بررسی تغییرات دوره‌ای و فصلی جزیره گرمایی شهر کرمانشاه در شب و روز با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای

نویسندگان

1 دانشیار ، گروه جغرافیا، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

2 دانشآموخته کارشناسیارشد، گروه جغرافیا، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

3 دانشجوی دکتری، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، ایران

چکیده

جزایر گرمایی شهری (UHI) به­عنوان یکی از عواملی که فعالیت انسان را در داخل شهر­ها تحت تأثیر قرار می­دهد، هم‌زمان با توسعه فیزیکی شهرها در دهه­های اخیر، اهمیت زیادی پیدا کرده است. با ظهور تصاویر ماهواره‌ای گرمایی در چند دهه اخیر و امکان بازیابی دمای سطح زمین (LST)، این داده­ها برای ارزیابی جزیره گرمایی سطحی شهری (SUHI) که با UHI ارتباط مستقیم دارد، مورد استفاده بوده است. هدف از این تحقیق بررسی تغییرات دوره­ای و فصلی جزیره گرمایی شهر کرمانشاه با استفاده از تصاویر ماهواره­ای است. بدین­منظور از محصولات دمای سطح زمین سنجنده MODIS در دو دوره یک­ساله (2001-2000 و 2016-2015) برای بررسی تغییرات جزیره گرمایی سطحی شهری و همچنین تصاویر سنجنده­های لندست (TM, ETM+, OLI/TIRS) در سه دوره (2015-2000-1987) برای بررسی تغییرات پوشش گیاهی و بازتاب سطح زمین استفاده شد. نتایج نشان داد مناطق شهری در طول روز به­خصوص در دوره گرم سال، نسبت به مناطق غیرشهری دمای سطح کمتری دارند و در آنها جزیره سرمایی سطحی شهری (SUCI) تشکیل می­شود. در شب، به­ویژه در بهار وضعیت فوق معکوس و دمای مناطق شهری به­دلیل انتقال گرمای محسوس در حدود 1 تا 2 درجه بیشتر از بیرون شهر می­شود و از این‌رو جزیره گرمایی سطحی شهری تشکیل میشود. در حالت مقایسه نقطه­ای، اختلافات دمای سطح داخل و بیرون شهر به حدود دو برابر، یعنی 3 الی 4 درجه افزایش می‌یابد. بررسی تغییرات دوره­ای جزیره گرمایی نشان داد که مقدار SUCI در دوره (2015-2016) نسبت به دوره (2000-2001) در طول روز افزایش و مقدار SUHI در طول شب کاهش یافته است. دلیل این تغییرات، افزایش بازتاب مناطق شهری ناشی از استفاده از بام­های با بازتاب بالا به­جای آسفالت که موجب جذب کمتر انرژی خورشید و ذخیره­سازی کمتر گرما می­شود و کاهش پوشش گیاهی در مناطق غیرشهری به دلایل مختلف از جمله تسطیح اراضی به­منظور گسترش شهر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Periodic and Seasonal Variations of Urban Heat Island (UHI) at Night and Day Using Satellite Imagery in Kermanshah City

نویسندگان [English]

  • Firouz Mojarrad 1
  • Mahtab Naseriyeh 2
  • Sirous Hashemi 3
1 Associate Professor, Department of Geography, Razi University, Kermanshah, Iran
2 M.Sc. Graduated, Department of Geography, Razi University, Kermanshah, Iran
3 Ph.D. Student, Faculty of Geography, University of Tehran, Iran
چکیده [English]

