Remote Sensing and GIS Applications in Environmental Sciences

Investigating the role of climatic parameters in the formation of urban heat islands (UHII) using remote sensing

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Urban and Regional planning, university of Tabriz

2 MSc, Department of remote sensing and GIS, Faculty of Planning and Environmental Sciences, University of Tabriz

3 Associate Prof Department of Meteorology Department of and Plannin of Tabriz

10.22034/rsgi.2024.61462.1073

Abstract

Urban areas have undergone significant changes over time, which has led to the phenomenon of "urban climate change". This study aimed to investigate the role of climatic parameters in the formation of UHII using remote sensing techniques, with a case study of Tabriz metropolis, Iran. In this study, Landsat 8/9 satellite images were used to calculate land surface temperature (LST) and urban heat island intensity (UHII) and ERA5_Land reanalysis data for meteorological parameters for the spring and summer seasons of 2023. Split Window algorithm was used to calculate LST and UHII algorithm was used to check the intensity of urban heat islands. Also, statistical analyzes of linear regression and multi-criteria or multi-variable regression and Pearson's correlation were used for the relationship between UHII and climatic parameters. The results show that bare areas without vegetation, as well as areas close to industries and airports, have the highest surface temperature and UHII. On the other hand, areas with high building density and abundant green spaces have lower surface temperatures. Analysis of meteorological parameters shows that moving from west to east in the study area, air temperature and surface pressure decrease, while precipitation increases. In addition, the wind speed increases from west to east in spring and decreases in summer, while the surface solar radiation has been constant in both seasons of spatial induction.

Keywords

Main Subjects

این مطالعه با هدف بررسی نقش پارامترهای اقلیمی در شکل‌گیری شدت جزایر حرارتی شهری با استفاده از تکنیک‌های سنجش از دور، با مطالعه موردی کلان­شهر تبریز، ایران انجام شد. در این مطالعه از تصاویر ماهواره‌ای Landsat 8/9 برای محاسبه دمای سطح زمین و شدت جزیره گرمایی شهری  و داده‌های تحلیل مجدد ERA5_Land برای پارامترهای هواشناسی برای فصول بهار و تابستان 2023 استفاده گردید. الگوریتم Split Window برای محاسبه دمای سطح زمین و شاخص Urban Heat Island Intensity برای بررسی شدت جزایر حرارتی شهری استفاده شد. از طرف دیگر تحلیل­های آماری رگرسیون خطی ساده، رگرسیون چند متغیره و همبستگی پیرسون برای بررسی رابطه شدت جزایر حرارتی شهری با پارامترهای اقلیمی بهره گرفته شد. نتایج نشان داد که مناطق برهنه و عاری از پوشش گیاهی، مناطق نزدیک به شهرک­های صنعتی و فرودگاه بالاترین دمای سطح زمین و شدت جزایر حرارتی شهری را دارا بودند. در مقابل، مناطق با تراکم ساختمانی بالا و فضای سبز با وسعت زیاد دارای دمای سطح زمین و شدت جزایر حرارتی کمتری برخوردار بودند. نتایج تجزیه و تحلیل پارامترهای هواشناسی نشان داد که با حرکت از غرب به شرق در محدوده مورد مطالعه، دمای هوا و فشار سطح کاهش ولی بارندگی افزایش می­یابد. علاوه بر این، سرعت باد از غرب به شرق در بهار افزایش و در تابستان کاهش می یابد، در حالی که تابش خورشیدی سطح در فصول مورد نظر از لحاظ مکانی ثابت بوده است. نتایج تحلیل رگرسیون خطی ساده نشان داد که یک رابطه مثبت ضعیف بین بارش و شدت جزایر حرارتی شهری با R2 برابر با 08/0 در فصل بهار و 03/0 در فصل تابستان بوده است، در حالی که دمای هوا (فصل بهار با R2 برابر با 12/0 و فصل تابستان برابر با 04/0)، تابش خورشیدی سطح (فصل بهار با R2 برابر با 11/0 و فصل تابستان برابر با 05/0) و فشار سطحی (فصل بهار با R2 برابر با 11/0 و فصل تابستان برابر با 04/0) رابطه منفی ضعیفی با شدت جزایر حرارتی شهری داشتند. رابطه بین توپوگرافی و شدت جزایر حرارتی شهری نیز دارای یک رابطه مثبت ضعیف با R2 09/0 و 019/0 به ترتیب در فصل بهار و تابستان بوده است. نتایج رگرسیون چند متغیره نشان داد که در هر دو فصل بهار و تابستان، همه پارامترهای هواشناسی به طور قابل توجهی با شدت جزایر حرارتی شهری مرتبط هستند. بدین صورت که همه پارامترها دارای سطح اطمینان (Sig) 95 درصد یا کمتر از 05/0 (به جز بارندگی و سرعت باد در فصل بهار) بودند. تجزیه و تحلیل همبستگی پیرسون نشان داد که در فصل بهار، رابطه شدت جزایر حرارتی شهری با بارندگی، سرعت باد و توپوگرافی همبستگی مستقیم و با پارامترهای دمای هوا، تابش خورشیدی سطح و فشار سطح دارای همبستگی معکوس بوده است. در فصل تابستان نیز رابطه آن با پارامترهای بارندگی و توپوگرافی مستقیم و با دیگر پارامترها دارای رابطه معکوس بوده

