. Dabei handelt es sich um die Modellierung auf räumlichen Skalen, welche zwischen denen von LES und wolkenauflösenden Modellen liegen. Außerdem werden Auswirkungen von entweder turbulent oder laminar anströmenden Windfeldern auf die Simulationsergebnisse untersucht. Besonders die Wolkeneigenschaften im Lee von Barbados werden in diesen Simulationen merklich beeinflusst. Ergebnisse einer weiteren Simulation mit einer sehr starken Passatinversion bringt deren Einfluss auf die Dicke und Höhe der simulierten Wolkenschichten zum Vorschein. Die Veränderung von Saharastaubschichten, welche Barbados über weiträumigen Transport über den Atlantik erreichen, wird analysiert. Die Auswirkungen beinhalten sowohl eine Ausdünnung und ein Absinken dieser Schichten als auch turbulenter Transport in Richtung Erdoberfläche. Die genaue Position der beeinflussten Schichten und die Stärke des turbulenten Mischens werden hauptsächlich von der atmosphärischen Schichtung, der Inversionsstärke und Windscherung gesteuert. Vergleiche zwischen den LES-Modellergebnissen und Daten aus Doppler-Windlidarmessungen zeigen gute Übereinstimmungen in der Formierung der konvektiven Strukturen tagsüber und des Vertikalwindfeldes. / In this thesis, the fully compressible, three-dimensional, nonhydrostatic atmospheric model called All Scale Atmospheric Model (ASAM) is utilized for large eddy simulations (LES) to investigate local island effects at the Caribbean. Since the model has not been applied to LES for moist boundary layers and heterogeneous surfaces so far, several parts are added to the model code or reworked. A special focus lies on the inclusion of orographical structures via the cut cell method. Spatial and temporal discretization as well as necessary physical parameterizations are summarized in a thorough model description. The robustness of the model formulation is confirmed by a set of idealized test case simulations. Large eddy simulations are performed for the area of the Caribbean island Barbados to investigate island effects on boundary layer modification, cloud generation and vertical mixing of aerosols. Due to the presence of a topographically structured island surface in the domain center, the model setup has to be designed with open lateral boundaries. In order to generate inflow turbulence consistent with the upstream marine boundary layer forcing, the newly developed cell perturbation method based on finite amplitude perturbations is applied. Observations from the SALTRACE field campaign are used to initialize the model runs. Several numerical sensitivity tests are carried out to demonstrate the problems related to \"gray zone modeling\" beyond LES scales or when the turbulent marine boundary layer flow is replaced by laminar winds. Especially cloud properties west of Barbados (downwind) are markedly affected in these simulations. Results of an additional simulation with a strong trade-wind inversion reveal its effect on cloud layer depth and height. The modification of Saharan dust layers reaching Barbados via long-range transport over the North Atlantic is analyzed. Effects of layer thinning, subsidence and turbulent downward transport near the layer bottom become apparent. The position of these layers and strength of downward mixing is found to be mainly controlled atmospheric stability, inversion strength and wind shear. Comparisons of LES model output with wind lidar data show similarities in the formation of the daytime convective plume and the vertical wind structure.

In dieser Dissertation wird das kompressible, nicht-hydrostatische und dreidimensionale Modell All Scale Atmospheric Model (ASAM) für Grobstruktur- bzw. Large-Eddy-Simulationen (LES) angewendet, um lokale Inseleffekte in der karibischen Passatwindzone zu untersuchen. Da das Modell bis dato noch keine Anwendung im Bereich von LES feuchter atmosphärischer Grenzschichten und heterogener Oberflächen fand, wurden einige Bestandteile zum Modellcode hinzugefügt oder überarbeitet. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf das Einbeziehen orographischer Strukturen mittels angeschnittener Zellen (engl. cut cells). Sowohl die räumliche und zeitliche Diskretisierung der Modellgleichungen als auch die nötigen physikalischen Parameterisierungen werden in einer umfassenden Modellbeschreibung zusammengefasst. Die Robustheit und Stabilität der Modellformulierung wird durch eine Reihe von Simulationen idealisierter Testfälle bestätigt. Large-Eddy-Simulationen werden für das Gebiet der Karibikinsel Barbados zur Untersuchung von Inseleffekten bezüglich Grenzschichtmodifikation, Wolkenbildung und vertikaler Durchmischung von Aerosolen durchgeführt. Durch das Vorhandensein einer topographisch strukturierten Inseloberfläche in der Mitte des Modellgebietes muss das Modellsetup offene seitliche Randbedingungen beinhalten. Damit das einströmende Windfeld konsistent mit der Dynamik einer turbulenten, marinen Grenzschicht ist, wird eine neue Methode implementiert und angewendet, welche auf Störungen des potentiellen Temperaturfeldes mittels finiter Amplituden basiert. Beobachtungen aus der SALTRACE-Messkampagne werden benutzt, um die Modellläufe anzutreiben. Die Ergebnisse einiger Sensitivitätstests zeigen Probleme der Modellierung im Bereich der \"Terra incognita\" auf. Dabei handelt es sich um die Modellierung auf räumlichen Skalen, welche zwischen denen von LES und wolkenauflösenden Modellen liegen. Außerdem werden Auswirkungen von entweder turbulent oder laminar anströmenden Windfeldern auf die Simulationsergebnisse untersucht. Besonders die Wolkeneigenschaften im Lee von Barbados werden in diesen Simulationen merklich beeinflusst. Ergebnisse einer weiteren Simulation mit einer sehr starken Passatinversion bringt deren Einfluss auf die Dicke und Höhe der simulierten Wolkenschichten zum