Urban Heat Island (UHI) as one of the factors influencing human activity within the cities that has become very important simultaneously with the physical development of cities in recent decades. With the advance of thermal satellite imagery in the last few decades and the possibility of retrieve of Land Surface Temperature (LST), these data have been used to assess the Surface Urban Heat Island (SUHI), which is directly linked to the UHI. The purpose of this study is to investigate periodic and seasonal variations of UHI in Kermanshah city using satellite imagery. Kermanshah is the most important city in the central region of western Iran and the capital of Kermanshah Province. The elevation of the city from the sea level is about 1322 meters and its area is approximately 96 square kilometers. Based on the results of the general census of population and housing, the population of this city in 2006, 2011 and 2016 were 784602, 851405 and 946651 respectively. The population of the city during the 60-year period from 1956 to 2016 has increased sevenfold. To study the SUHI in this city, the MODIS product images were used with a 1 km spatial resolution at 10:30 and 22:30 in the two 1-year periods: old period (2000-2001) and the new period (2015-2016), as well as Landsat images at three different times (May 9, 1987, May 4, 2000, and May 15, 2015) to retrieve land surface albedo and vegetation cover. In this way, the diurnal, seasonal and annual variations of the UHI were studied using the Surface Urban Heat Island (SUHI) index, which is difference between the surface temperature of urban and non-urban areas. This difference was studied in two ways: 1- Between the average temperature of all pixels inside and outside the city 2- Between the representative pixel temperature inside the city (near Azadi Square in the city center), and the representative pixel temperature outside the city (a point near the south of Shahid Ashrafi airport).
The results of the study showed that the urban areas during the day, especially in the warm period of the year, have a lower surface temperature than non-urban areas due to the role of the reflective roofs in increasing the surface albedo; hence, the Surface Urban Cool Island (SUCI) is formed and the value of the SUHI index is negative. In the new period (2015-2016), due to the further development of the city, the effect of reflective roofs on the city temperature reduction is intensified, and along with the deterioration of the vegetation cover outside the city and the rise of temperature, the SUCI is strengthened so that the average temperature in the city is 1.5 degrees lower than outside the city. In extreme cases, the value of the SUHI index reaches +2.65 and -3.44. At night, the situation is reversed and the temperature inside the city is about 1 to 2 degrees higher than the outside of the city mainly due to the anthropogenic heat. Therefore, the value of the SUHI index is positive and the UHI is formed. In the case of point comparison (the difference between the temperature of two representative pixels inside and outside the city), the differences inside and outside the city increase by about two-fold, i.e, 3 to 4 degrees. In extreme cases, the value of the night time SUHI index reaches +7.4 and -9.9

کلیدواژه‌ها [English]

  • Urban Heat Island (UHI)
  • Land Surface Temperature (LST)
  • Urban Cool Island (UCI)
  • Satellite images
  • Kermanshah
امیری، ر.، علی­محمدی، ع، و علوی­پناه، س. ک.، 1386، مطالعه تغییرپذیری فضایی- زمانی حرارت در ارتباط با کاربری/ پوشش زمین در منطقه شهری تبریز با استفاده از داده­های حرارتی و انعکاسی TM و ETM+ لندست، م. محیط­شناسی، 33 (43)، 107-120.

بهارلو، ا.، نامداری، س. و شکیبا، ع.، 1390، تأثیر کاربری اراضی و آلاینده مونو اکسید کربن بر میزان جزایر حرارتی سطحی تولیدشده از داده­های ETM+، همایش ملی ژئوماتیک، تهران، سازمان نقشه‌برداری کشور.

ساسان­پور، ف.، ضیائیان، پ. و بهادری، م.، 1392، بررسی رابطه کاربری و پوشش اراضی و جزایر حرارتی شهر تهران، م. جغرافیا (فصلنامه بین­المللی جغرافیای ایران)، 11 (39)، 256-270.

شکیبا، ع.، ضیائیان فیروزآبادی، پ.، عاشورلو، د. و نامداری، س.، 1388، تحلیل رابطه کاربری و پوشش اراضی و جزایر حرارتی شهر تهران با استفاده از دادههای ETM+، م. سنجش از دور وGIS  ایران، 1 (1)، 39-56.

