Modeling Surface Climate in U.S. Cities Using Simple Biosphere Model SiB2

Abstract

We combine Landsat-and the moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS)-based products in the Simple Biosphere model (SiB2) to assess the effects of urbanized land on the continental United States (CONUS) surface climate. Using National Land Cover Database (NLCD) impervious surface area (ISA), we define more than 300 urban settlements and their surrounding suburban and rural areas over the CONUS. The SiB2 modeled gross primary production (GPP) over the CONUS of 7.12 PgC (1 PgC = 10¹⁵ g of carbon) is comparable to the MODIS improved GPP of 6.29 PgC. At state level, SiB2 GPP is highly correlated with MODIS GPP, with a correlation coefficient of 0.94. An increasing horizontal GPP gradient is shown from the urban out to the rural area, with, on average, rural areas fixing 30% more GPP than urbans. Cities built in forested biomes have stronger urban heat island (UHI) magnitude than those built in short vegetation with low biomass. Mediterranean climate cities have a stronger UHI in wet season than in dry season. Our results also show that for urban areas built within forests, 39% of the precipitation is discharged as surface runoff during summer versus 23% in rural areas.

Résumé

On combine des produits basés sur Landsat et MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) dans le modèle Simple de la Biosphère (SiB2) pour évaluer les effets de l’urbanisation sur le climat en surface aux Etats Unis d’Amérique (EUA) à l’échelle continentale. Utilisant l’Aire des Surfaces Impérvieuses (ASI) de la banque nationale des données de la couverture du sol (NLCD), on définit plus de 300 agglomérations urbaines et leurs zones péri-urbaines et rurales environnantes. La production primaire brute (GPP) modélisée par SiB2 sur les EUA de 7,12 PgC (1PgC = 1015 grammes de carbone) est comparable aux 6,29 PgC obtenus par MODIS. Au niveau des états, le GPP de SiB2 est fortement corrélé avec celui de MODIS avec un coefficient de corrélation de 0,94. Un gradient horizontal croissant de GPP est modélisé depuis la zone urbaine vers la zone rurale avec, en moyenne, les zones rurales fixant 30% plus de GPP que les zones urbaines. Les villes construites dans les biomes forestiers forment des Ilots de Chaleur Urbains (ICU) plus importants que celles construites dans des biomes de végétation courte avec faible biomasse. Les villes à climat méditerranéen ont un ICU plus fort en saison humide qu’en saison sèche. Nos résultats montrent également que pour les zones urbaines construites dans les forêts, 39% des précipitations sont évacuées par ruissellement de surface durant l’été comparé à 23% dans les zones rurales.