OverviewDr. Agustin Robles-Morua

Red de Investigación de Sustentabilidad de Resiliencia Urbana ante Eventos

Extremos Climáticos (UREx SRN)

Dr. Agustín Robles-Morua

9º Congreso Nacional de Investigación en Cambio Climático

Source: New Scientist (2008), after Steffan et al. 2004

Una era de cambios acelerados

Mexico City; photo by N. Grimm

Cambio Climático y Urbanización

Incrementos en la frecuencia de eventos extremos. Actualmente la mitad de la población del mundo vive

en ciudades; 67% para el 2050, 80-90% para el 2100. El mayor crecimiento poblacional se da en zonas

urbanas, en países en menos desarrollados. Tenemos ciudades que están creciendo muy rápido y

con ello tenemos problemas que están creciendo rápidamente.

Las Inundaciones Urbanas como uno de los grandes retos globales

UN Population Division, 2011. World Urbanization Prospects, the 2011 revision

Riesgos de inundaciones proyectados para las principales ciudades del mundo al 2025

El Reto (o el mantra?)

El cambio climático y la urbanización están en conflicto y la infraestructura natral y construida será el campo de batalla!

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oto

cre

dit

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ages

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rs

Emergent Risks and Key Vulnerabilities, Fifth Assessment Report of the IPCC, 2014.

Riesgo y Resiliencia

Resiliencia: una base teórica apropiada

• Resiliencia es ‘la capacidad de individuos, comunidades y sistemas de sobrevivir, adaptarse, y crecer de cara al estrés y a los embates y hasta de transformarse cuando las condiciones lo requieren’

• Los sistemas resilientes son:– Reflexivos– Ingeniosos– Robustos– Redundantes– Flexibles– Inclusivos– Integrativos

Solución Tradicional“Fail-safe” – probabilidad de

fallo es menor, pero la

consecuencia es alta.

Infraestructura altamente

modificada

Solución Resiliente“Safe-to-Fail” – fallos

más frecuentes pero

con consecuencias

menores

• Flexible

• Multifuncional

Visión de URExUna red colaborativa de científicos y profesionales interdisciplinarios de diversas ciudades del mundo trabajando juntos para promover, diseñar, e implementar infraestructura urbana que es resiliente ante futuros eventos extremos. Busca proveer servicios ecológicos, mejorar la calidad de vida, y aprovechar de tecnologías nuevas de maneras que beneficien todos los segmentos de las poblaciones urbanas.

Decision-makers

EnvironmentalNGO’s

Minori es

VulnerableGroups

StudentsandTeachers

Interestedci zens

Managers

CityStakeholderGroups

Cultura de Colaboración e InclusiónBuscar que nuestro trabajo tenga mas significado, nos ayuda a aprender mejor como se adaptan nuestras ciudades, y nos impulsa a que los resultados sean útiles y relevantes. URExSRNbusca impulsar colaboraciones basadas en un alto nivel de confianza e inclusividad en cada actividad.

Decision-makers

EnvironmentalNGO’s

Minori es

VulnerableGroups

StudentsandTeachers

Interestedci zens

Managers

CityStakeholderGroups

Coastal Flooding

Extreme Heat

Urban floodingDrought

Portland, OR (PSU)Phoenix, AZ (ASU)Hermosillo, Mexico (ITSON)Valdivia, Chile (UACh)San Juan, PR (UPR)Miami, FL (FIU, Clark U)Baltimore, MD (Cary Inst, UMBC)New York, NY (New School, NYU, CUNY)Syracuse, NY (Syracuse U)

The UREx SRN

BaltimoreHermosilloMexico CityMiamiNYCPhoenixPortlandSan JuanSyracuseValdivia

CITY COMPARISONS

CLIMATE & HYDROLOGIC

EXTREMES

SETS INTEGRATION

TRANSITIONS & IMPLEMENTATION SCENARIOS

CO

MP

UTA

TIO

N &

V

ISU

ALI

ZATI

ON

EDUCATION & DIVERSITY

PRACTITIONER NETWORK

NETWORK EVALUATION

GRUPOS DE TRABAJOS

SETS INTEGRATIONMikhail Chester (ASU)

Peter Groffman (Cary Inst)Thaddeus Miller (PSU)

TRANSITIONS & IMPLEMENTATIONClark Miller (ASU)

Tischa Muñoz-Erickson (USFS)Karen Thoreson (AfI)

SCENARIOSDavid Iwaniec (ASU)

Timon McPhearson (New School)

Tischa Muñoz-Erickson (USFS)

CITY COMPARISONS Nancy Grimm (ASU)