صادقی­نیا، ع.، علیجانی، ب. و ضیائیان، پ.، 1391، تحلیل فضایی- زمانی جزیره حرارتی کلان­شهر تهران با استفاده از سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، م. جغرافیا و مخاطرات محیطی، 1 (4)، 1-17.

علوی­پناه، س. ک.، 1387، سنجش از دور حرارتی و کاربرد آن در علوم زمین، انتشارات دانشگاه تهران، تهران، ایران.

علوی­پناه، س. ک.، هاشمی دره­بادامی، س. و کاظم­زاده، ع.، 1394، تحلیل زمانی- مکانی جزیره حرارتی شهر مشهد با توجه به گسترش شهر و تغییرات کاربری- پوشش زمین، م. پژوهش­های جغرافیای برنامه­ریزی شهری، 3 (1)، 1-17.

ملک­پور، پ. و طالعی، م.، 1390، مدل­سازی ارتباط کاربری-پوشش اراضی و حرارت سطح زمین با استفاده از داده­های سنجندهASTAR ، م. محیطشناسی، 37 (58)، 29-42.

موسوی بایگی، س. م.، اشرف، ب.، فریدحسینی، ع. و میانآبادی، آ.، 1391، بررسی جزیره حرارتی شهر مشهد با استفاده از تصاویر ماهواره­ای و نظریه فرکتال، م. جغرافیا و مخاطرات محیطی، 1 (1)، 35-49.

متکان، ع. ا.، نوحه­گر، ا.، میرباقری، ب. و ترک­چین، ن.، 1393، تحلیل نقش کاربری اراضی در شکل­گیری جزایر حرارتی با استفاده از داده­های چندزمانه سنجنده ASTER (مطالعه موردی: شهر بندرعباس)، م. سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیا­یی در منابع طبیعی، 5 (4)، 1-14.

هاشمی، م.، علوی­پناه، س. ک. و دیناروندی، م.، 1392،ارزیابی توزیع مکانی دمای سطح زمین در محیط‌زیست شهری با کاربرد سنجش از دور حرارتی، م. محیط‌شناسی، 39 (1)، 81-92.

هاشمی دره­بادامی، س.، نورایی­صفت، ا.، کریمی، س. و نظری، س.، 1394، تحلیل روند توسعه جزیره حرارتی شهری در رابطه با تغییر کاربری اراضی/پوشش با استفاده از سری زمانی تصاویر لندست، م. سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، 6 (3)، 15-28.

هاشمی دره­بادامی، س.، 1394، مدل‌سازی تغییرات سالانه جزایر حرارتی شهری و بررسی اثر آن بر میزان تغییرات آلودگی هوا (کلان‌شهر تهران)، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، اساتید راهنما: علی درویشی بلورانی و سیدکاظم علوی­پناه، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران.

Amiri, R., Weng, Q., Alimohammadi, A., and Alavipanah, S. K., 2009, Spatial–Temporal Dynamics of Land Surface Temperature in Relation to Fractional Vegetation Cover and Land Use/Cover in the Tabriz Urban Area, Iran. Remote Sensing of Environment, 113 (12), 2606-2617.

Chander, G., Markham, B. L. and Helder, D. L., 2009, Summary of Current Radiometric Calibration Coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI Sensors, Remote Sensing of Environment, 113(5), 893-903.

Gedzelman, S. D., Austin, S., Cermak, R., Stefano, N., Partridge, S., Quesenberry, S. and Robinson, D. A., 2003, Mesoscale Aspects of the Urban Heat Island around New York City, Theor. Appl. Climatol., 75, 29-42.

Hartz, D. A., Prashad, L., Hedquist, B. C., Golden, J. and Brazel, A. J., 2006, Linking Satellite Images and Hand-Held Infrared Thermography to Observed Neighborhood Climate Conditions, Remote Sensing of Environment, 104 (2), 190-200.

