Quantifying the Optimal Street-Tree Coverage Level for Reducing Pedestrian Heat Stress in Gulf Cities: A Case Study of the Dammam Metropolitan Area. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF AhlaElfatih_Final Thesis Draft_G202308890_MAY18.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة في تأثير الزيادة التدريجية في نسبة تغطية أشجار الشوارع على الإجهاد الحراري للمشاة في حالة شارع رئيسي مختار، وهو شارع عبد الرزاق بن همام في الدمام ضمن منطقة الدمام الكبرى بالمملكة العربية السعودية. وتنطلق الدراسة من الحاجة إلى تطوير تخطيط أكثر استجابة للمناخ لأشجار الشوارع في مدن الخليج، حيث تؤدي حرارة الصيف الشديدة، وارتفاع التعرض للإشعاع الشمسي، ومحدودية الظل إلى زيادة الإجهاد الحراري في الفراغات الخارجية. باستخدام برنامج ENVI-met، تمت محاكاة سيناريوهات تغطية شجرية تبدأ من 0% إلى 100% بفواصل قدرها 10%، مع تثبيت المتغيرات الأخرى غير المرتبطة بالأشجار. واستُخدم المؤشر العالمي للمناخ الحراري (UTCI) وصفه المؤشر الرئيس للإجهاد الحراري للمشاة، مدعومًا بمتوسط درجة الحرارة الإشعاعية (MRT) ودرجة حرارة الهواء (Ta). أظهرت النتائج أن زيادة تغطية الأشجار حسّنت الظروف الحرارية للمشاة بشكل واضح، إلا أن هذا التحسن لم يكن خطيًا. فمن السيناريو الأساسي S0 إلى السيناريو S100، انخفض متوسط UTCI من 53.0°م إلى 38.30°م، وانخفضت MRTمن 70.30°م إلى 44.77° م، كما انخفضت Taمن 42.61°م إلى 35.01° م.أظهرت النتائج أن أكبر الانخفاضات الإضافية في UTCI حدثت بين السيناريوهين S40–S50 و S50–S60، ثم بدأت الفائدة التبريدية الهامشية بالتراجع بعد S60. لذلك، تم تحديد نسبة 60% كتغطية شجرية مثلى من منظور الكفاءة، بينما يمثل الانتقال بين S60–S70 بداية تناقص العوائد الحرارية. وعلى الرغم من أن S100 حقق أعلى تبريد مطلق، فإن S60 قدم أفضل توازن بين التحسن الحراري وتراجع المكاسب الإضافية. كما بينت اختبارات حساسية إضافية لاتجاهات مختلفة للشارع أن بداية تناقص العوائد الحرارية ظلت قريبة من المرحلة الانتقالية بين S60–S70، مما يدعم استقرار نسبة 60% كتغطية شجرية مثلى ضمن الحالة المدروسة. كما أظهرت المقارنة مع ممارسة التشجير الحالية في الشوارع الرئيسية بمنطقة الدمام الكبرى أن السيناريو S60 حقق أداءً حراريًا أفضل، حيث خفّض UTCI بمقدار 10.73°م، و MRT بمقدار 14.46°م، و Ta بمقدار 5.49°م مقارنة بحالة التشجير الحالية. وتوضح هذه النتائج أن الأداء الحراري لأشجار الشوارع لا يعتمد فقط على وجودها، بل أيضًا على نسبة تغطيتها، وكفاءة ظلها، وتوزيعها المكاني. وتوفر الدراسة أساسًا علميًا لدعم تخطيط أشجار شوارع أكثر فاعلية ووعيًا بالموارد في منطقة الدمام الكبرى ومدن الخليج ذات الظروف المناخية المشابهة.

English Abstract

This study investigates how progressive street-tree coverage affects pedestrian-level heat stress in a selected 40 m wide main-road street-canyon case within the Dammam Metropolitan Area (DMA), Saudi Arabia. The research responds to the need for more climate-responsive street-tree planning in Gulf cities, where extreme summer heat, high solar exposure, and limited pedestrian shade intensify outdoor thermal stress. Using ENVI-met, a comparative scenario sequence was developed based on Street Abdulrazaq Ben Hamam in Dammam, with tree coverage increasing from 0% to 100% in 10% intervals while all non-tree parameters were kept constant. The Universal Thermal Climate Index (UTCI) was used as the primary indicator of pedestrian heat stress, supported by mean radiant temperature (MRT) and air temperature (Ta) during the peak summer period. The results show that increasing tree coverage substantially improved pedestrian-level thermal conditions, but the response was non-linear. From the baseline scenario (S0) to the maximum tree-coverage scenario (S100), average UTCI decreased from 53.0°C to 38.30°C, while MRT declined from 70.30°C to 44.77°C and Ta decreased from 42.61°C to 35.01°C. The strongest additional UTCI reductions occurred between S40–S50 and S50–S60, after which the marginal cooling benefit weakened. Based on this pattern, 60% tree coverage was identified as the most effective level from an efficiency perspective, while the S60–S70 transition marked the beginning of diminishing thermal returns. Although S100 produced the maximum absolute cooling, S60 offered the most effective balance between thermal improvement and declining marginal gain. Additional orientation-sensitivity testing for S30, S60, and S70 under the original NE–SW orientation and two cardinal orientations, N–S and E–W, suggested that the diminishing-returns threshold remained close to the S60–S70 transition across the tested orientations. This provides initial support for the stability of the 60% optimal coverage finding within the modeled canyon geometry. The study also compared the optimal scenario with a currently observed DMA main-road planting condition. The results showed that S60 reduced UTCI by 10.73°C, MRT by 14.46°C, and Ta by 5.49°C relative to the current planting practice. These findings demonstrate that the thermal performance of street trees depends not only on their presence, but also on coverage level, canopy continuity, species characteristics, and spatial configuration. The study provides an evidence-based foundation for more thermally effective and resource-conscious street-tree planning in the DMA and comparable hot-humid Gulf urban contexts.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Architectural Research > Environment
Department:	College of Design and Built Environment > Architecture and City Design
Thesis Advisor:	Omar Almahdy,
Thesis Committee Members:	Mansour Al-hazmi, Omar Asfour,
Depositing User:	AHLA FARAH
Date Deposited:	18 Jun 2026 06:59
Last Modified:	18 Jun 2026 06:59
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144536