است. در مجموع، یافته‌های این مطالعه حاکی از آن است که پارامترهای هواشناسی به طور معناداری با شدت جزایر گرمایی شهری در کلان شهر تبریز مرتبط است و این رابطه در فصل تابستان قوی‌تر است.

پوزیدی، علی علی محمد، علیجانی، بهلول، اکبری، مهری، ضیائیان فیروزآبادی، پرویز. (1399). تحلیل فضایی ‌و ‌زمانی ‌جزایر‌ گرمایی مناطق شهری‌گرگان. مجله آمایش جغرافیایی فضا، 10(38)، 157-172.، سال دهم، شماره مسلسل سی و هشتم، صص .157-172
جاودان، جواد، رضائی مقدم، محمد حسین، عبادی، یوسف. (1398). توسعه الگوریتم خودکار برآورد دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر لندست 8 - مطالعه موردی: کلانشهر تبریز. فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»، 28(112)، 187-198.
حسن زاده، المیرا.، حسن زاده، یوسف.، و ضرغامی، مهدی. (1390). مدلسازی تاثیر جریان آب سطحی بر کاهش تراز دریاچه ارومیه به کمک پویایی سیستم ها. مهندسی عمران و محیط زیست (دانشکده فنی)، 41(2)، 1-8.
خالدی، شهریار، کیخسروی، قاسم،  احمدی براتی، فرزانه. (1401). بررسی اثر تغییرات پوشش زمین بر دمای رویه سطحی زمین با استفاده از تصاویر ماهواره ای سنجنده مودیس - مطالعه موردی: شمال شرق ایران. فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر، 31(123)،. 179-197.
رضازاده جودی، علی، و ستاری، محمدتقی. (1395). ارزیابی عملکرد روش های مختلف در بازسازی داده های بارش ماهانه. تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی (علوم جغرافیایی)، 16(42 )، 155-176. SID. https://sid.ir/paper/102304/fa
رنجبرسعادت آبادی، عباس، علی اکبری بیدختی، عباسعلی، و صادقی حسینی، سیدعلیرضا. (1385). آثار جزیره گرمایی و شهرنشینی روی وضع هوا و اقلیم محلی در کلان شهر تهران بر اساس داده های مهرآباد و ورامین. محیط شناسی، 32(39)، 59-68. SID. https://sid.ir/paper/3146/fa.
شکری کوچک، سعید،  بهنیا، عبدالکریم. (1390). تأثیر پدیده جزیره گرمایی بر تغییر اقلیم محلی درکلان شهر اهواز. علوم و مهندسی آبیاری، 34(1)، 35-43..
صدرموسوی، میرستار، رحیمی، اکبر. (1389). مقایسه نتایج شبکه‌های عصبی پرسپترون چند لایه با رگرسیون چندگانه در پیش‌بینی غلظت ازن در شهر تبریز. پژوهش های جغرافیای طبیعی، 42(71)، -.
صدرموسوی، میرستار، و رحیمی، اکبر. (1387). ارزیابی کاربرد شبکه های عصبی مصنوعی در پیش بینی منوکسید کربن در هوای شهر تبریز. منابع طبیعی ایران، 61(3)، 681-691.
عزیزی، قاسم. (1383). تغییر اقلیم. تهران: نشر قومس، چاپ اول، ص 434.
علیجانی، بهلول، طولابی نژاد، میثم، و صیادی، فریبا. (1396). محاسبه شدت جزیره حرارتی بر اساس هندسه شهری مورد مطالعه: محله کوچه باغ شهر تبریز. تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، 4(3 )، 99-112. SID. https://sid.ir/paper/264738/fa
عیسی زاده، وحید، آسیابی، شکوفه، عیسی زاده، اسماعیل. (1399). بررسی پایش دمای سطح زمین با استفاده تصاویر لندست 8 و الگوریتم های تک کاناله و پنجره مجزا (منطقه مورد مطالعه: شهرستان دزفول). جغرافیا و روابط انسانی، 3(3)، 8-25.
غضنفری مقدم, محمدصادق, علیزاده, امین, ناصری مقدم, مهیار, فریدحسینی, علیرضا. (1389). بررسی اثر جزیره گرمایی شهری بر روند تغییرات ریزش ‌های جوی مشهد. آب و خاک, 24(2), -
فیضی زاده، بختیار، دیده بان، خلیل، و غلام نیا، خلیل. (1395). برآورد دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره لندست 8 و الگوریتم پنجره مجزا مطالعه موردی: حوضه آبریز مهاباد. اطلاعات جغرافیایی، 25(98)، 171-181.