Charles Redman (ASU)

CLIMATE & HYDROLOGIC EXTREMES

Ken Kunkel (NCSU/NOAA)Enrique Vivoni (ASU)

CO

MP

UTA

TIO

N &

V

ISU

ALI

ZATI

ON

Dav

id C

han

dle

r (S

U)

PRACTITIONER NETWORK

EDUCATION AND DIVERSITYEvelyn Gaiser (FIU) Nancy Grimm (ASU)

NETWORK EVALUATIONThaddeus Miller (PSU)Charles Redman (ASU)

Lideres de los grupos de trabajo

BALTIMOREEmma Rosi-Marshall

HERMOSILLOAgustín Robles-Morua

MIAMIRinku Roy-ChowdhuryTiffany Troxler

NEW YORK CITYTimon McPhearson

PHOENIXNancy Grimm

PORTLANDThaddeus Miller

SAN JUANJenniffer Santos-Hernández Pablo Méndez-Lázaro

SYRACUSECliff Davidson

VALDIVIAOlga Barbosa

EXPERTSBahvik BakshiJoyce CoffeeDavid EisenmannCarson FarmerBill SoleckiClaire Welty

Coordinador Académico de cada ciudad

COREU.S.CITY

EXPERTCITYCORELATINAMERICACITY

BUREAUOFPLANNINGANDSUSTAINABILITY

ACTIVAVALDIVIA

BALTIMORECITYOFFICEOFSUSTAINABILITY

CITYOFPHOENIX,PLANNINGOFFICE

AYUNTAMIENTODEHERMOSILLO,COORD.GENERALDEINFRAESTRUCTURA,

DESARROLLOURBANOYECOLOGIA

MUNICIPALITYOFSANJUAN,DEPT.OFURBANPLANNING,

ENV.ANDPERMITS

COUNTYOFONONDAGA

CITYOFMIAMIBEACH

NYCDEPT.OFPARKSANDRECREATION

UREx Knowledge-Ac on Network Prac onerNetworkAdvisoryCommi ee(PNAC)

Modelación de escenarios climáticos e hidrológicos futuros

Definir Eventos extremos y rediseño urbano

Definir Servicios Ambientales de Sistemas Sociales, Ecológicos y

Tecnológicos (SETS)

Comparaciones entre ciudades de la infraestructura verde

Proyectos Actuales:

Desarrollar visualizaciones decasos de estudio

Escenarios de gobernanza

*Talleres con tomadores de decisión e implementadores.

*Inclusividad de tomadores de decisión y organizaciones civiles.

Desarrollar estrategias de entrenamiento inclusivo

Proyectos Actuales:

Co-producción

Visiones y rutas para la sustentabilidad

Evaluación de alternativasy compensaciones

Desarrollo de Escenarios

Vinculando el Conocimiento y la Acción

Apoyando iniciativas nuevas y existentes, planificación y la tomade decisiones

Allowsomeecosystemfunc onin

hard-engineeredstructure

Developnewdesignthatisa

hybrid

Op mizethecondi onsforecosystem

development

Strengthentheexis ng

ecosystem

Hardengineering

Structuralengineering

Biotechnologicalengineering Bioengineering

A

B

GRAY BLENDED/HYBRID GREEN

Grimm et al. 2016, UGEC Handbook

UREx SRN Urban Resilience to Extremes Sustainability Research NetworkResearch and action questions

Core Questions (and task force topics)

• How do Social-Ecological-Technological Systems (SETS) domains interact to generate vulnerability or resilience to climate-related extreme events? (i.e., how does a SETS perspective improve the way we conceptualize the dynamics of an urban system?)

• How can insights generated by a SETS perspective enhance the way we guide/intervene/govern urban systems along more resilient, equitable, and sustainable trajectories?

• In what ways should we influence future risk management decisions to shift from a focus on fail-safe to one of more safe-to-fail design?

• Do the citizens and administrators of Latin American cities perceive and act differently from traditional North American cities with respect to resilience, sustainability, and the threat of extreme events?

Methodological innovations

• How can we design and implement scenario workshops to effectively envision desirable future states and the pathways to their realization?

• How can we bring together citizen stakeholders, administrators, and scientists to act on ideas generated in the scenario workshops and elsewhere to build and govern more resilient cities?

• Can we make and communicate science in a way to inform and influence people to make more resilience, sustainable, equitable, and environmentally appropriate decisions?

• How can we be sufficiently reflexive to understand the project’s successes and shortcoming in order to re-design approaches in real time?

• How can we participate in the education and training of the next (and hopefully more effective) generation of change agents?