Vorschein. Die Veränderung von Saharastaubschichten, welche Barbados über weiträumigen Transport über den Atlantik erreichen, wird analysiert. Die Auswirkungen beinhalten sowohl eine Ausdünnung und ein Absinken dieser Schichten als auch turbulenter Transport in Richtung Erdoberfläche. Die genaue Position der beeinflussten Schichten und die Stärke des turbulenten Mischens werden hauptsächlich von der atmosphärischen Schichtung, der Inversionsstärke und Windscherung gesteuert. Vergleiche zwischen den LES-Modellergebnissen und Daten aus Doppler-Windlidarmessungen zeigen gute Übereinstimmungen in der Formierung der konvektiven Strukturen tagsüber und des Vertikalwindfeldes. / In this thesis, the fully compressible, three-dimensional, nonhydrostatic atmospheric model called All Scale Atmospheric Model (ASAM) is utilized for large eddy simulations (LES) to investigate local island effects at the Caribbean. Since the model has not been applied to LES for moist boundary layers and heterogeneous surfaces so far, several parts are added to the model code or reworked. A special focus lies on the inclusion of orographical structures via the cut cell method. Spatial and temporal discretization as well as necessary physical parameterizations are summarized in a thorough model description. The robustness of the model formulation is confirmed by a set of idealized test case simulations. Large eddy simulations are performed for the area of the Caribbean island Barbados to investigate island effects on boundary layer modification, cloud generation and vertical mixing of aerosols. Due to the presence of a topographically structured island surface in the domain center, the model setup has to be designed with open lateral boundaries. In order to generate inflow turbulence consistent with the upstream marine boundary layer forcing, the newly developed cell perturbation method based on finite amplitude perturbations is applied. Observations from the SALTRACE field campaign are used to initialize the model runs. Several numerical sensitivity tests are carried out to demonstrate the problems related to \"gray zone modeling\" beyond LES scales or when the turbulent marine boundary layer flow is replaced by laminar winds. Especially cloud properties west of Barbados (downwind) are markedly affected in these simulations. Results of an additional simulation with a strong trade-wind inversion reveal its effect on cloud layer depth and height. The modification of Saharan dust layers reaching Barbados via long-range transport over the North Atlantic is analyzed. Effects of layer thinning, subsidence and turbulent downward transport near the layer bottom become apparent. The position of these layers and strength of downward mixing is found to be mainly controlled atmospheric stability, inversion strength and wind shear. Comparisons of LES model output with wind lidar data show similarities in the formation of the daytime convective plume and the vertical wind structure.

Current global agricultural practices are recognized as unsustainable. The increase in overall human population as well as the global trend of rural to urban migration, partially as a result of historically and continual unsustainable agricultural practices, exacerbates the vicious cycle of poverty and hunger in developing countries. Furthermore, cities and regions in developed countries practice unsustainable food production, distribution and consumption patterns, and as a result, exceed their global ecological footprint (Rees 2009). Consequently, the world is facing a global food (FAO 2009) and water crisis (UN Sick Water 2010). Cities and Regions must learn to feed themselves to address local food insecurity as well as protect from the climate effects of increased urbanization, including the Urban Heat Island effect (UHIe) by optimizing and fully integrating the local ecosystem services of food, water and forest within a tightly woven compact urban form through the implementation of strategic urban and regional food system planning. Cities can mitigate climate change and reduce the UHIe, by implementing sustainable intensive urban agriculture approaches through policy and zoning interventions that include concepts such as intensively productive urban agriculture that includes green roofs, vertical farming and greenways as continuously productive and edible urban landscapes, referred to in this paper as continuously productive urban agriculture and forestation (CPUAF) in the private and public realm. A highly participative, adaptive systems approach is explored as the key to sustainability within an economic world order that included corporate social responsibility and social enterprise as the foundation for the integration of multiple synergies. An increasing body of evidence often links urban forestation with urban greenery initiatives, as a carbon sink to reduce UHI effects, to reduce GHG emissions and as a tool for urban beautification and place making (ISDR: 2009,109). Urban agriculture, through the production of local food is increasingly recognized as a means to reduce fossil fuel emissions by reducing transportation and production outputs, to provide a secure local food source, enhance biodiversity and educate the public regarding food source while fostering a sense of community, environmental awareness and stewardship. This thesis explores the links between intensive urban agriculture and forestation, and the relationship between climate change, and the UHI’s as an adaptation and mitigation process in global cities, implemented as a interconnected, integrated, holistic urban management approach that has a further benefit of providing food security and a sustainable and local urban food source. / Dissertation (MTRP)--University of Pretoria, 2012. / Town and Regional Planning / unrestricted