Haashemi, S., Weng, Q., Darvishi, A. and Alavipanah, S. K., 2016, Seasonal Variations of the Surface Urban Heat Island in a Semi-Arid City, Remote Sensing, 8(4), 1-17.

Hu, L. and Brunsell, N. A., 2013, The Impact of Temporal Aggregation of Land Surface Temperature Data for Surface Urban Heat Island (SUHI) Monitoring, Remote Sensing of Environment, 134, 162-174.

Jiménez-Muñoz, J. C., Cristóbal, J., Sobrino, J. A., Soria, G., Ninyerola, M. and Pons, X., 2009, Revision of the Single-Channel Algorithm for Land Surface Temperature Retrieval from Landsat Thermal-Infrared Data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 47 (1), 339-349.

Jimenez-Munoz, J. C., Sobrino, J., Skokovic, D., Mattar, C. and Cristobal, J., 2014, Land Surface Temperature Retrieval Methods from Landsat-8 Thermal Infrared Sensor Data, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 11 (10), 1840-1843.

Liang, S., 2000, Narrowband to Broadband Conversions of Land Surface Albedo: I. Algorithms, Remote Sensing of Environment, 76, 213-238.

Lazzarini, M., Marpu, P. R. and Ghedira, H., 2013, Temperature-Land Cover Interactions: the Inversion of Urban Heat Island Phenomenon in Desert City Areas. Remote Sensing of Environment, 130, 136-152.

Mackey, C. W., Lee, X. and Smith, R. B., 2012, Remotely Sensing the Cooling Effects of City Scale Efforts to Reduce Urban Heat Island, Building and Environment, 49, 348-358.

Markham, B., Barsi, J., Kvaran, G., Ong, L., Kaita, E., Biggar, S., Czapla-Myers, J., Mishra, N. and Helder, D., 2014. Landsat-8 Operational Land Imager Radiometric Calibration and Stability, Remote Sensing, 6 (12), 12275-12308.

Nonomura, A., Kitahara, M. and Masuda, T., 2009, Impact of Land Use and Land Cover Changes on the Ambient Temperature in a Middle Scale City, Takamatsu, in Southwest Japan, Journal of environmental management, 90 (10), 3297-3304.

Quattrochi, D. A., Luvall, J. C., Rickman, D. L., Estes, M. G. J.,  Laymon, C. A. and Howell, B. F., 2000, A Decision Support Information System for Urban Landscape Management Using Thermal Infrared Data. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 66, 1195-1207.

Rasul, A., Balzter, H. and Smith, C., 2015, Spatial Variation of the Daytime Surface Urban Cool Island During the Dry Season in Erbil, Iraqi Kurdistan, from Landsat 8, Urban Climate, 14, 176-186.

Sobrino, J. A., Jiménez-Muñoz, J. C., Sòria, G., Romaguera, M., Guanter, L., Moreno, J., Plaza, A. and Martínez, P., 2008, Land Surface Emissivity Retrieval from Different VNIR and TIR Sensors. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 46 (2), 316-327.

Sobrino, J. A, Oltra-Carrió, R., Sòria, G., Jiménez-Muñoz, J. C., Franch, B., Hidalgo, V., Hidalgo, V., Mattar, C., Julien, Y., Cuenca, J., Romaguera, M., Gomez, J. A., De Miguel, E., Bianchi, R. and Paganini, M., 2013, Evaluation of the Surface Urban Heat Island Effect in the City of Madrid by Thermal Remote Sensing, International Journal of Remote Sensing, 34 (9-10), 3177-3192.

Voogt, J. A. and Oke, T. R., 2003, Thermal Remote Sensing of Urban Climates, Remote sensing of environment, 86 (3), 370-384.

Zhou, Y., Weng, Q., Gurney, K. R., Shuai, Y. and Hu, X., 2012, Estimation of the Relationship Between Remotely Sensed Anthropogenic Heat Discharge and Building Energy Use. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 67, 65-72.