In last decades, the increase of megacities in many regions and particularly in developing countries, contributed to deplete rural landscape enhancing the urbanization impacts. Such urban settlements result in high greenhouse gas emissions and negative energy balances. By gathering millions of people, they develop a complex network of infrastructures, services, housings and factories. Climate impacts of metropolitan areas are universally recognized in the urban heat island (UHI) effect that entails the increase of average night temperatures relative to rural surroundings. New global challenges for urban agendas involve the restraint of urban sprawl, the enhancement of urban density and the mitigation of urban climate changes. Densification strategies had risen as key planning tools to be inserted in the urban development practice. Nevertheless, the integration of compact city pattern into the existing urban structure lead to dense arrangements of urban forms, changes transport models, raises human and energy exchanges, shaping new outdoor environments. In the framework of these transformations, the present work explored the interaction between morphological and climate urban variables in urban lands affected by on-going densification and verticalization processes. An integrated research procedure was developed and applied to a case study in the municipality of São Paulo, characterized by high-rise and low-rise zones under development subjected to a subtropical climate. The proposed procedure integrated field data collections, analysis of database and modeling techniques, addressing multiple scales of analysis. Climate and morphological features were gained by available city database, meteorological stations, Local Climate Zone (LCZ) maps, and further integrated by fieldworks. Numerical models were implemented as interpretation data tools to investigate the physical processes and to build the conceptual model of the interactions between urban morphology and climate. ENVImet and Grasshopper computational codes were used to simulate the existing case study area, as well as to implement numerical experiments (scenarios) in which different densification patterns were tested and compared. The calibration process of the ENVI-met model relied on prior sensitivity tests of input parameters in a smaller domain. Main findings underlined the high-rise buildings shading as the main climate driving force at subtropical latitudes, inducing different microclimates in the outdoor spaces. Compact low-rise areas were found highly affected by high temperatures, low-albedo materials and absence of vegetation. High-rise buildings arrangements were discussed focusing on the effects of buildings heights and spacing variability. Finally, results were summarized in urban design precepts helping climate-sensitive practices and understanding of urban lands in which densification and verticalization processes are in action. Design percepts included suggestions on building height and arrangement, materials and green infrastructure. The importance of a local-scale planning was also highlighted.

Nas últimas décadas, o aumento das megacidades em muitas regiões do mundo e particularmente nos países em desenvolvimento, contribuiu para recuo do ambiente rural, aumentando os impactos da urbanização. Grandes assentamentos urbanos resultam em altas emissões de gases de efeito estufa e balanços energéticos negativos. Ao reunir milhões de pessoas, as cidades contemporâneas desenvolvem uma complexa rede de infraestruturas, serviços, moradias e centros produtivos. Os impactos climáticos relacionados são universalmente reconhecidos no efeito de ilha de calor urbana (ICU), que implica o aumento das temperaturas médias noturnas em relação ao entorno rural. Novos desafios globais para as agendas urbanas envolvem a contenção da expansão urbana, o aumento da densidade populacional e a mitigação das mudanças climáticas. Assim, estratégias de densificação surgiram como ferramentas-chave de planejamento a serem inseridas na prática urbana. No entanto, a integração do padrão de cidade compacta na estrutura urbana existente leva a arranjos densos de formas urbanas, requerendo modificações nos modelos de transporte, aumenta as trocas de pessoas e de energia, moldando novos ambientes externos. No âmbito dessas transformações, o presente trabalho explorou a interação entre variáveis urbanas morfológicas e climáticas em áreas urbanas afetadas por processos de densificação e verticalização presentes e futuros. Um procedimento integrado de pesquisa foi desenvolvido e aplicado a um estudo de caso no município de São Paulo, caracterizado por zonas de grande e baixa altura em desenvolvimento, sujeitas a um clima subtropical. O procedimento proposto integrou coletas de campo, análise de conjuntos de dados e técnicas de modelagem, abordando múltiplas escalas de análise. Aspectos climáticos e morfológicos foram obtidos por meio de database disponibilizados pela Prefeitura, estações meteorológicas, mapas de Zonas Climáticas Locais (LCZs) e posteriormente integrados por trabalhos de campo. Modelos numéricos foram implementados como ferramentas de interpretação de dados para investigar os processos físicos e construir o modelo conceitual das interações entre morfologia urbana e clima. Os códigos computacionais ENVI-met e Grasshopper foram usados para simular a área de estudo, bem como para implementar experimentos numéricos (cenários) nos quais diferentes padrões de densificação foram testados e comparados. O processo de calibração do modelo ENVI-met baseou-se em testes de sensibilidade prévios, realizados sobre parâmetros de input em um domínio menor. Os principais resultados ressaltaram o sombreamento causado por grandes objetos construídos como a principal forçante climática nas cidades de latitude subtropical, induzindo diferentes microclimas nos espaços externos ao redor. Tecidos urbanos baixos e compactos foram encontrados afetados por altas temperaturas, materiais de baixo albedo e ausência de vegetação. Arranjos de edifícios altos foram investigados focando nos efeitos das alturas dos edifícios e na variabilidade do espaçamento entre eles. Por fim, os resultados foram resumidos em preceitos de desenho urbano que suportassem uma abordagem de projeto mais sensível ao clima, assim como a compreensão das áreas da cidade onde os processos de densificação e verticalização encontram-se ativos. Os preceitos de desenho urbano incluíam sugestões sobre a altura e disposição dos edifícios, materiais e infraestrutura verde. A importância de um planejamento em escala local também foi destacada.