کافی، فاطمه ،یوسفی روبیات، الهام، جهانی شکیب ،فاطمه. (1402). تعیین مناسب‌ترین روش استخراج دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای لندست (مطالعة موردی: شهر بیرجند). نشریه سنجش از دور و GIS ایران،15(2)،37-54. .
کاویانی، محمد رضا. (1380). میکروکلیماتولوژی. انتشارات سمت. ص 337.
محمودزاده، حسن، پویان جم، آذر، & امان زاده، فاطمه. (1399). محاسبه دمای سطح زمین و استخراج جزایر حرارتی با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای لندست8 و الگوریتم پنجره مجزا در شهر ارومیه. جغرافیا و برنامه‌ریزی، 24(73)، 325-348..
مزیدی، احمد و حیدری، بتول،(1400)، تحلیل و ارزیابی تغییر کاربری اراضی بر جزیره حرارتی در شهرکرمان،پنجمین کنگره بین المللی توسعه کشاورزی، منابع طبیعی، محیط زیست و گردشگری ایران،تبریز،https://civilica.com/doc/1275898
مقیمی، ابراهیم، محمدی، حسین، و نجفیان گرجی، محمدرضا.(1396). ارزیابی روند تغییرات دما،الگوی جزیره حرارتی و پوشش گیاهی ایام گرم شهر تهران. جغرافیای طبیعی، 10(4 (پیاپی 38) )، 1-18.
موسوی بایگی، محمد، اشرف، بتول، فرید، علیرضا، میان آبادی، آمنه. (1391). بررسی جزیره حرارتی شـهر مشـهد بـا استفاده از تصاویر ماهواره ای و نظریه فراکتال، مجلّه جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره اول، .35-49.
ناصـحی، سعیده، یاوری، احمدرضا، صالحی، اسماعیل. (1401) .بررسـی ارتباط بین تغییرات مورفولوژی شهری با دمای ســـطح زمین بهمنظور مدیریت جزیره حرارتی شـــهری (مطـالعهی موردی: شـــهر تهران). جغرافیاو پایداری محیط. شماره 44،  .107-130
Aghazadeh, F., Ghasemi, M., Garajeh, M. K., Feizizadeh, B., Karimzadeh, S., & Morsali, R. (2023). An integrated approach of deep learning convolutional neural network and google earth engine for salt storm monitoring and mapping. Atmospheric Pollution Research, 14(3), 101689.
Aghazadeh،F.،Bageri،S.،Garajeh،M.K.،Ghasemi،M.،Mahmodi،S.،Khodadadi،E.،& Feizizadeh،B. (2023). Spatial-temporal analysis of day-night time SUHI and its relationship between urban land use،NDVI،and air pollutants in Tehran metropolis. Applied Geomatics،15(3)،697-718.
Aslan N, Koc-San D (2021) The use of land cover indices for rapid surface urban heat island detection from multi-temporal Landsat imageries. ISPRS Int J Geo Inf 10:416.
Atkinson،B W. (2003). Numerical modelling of urban heat-island intensity. Journal of Boundary Layer Meteorology،109(3)،285-310.
Bencheikh, H. and Rchid, A. )2012(. “The Effects of Green Spaces (Palme Trees) on the Microclimate in Arid Zones, Case Study: Ghardaia, Algeria”, Architecture Research, 2(4), pp. 42-46.
Che-Ani, A.I. and Shahmohamadi, P. and Sairi, A. and Mohd-Nor, M.F.I. )2009(. “Mitigating the Urban Heat Island Effect: Some Points without Altering Existing City Planning”, European Journal of Scientific Research No.2, pp. 204-216.
Chen،W.،Zhang،Y.،Gao،W.،Zhou،D. (2016). The Investigation of Urbanization and Urban Heat Island in Beijing Based on Remote Sensing،Journal of Social and Behavioral Sciences 216،141 – 150.
Chun،B.،& Guhathakurta،S. (2017). Daytime and nighttime urban heat islands statistical models for Atlanta. Environment and Planning B: Urban Analytics and City Science،44(2)،308–327. https://doi.org/10.1177/0265813515624685.
