Även om du inte är en ivrig spelare, chansen är stor att du har hört talas om SimCity. Släpptes 1989 och kännetecknas av sitt öppna spel, SimCity gav många spelare sin första smak av full kontroll över en stads utveckling, för alltid cementerar sin plats i videospelshistorien.

I en nyfiken vändning av spel till verklig anpassning, virtuella stadssimuleringar gör det nu möjligt för stadsplanerare att få en uppfattning om resultatet av sina beslut utan att behöva bygga en enda fysisk struktur. I en tid då världen dramatiskt omformas av klimatförändringarna, datadriven modellering av stadslandskap är också oerhört användbar för regeringar att rusta sina städer för de värsta scenarierna som orsakas av global uppvärmning och stigande havsnivåer.

"Singapore, är en låglänta ö med begränsad landyta, är särskilt känslig för klimatförändringar, " sa Hee Joo Poh, en senior vetenskapsman vid Institute of High Performance Computing (IHPC), EN STJÄRNA, hänvisar till stigande temperaturer och pågående urbanisering som hot mot Lejonstadens livsduglighet.

Men allt är inte förlorat. "Genom att optimera miljöfaktorer, Singapores stadsplanerare kan designa bostäder och infrastruktur som maximerar medborgarnas komfort och välbefinnande trots klimatförändringar, " skämtade han.

Ett fågelperspektiv av en virtuell stad

Även om det är lättare att tänka på att klimatet är enhetligt i hela Singapore, faktum är att olika delar av stadsstaten har sina distinkta klimatprofiler – så kallade mikroklimat. Ett områdes mikroklimat påverkas av ett sammanflöde av faktorer, allt från naturliga faktorer som vind, solljus och vegetation till konstgjorda element som byggnadstäthet och fordonstrafik.

Att redogöra för alla dessa miljöfaktorer i stadsplanering är en knepig affär, men Pohs forskargrupp har skapat ett digitalt verktyg som heter Integrated Environmental Modeler (IEM) för att göra just det. Utvecklad i samarbete med kollegor vid A*STAR's Institute for Infocomm Research (I2R) och Building &Research Institute, Bostads- och utvecklingsnämnden (HDB), Singapore, IEM utnyttjar flera datakällor för att återskapa och simulera mikroklimatscenarier i Singapore. Detta skiljer den från andra miljömodellerare på marknaden som vanligtvis bara bedömer en miljöfaktor åt gången.

"Det viktigaste gapet som IEM fyller är integration, " delade Poh. "Det är det första integrerade och skalbara verktyget för att koppla alla viktiga miljöfysiska faktorer och deras komplexa interaktioner till en enda enhetlig plattform."

För att skapa IEM, forskarna försågs med invecklade 3-D geometriska data från Singapore av sina medarbetare på HDB. Teamet utvecklade sedan en modul som kunde krossa 3-D geometriska data för att omvandla den till en mycket realistisk 3-D-simulering av landet. På samma gång, 43 miljösensorer var utplacerade i Singapores östra halva. Drivs av solen, dessa sensorer samlade in data om olika parametrar som solinstrålning, vind och temperatur, trådlöst överföra data tillbaka till forskarna i realtid.

Med stora mängder data i handen, forskarna fortsatte sedan med att utföra det mödosamma arbetet med att kombinera alla olika parametrar till vad som skulle bli IEM. Data om luftflödesdynamik, vägen för solvärme och bullers utbredning överlagrades på 3D-simuleringen av Singapore, med en tio meters horisontell upplösning. Detta, medgav Poh, var den mest utmanande delen av projektet.

"Vad vi har skapat är inte en integration av befintlig programvara, men ett system byggt på en skalbar datorarkitektur som använder realtidsmätningar, " han sa.

När det digitala blir fysiskt

Värdet av ett verktyg ligger i det problem som det löser för sin användare. När det gäller IEM, det första problemet som Pohs team försökte ta itu med var ett mikroklimatfenomen känt som den urbana värmeöeffekten, som är ansvarig för den skarpa skillnaden i temperatur mellan skogsområden och urbaniserade områden.