UREx SRN Urban Resilience to Extremes Sustainability Research NetworkScenarios Approach

Overview of the Scenarios working group:

Plausible + Desirable + Resilient Scenarios

Plausible

Forecasting outcomes from existing

governance strategies

Backcasting pathways from envisioned desirable goals

In response toextreme drought,

heat, and flood

Existing Context & Network

Based on:

Desirable

Resilient

Plausible + Desirable + Resilient Scenarios

Plausible

Forecasting outcomes from existing

governance strategies

Backcasting pathways from

envisioned desirable goals

In response toextreme drought,

heat, and flood

Existing Context & Network

Based on:

Desirable

Resilient

Plausible + Desirable + Resilient Scenarios

Plausible

Forecasting outcomes from existing

governance strategies

Backcasting pathways from envisioned desirable goals

In response toextreme drought,

heat, and flood

Existing Context & Network

Based on:

Desirable

Resilient

Participatory Scenario Development Workshops

interventions,

enablers, and

targets

spatially explicittemporally

sequencedrich descriptions

Co-developed scenario logics & pathways to enhance specificity, relevance, &

tangibility

UREx SRN Urban Resilience to Extremes Sustainability Research NetworkPractitioner Priorities and Interactions

Practitioner Team: Hermosillo, México

• Broad participation, including mayor and all major municipal departments.

• Active and involved lead practitioner from IMPLAN (Municipal Planning Institute).

• Acknowledgment of the severity of extreme events issues facing municipality.

UREx Research Co-Production WorkflowDatabase for Mgmt. Team to track and analyze research co-production priorities within and across cities

Present to Mgmt Team

Send summary to Tischa & Thad

Meetings with relevant practitioners in each city• Document meetings (using template) & populate Contact Database

Generate short, concise summary of critical research areas/questions

Timeline

Step 1• Key climate challenges• Critical infrastructure vulnerabilities• Research needs• Contacts for other key players

City Leads (or other relevant

research team members)

City Practitioners:• City & regional

government• Community groups• Non-profits• Vulnerable populations• Local climate experts • Infrastructure

managers

Management Team

Step 4WG Leads City Leads

• Discuss research for each city

• Identify cross-site research potential

• Recommend research projects

Step 3City Research

Priorities

• Contact• Meeting Notes (from

each mtg.)• City Summaries

(outline of key issues, potential research

projects, etc.)

Documentation of discussions

Step 2

Let´s look at some of the results for Hermosillo…..

Urban Heat in Hermosillo

Instituto Tecnológico de Sonora, Ciudad Obregon, Sonora, Mexico.

Portland State University, Portland, Oregon, United States.

Arizona State University, Tempe, Arizona, United States.

The New School, New York, New York, United States-

Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora, Mexico.

Hermosillo is one of the warmest cities in theworld and is the second city in Mexico with thehighest number of recorded deaths fromheatstroke (Mexicali #1).

Climate projections indicate increasedtemperatures and an increased number of daysreaching maximum temperatures consideredheat waves.

Urban Heat in Hermosillo

Regional Analysis of Avg. Tmax and Misery Days

North:- Sonoyta II- Naco- Agua Prieta- Colonia Morelos- Imuris- Bacanuchi- Trincheras

South:- Navojoa- Quiriego- Batacosa- Tesia- Minas Nuevas- Tesocoma- Tesopaco- Tres Hermanos

Center:- Ures- Carbó- Banamichi

West:- Puerto Libertad- San Isidro

East:- Bacadehuachi- Yécora- Sahuaripa

• Stations must have data since 1966.

Intra-urban heat distribution:

• Summer field campaign on June, 2017.

• Collaboration between the Sustaining Urban Places Research Lab (Portland State University), ITSON, IMPLAN, UNISON and UES.

• Nine cars were fitted with temperature sensors and GPS and were driven in 9 predetermined sectors of the city.

• Continuous temperature measurements using thermo sensors located in 20 sites around the city.

Temperature records were related with different combination of landscapes features in the city. Use of Sentinel-2 imagery (10-20 m resolution) and random forest algorithm. (Voelkel et al., 2016)

Studying Heat Waves and Heat Island

Exposure levelsUrban Heat Distribution

Morning Evening Night

The nortwest of thecity remain hot

during the night.

Heat distribution is more uniform during the evening, downtown and southeast of

the city extremely hot.

Downtown is thehotest area during

the night.