Dhalluin, A., & Bozonnet, E. (2015). Urban heat islands and sensitive building design–A study in some French cities’ context. Sustainable Cities and Society, 19, 292-299.
Ghahremanloo،M.،Lops،Y.،Choi،Y.،Mousavinezhad،S.،2020. Impact of the COVID-19 outbreak on air pollution levels in East Asia. Sci. Total Environ. 142226.
Ghorbani, M. Nature of Iran and its climate. In The Economic Geology of Iran; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2013; pp. 1–44. Google Scholar.
Guang،C.،Yiqi،C.،Hao،H.،Junsong،W.،& Lihua Zhao. (2023). Assessing the synergies between heat waves and urban heat islands of different local climate zones in Guangzhou،China. Building and Environment،magnitude of the urban heat island in Seoul: An exploratory analysis"،Sustainable Cities and Society،Volume (71).
Khan،A.،Chatterjee،S. (2017) Numerical simulation of urban heat island intensity under urban–suburban surface and reference site in Kolkata،India،Journal of Modeling Earth Systems and Environment،2-71.
Kuang،W.،Yang،T.،Liu،A.،Zhang،C.،Lu،D.،Chi،W.،(2017). An Eco City model for regulating urban land cover structure and thermal environment: taking Beijing as an example. Sci. China Earth Sci. 60 (6)،1098–1109.
Mozayedi،A.،Narengi،M. (2016). Urban expansion and land use changes effect on climate elements،Journal of Geographic Science Applied Research،40(16)،132-153.
Mozayedi،A.،Narengi،M. (2016). Urban expansion and land use changes effect on climate elements،Journal of Geographic Science Applied Research،40(16)،132-153.
Oke،T. R. (1973). City size and the urban heat island. Atmos. Environ.،7،769–779.
Rahimi, A., & Nobar, Z. (2023). The impact of planting scenarios on agricultural productivity and thermal comfort in urban agriculture land (case study: Tabriz, Iran). Frontiers in Ecology and Evolution, 11, 1048092.
Serco Italia SPA. (2018). Urban heat island with Sentinel-3. (version 1.1) Retrieved from RUS Lectures at https://rus-copernicus.eu/portal/the-rus-library/learn-by-yourself/.
Sol Hart،P.،Feldman،L. (2018). Would it be better to not talk about climate change? The impact of climate change and air pollution frames on support for regulating power plant emissions،Journal of Environmental Psychology،60،1-8.
Sundborg،A. (1950). The local climatological studies of the temperature conditions in an urban areaTellus،2،222-232.
Swain،S.،Therivel،R.،(2014). Environmental impacts of civil emergency plans and their exemption from SEA،Journal of Environmental Assessment Policy and Management،16(3)،1-16.
Zarghami, M.; Abdi, A.; Babaeian, I.; Hassanzadeh, Y.; Kanani, R. Impacts of climate change on runoffs in East Azerbaijan, Iran. Glob. Planet. Chang. 2011, 78, 137–146. Google Scholar.
Remote Sensing and GIS Applications in Environmental Sciences
Volume 4, Issue 10
April 2024
Pages 122-95
  • Receive Date: 30 April 2024
  • Revise Date: 19 June 2024
  • Accept Date: 14 July 2024