Urban värmeöar är ett resultat av byggandet av täta stadsstrukturer - tänk skyskrapor och gallerior - som fångar värme längs relativt smala gator. Tillsammans med brist på skuggagivande vegetation och värme från fordonstrafik, temperaturerna på dessa värmeöar kan skjuta i höjden till outhärdliga nivåer.

Inte överraskande, satellitdata har avslöjat att urbana värmeöar är mer uppenbara i Singapores mycket urbaniserade söder. Områden som Tuas Industrial Park och Changi Airport är också särskilt varma på grund av de stora strängarna av exponerad betong och metall som finns på dessa platser. Under tiden, den skogklädda norra delen är förhållandevis svalare under dagen – forskarna rapporterade en temperaturskillnad på 4°C mellan välplanterade områden och Singapores centrala affärsdistrikt.

Genom att kombinera dessa temperaturskillnader i tandem med beräkningsvätskedynamik (CFD) simuleringar av vindhastighet och riktning, samt förekomst eller frånvaro av vegetation och vattenförekomster i ett område, forskarna kunde identifiera optimala platser för att bygga bekvämligheter som lekplatser i befintliga eller nya utvecklingar. Vidare, genom att ta hänsyn till bullerdata, forskarna kunde identifiera ett samband mellan värmedistribution och bullerspridning i stadsmiljöer.

"Ljud färdas snabbare i varmare luft, så när luften över jorden är varmare än luften vid ytan, ljudvågen böjer sig tillbaka mot jorden, " förklarade Poh. "Under sådana omständigheter, den nedåtgående brytningen kan tillåta ljud att färdas över hinder som bullerbarriärer och fortplanta sig vidare."

Sådana insikter kan vara användbara för Singapores stadsplanerare eftersom fler höghus byggs nära motorvägar för att maximera markanvändningen. Höjden och placeringen av bullerskärmar kan också behöva anpassas för att begränsa omfattningen av bullerföroreningarna för byggnadernas invånare.

Bygger på en stark grund

Analogt med hur Singapores skyline är i ett konstant flöde, IEM är fortfarande ett pågående arbete eftersom Poh och kollegor fortsätter att göra förbättringar av simuleringarna.

"Den långsiktiga visionen för IEM-verktyget är att omvandla det till en mycket exakt "Digital Twin"-modell för användning med alla urbaniserade områden, kan ta hänsyn till olika faktorer som påverkar stadsmiljöer, ", sa Poh. "Detta minskar risken för kostsamma fysiska försök och fel och gör att utvecklingsplaner kan testas beräkningsmässigt före faktisk implementering."

Även egenskaperna hos enskilda byggnader kan bedömas i silico med hjälp av IEM, Poh lade till, belyser hur han har arbetat med Building and Construction Authority (BCA) i Singapore i mer än ett decennium med klimatanpassad byggnadsdesign, bidrar med sin expertis på CFD-simuleringar.

"2008, BCA inkluderade CFD i sitt initiativ (BCA Green Mark Scheme) för att driva Singapores byggindustri mot mer miljövänliga byggnader, och jag var engagerad som extern bedömare för projekt under initiativet, " sa han. Sedan 2012, han samarbetade vidare med BCA för att utveckla CFD-simuleringsmetodik och utvärderingsparametrar för modellering av naturligt ventilerade utrymmen i icke-bostadshus enligt Green Mark-kriterierna.

För hans bidrag till området urban livability och hållbarhet i Singapore, Poh hedrades av ministeriet för nationell utveckling (MND) som en ung ledare för World Cities Summit 2014. Mer nyligen, under 2019, Poh, tillsammans med Wee Shing Koh från IHPC, Fachmin Folianto från I2R och Sze Tiong Tan från HDB, belönades med President's Technology Award 2019 – Singapores mest prestigefyllda vetenskaps- och teknikpris – för sitt arbete med IEM.

"Vår forskning hjälper till att ta fram innovativa lösningar för hållbar stadsplanering och design, men bortom området för stadsplanering, klimatforskare och miljöforskare skulle också kunna använda IEM för att simulera och studera de lokala effekterna av framtida globala klimatförändringar, " sa Poh.

"Fynden från sådana studier skulle vara användbara för statliga myndigheter att formulera policyer och införa åtgärder för att mildra klimatrelaterade hot, " avslutade han.