Social vulnerability

Indicator Vulnerability Category

Education

Population >15 without basic education

Adaptative capacity

Health

Population without ensurance

Sensitivity

DwellingsHouses with internet Adaptative capacityHouses with phone Adaptative capacity

Houses with at least one vehicule

Adaptative capacity

Disability

Population with disability Sensitivity

DemographicsPopulation 0-5 Sensitivity

Population younger than 15 Sensitivity Population older than 65 Sensitivity

Female population Sensitivity

Vulnerability

Relationship between green areas andtemperatures in the city. (Navarro-NavarroL.A. , Enciso C., Ortega C.)

Observed a reduction of 1°C y 2°C withincrements of 10% in green areas coverage.

IMPLAN initiatives. Increasing the green areas like parks. Vegetation in sidewalks. 72 new adequate shades in bus stops.

Community led climate change adaptationprograms.

Heat Wave communication campaingsstarting in early June of 2018.

Other projects and initiatives Source: Carlos Enciso (UES)

Extreme Heat and Urban Transportation

Instituto Tecnológico de Sonora, Ciudad Obregon, Sonora, Mexico.

Arizona State University, Tempe, Arizona, United States.

El estudio de la evaluación del sistema de transporte urbano de Hermosilloconsistió en cuatro etapas:

1) La primera etapa consistió en la evaluación de las percepciones de los usuariosdel sistema de transporte urbano en 22 diferentes paradas de camión en laciudad.

2) La segunda etapa consintió en realizar mediciones micro-meteorológicas entodas las paradas de camión utilizando estaciones portátiles de alta resoluciónpara medir la exposición al calor a la que estaban expuestas los usuarios.

3) La tercera etapa consistió en la instalación de sensores de temperatura del aireen 10 camiones urbanos. Tres tipos de camiones fueron clasificados como a)Nuevos con aire, b) Recientes con aire que no siempre se prenden; y c)camiones que no funciona el aire acondicionado

4) La cuarta etapa consistió en realizar entrevistas con los encargados del sistemade transporte urbano, tomadores de decisión y con los choferes de loscamiones.

Trasporte Urbano Vs Calor Extremo

a) Kestrel, instrumento portátil para realizar mediciones micro-meteorológicas; b) b) Usuario utilizando la sombra de un panel vertical;c) Usuarios usando la sombra de un edificio; d) Usuario usando un árbol de sombra; e) usuario en una parada sin sombra;f) Usuarios usando techos metálicos de estacionamientos; g) Usuarios usando la sombra de la parada de camión estándar.

Resultados de la variabilidad de la

diferencia (DELTA) de la Temperatura

GLOBAL (Globe T) entre los sensores

ubicados en diferentes tipos de

sombra y los sensores colocados en

el sol.

Resultados de la variabilidad MEDIA de

las temperaturas superficiales

(Termómetro IR) en los diferentes tipos

de estructuras.

Citizen DrivenEnvironmental

Monitoring ProgramInstituto Tecnológico de Sonora, Ciudad Obregon, Mexico.

Universidad Estatal de Sonora, Hermosillo, Mexico.

Arizona State University, Tempe, United States.

Urban FloodingInstituto Tecnológico de Sonora, Ciudad Obregon, Sonora, Mexico.

Arizona State University, Tempe, Arizona, United States.

Variability of urban flooding impacts29 – Julio - 2010; Rainfall 25 mm.

Blvd. Enrique Mazón.

Bridge on highway 26

Variability of flooding impacts2 de Agosto, 2017; Poniente 29 mm, norte 30 mm, Pimentel 25 mm, Altares 27, CIAD 26 mm. Acumulado de ~50 mm (CNA).4 de Agosto, 2017; ~43 mm en el observatorio (CNA)canal desbordado en Villa de parras

61 historic events withprecipitation above30mm/day recorded in 45 years.1.35 eventos por año.

Uso del modelo de“Bluespot”● El modelo de “Bluespot”

estima el riesgo de estancamiento de agua por eventos extremos de lluvia y el escurrimiento que resulta

● Los resultados del modelo en algunos casos comprueban las areas reconocidas como en riesgo por los los estudios de inundacion de Hermosillo (HEMEK, 2018).

● En otros casos, Bluespot muestra que existen areas adicionales en riesgo de inundación

Validacion de riesgo de inundaciones en Hermosillo● Las entrevistas con

ciudadanos (86 en total) muestran muchas areas en la ciudad que sufren de inundaciones que no son reconocidos por ninguno de los modelos

● Respuestas indicaron grave riesgo de inundación por la basura que tapa los cauces de escurrimiento

Lecciones importantes● La combinación de los métodos utilizados por HEMEK y de Bluespot para

determinar areas en riesgo de inundacion ayuda en mejorar lo que sabemos acerca de los riesgos de inundaciones en la ciudad de Hermosillo.

● Sin embargo, muchas áreas fueron identificadas por la ciudania como de riesgo por inundacion basado en sus experiencias durante eventos de lluvia y dichas areas no existen en los mapas de HEMEK o de Bluespot.

● Para mejorar nuestro conocimiento de las inundaciones es necesario desarrollar y validar modelos de inundación urbanos (como FLOW-2D). Este tipo de modelo beneficiaría a la ciudad más alla que la aplicacion de los metodos previamente utilizados.

VIC Regional Hydrology Model

VIC 5.0

• Large-scale hydrology model (Liang et al., 1994)

• 1/16 degree spatial resolution

• Hourly time step

• Solves moisture and energy balances

• Mosaic of land cover “tiles”

Under Development:

• Urban Impervious Areas

• Urban Canopy

Evaluate impacts of both climate change and land cover change

Examples: Phoenix and Hermosillo

Phoenix Hermosillo

Impacts on Runoff - Phoenix

2011 map, 1951-19802011 map, 1981-20101992 map, 1981-2010

Annual Total Flow Volume (1011 m3/y)

Annual Maximum Flow Volume (109 m3/d)

Impacts on Runoff - Hermosillo

2011 map, 1951-19802011 map, 1981-20101992 map, 1981-2010

Annual Total Flow Volume (1010 m3/y)

Annual Maximum Flow Volume (108 m3/d)

DroughtsInstituto Tecnológico de Sonora, Ciudad Obregon, Sonora, Mexico.

Arizona State University, Tempe, Arizona, United States.

Population growth and water demand in Hermosillo

Annual growth rate: 2.22%

Water demand:2006 = 85 Mm3

2010 = 85 Mm3

2017 =100 Mm3 - 2013, Acueducto independencia

2030 = 136 Mm3

Fuente: Pineda et al., 2010, Pineda, 2016.

700000

750000

800000

850000

900000

950000

1000000

1050000

1100000

2010 2015 2020 2025 2030

Population projections (CONAPO)

Fuente: Salazar y Pineda (2010)

Future Scenarios of water demand:

Escenario 1. Eficiencia física 60%, Eficiencia comercial 70%.Escenario 2. + Eficiencia comercial 95%.Escenario 3. + Incremento en tarifas.Escenario 4. + Eficiencia física 85%.

Tasa de crecimiento: 2.22%

Demanda de agua potable (160-250 lphd):2050, Población 1,492,519 hab. = 140-219 Mm3

2070, Población 2,149,228 hab. = 200-316 Mm3

2050, Población 3,713,866 hab. = 350-546 Mm3

Fuente: Pineda et al., 2010, Pineda, 2016.

Regional Analysis of Drought

Sonora region scale: Climate: Semiarid. High variability of precipitation. High dependence of agriculture activities

(>92% of water rights) Growing pressure (demand) for water

resources.

Future climate projections:

Urban Centers: Guaymas: 50,000 hab Ciudad Obregón: 380,000 hab Hermosillo: 900,000 hab

Basin Area (Km2)

Mátape 9,000

Sonora 27,330

Yaqui 75,300

Regional Hydrologic Modeling

Variable Infiltration Capacity (VIC): Semi-distributed macro-scale hydrologic model.

Characteristics: Grid based simulations. Spatially explicit representation of vegetation

heterogeneity. Multiple soil layer with different infiltration

capacities. Non-lnear base flow.

Versión: Bohn & Vivoni (2016) Addition of the partitioning of

Evapotranspiration with the spatiallydistributed vegetation.

Improvements in the temporal resolution ofthe vegetation parameters from monthly todaily.

New computational framework thatincorporates irrigation in agricultural fields.

Figure . Schematic of the VIC-3L model (Gao et al., 2010).

Figure . . Schematic of the big leaf (old) and clumped (modified) representation of ET partition in VIC.

¿Cómo se puede beneficiar tu ciudad de esta red?

• Marco conceptual consistente con el tema de la resiliencia.

• Productos:– Proyecciones climáticas e hidrólogicas .

– Escenarios co-desarrollados con ‘stakeholders’.

– Implementación de algunos componentes de los escenarios a través de proyectos (trayendo el conocimiento a la acción a través de colaboraciones con implementadores).

• Membresía en una red de ciudades: – Aprendiendo y compartiendo iniciativas con otras ciudades.

– Demostrando casos de éxito.

– Participación regular en reuniones de la red.

– Interface con otras redes nacionales e internacionales: Urban Sustainability Directors Network, Rockefeller 100 Resilient Cities, IDB’s Iniciativo Ciudades Emergentes & Sustenibles, Allicance for Innovation, Future Earth

www.urexsrn.org