جزیره حرارتی شهری

با توسعه شهرنشینی، مقادیر زیادی از مساحت مناطق کشاورزی و جنگلی جای خود را به خانه ها، مناطق صنعتی و دیگر زیرساخت ها داده اند. محدوده های شهری دارای بیلان انرژی و آبی متفاوتی در قیاس با نواحی غیرشهری اند. این تفاوت و تغییر در این دو مفهوم باعث از بین رفتن توازن انرژی و رواناب در محیط های شهری می گردد که خود مشکلات زیست محیطی جدی را (مانند سیل و آلودگی های حرارتی) برای ساکنان شهر به دنبال می آورد. علاوه بر این، در برخی از نواحی شهری تغییرات کاربری ها و افزایش جمعیت و در پی آن افزایش تردد خودروها و همچنین وجود صنایع، موجب افزایش دمای برخی مناطق شهری نسبت به دیگر مناطق می شوند. بنابراین در مناطق شهری، بسته به پوشش زمین، مناطقی با درجه حرارت بیشتر از سایر نواحی به وجود می آید، که این پدیده را جزیره حرارتی شهرها می نامند. در این تحقیق، جزایر حرارتی شهر تهران ـ که مهم ترین مرکز جمعیتی و یکی از مهم ترین مراکز صنعتی ایران به شمار می آید و در طول چند دهه اخیر رشد شهری سریعی داشته است ـ مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف اصلی از انجام این تحقیق، استخراج جزایر حرارتی در مناطق شهری با استفاده از داده های ماهواره ای و تعیین اثر نوع پوشش و کاربری زمین بر دمای سطح زمین است. برای رسیدن به این هدف، طبقه بندی پوشش اراضی شهری شهر تهران بر اساس تغییر در خصوصیات بیوفیزیکی (ویژگی های بیولوژیکی و خواص فیزیکی) آن، در سطح طبقه بندی زیرپیکسل و استخراج کسر خاک، پوشش گیاهی و سطوح نفوذناپذیر با استفاده از تصاویر ETM+ انجام شد. برای محاسبه درصد هر یک از این سطوح از روش جداسازی طیفی (LSU) استفاده شد. در پایان، با تحلیل آماری هر یک از جزایر حرارتی شهر تهران به تفکیک، نقش هر یک از پوشش ها و کاربری های اراضی در ایجاد آنها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند که سطوح نفوذناپذیر از طریق جذب و ذخیره انرژی خورشیدی اثر گرمایشی دارند، در حالی که پوشش گیاهی از طریق ایجاد توازن گرمایی به وسیله تبخیر و تعرق و تولید سایه، دارای اثر خنک کننده اند.

با توسعه شهرها، چشم اندازها تغییر می کند. ساختمان ها، جاده ها و دیگر زیرساخت ها، جایگزین زمینهای روباز و پوشش گیاهی می شوند. این توسعه منجر به شکل گیری جزیره حرارتی شهری شده که به موجب آن مناطق شهری دماهای گرمتری را نسبت به مناطق روستایی اطراف شهر تجربه می کنند. این تغییرات دمایی باعث پایین آمدن کیفیت زندگی شهری، بویژه در مسایل مربوط به آسایش دمایی می شود. از آنجایکه بیشتر سطوح شهری را بام ها، خیابان ها و پیاده رو ها تشکیل می دهند توجه به این سطوح شهری در کاهش اثر جزیره حراتی می تواند موثر باشد. هدف این تحقیق بررسی نقش بام های انعکاسی در کاهش اثر جزیره حرارتی شهری می باشد. در این تحقیق با استفاده از تصاویر چند زمانه لندست TM ، تاثیر استفاده از بام های انعکاسی (ایزوگام) بروی تغییرات بازتاب، جذب و دمای سطح شهر کرمانشاه بین سالهای 1987 تا 2011 مورد بررسی قرار گرفت. برای بدست آوردن دمای سطح زمین از الگوریتم تک باندی کین و همکاران استفاده شد. نتایج بررسی های آماری نشان داد که میزان قابلیت انعکاس در دوره زمانی مورد مطالعه به طور میانگین 8 درصد افزایش داشته است و این افزایش انعکاس موجب افزایش مساحت طبقه دمایی خنک که توزیع آن بروی ساختمانهای مسکونی است، شده است. این در حالیست که با توسعه شهر و کاهش پوشش گیاهی داخل شهر و اطراف رودخانه قره سو، مساحت طبقه دمایی بسیار خنک کاهش زیادی داشته است و مساحت طبقه دمایی بسیار گرم افزایش داشته است. بررسی تغییرات فضایی بازتاب و دمای سطح زمین در دوره مورد مطالعه نشان داد که در مکانهایی که بازتاب افزایش یافته است دمای سطح با کاهش همراه بوده است و استفاده از بام های انعکاسی در کاهش اثر جزیره حرارتی می تواند موثر باشد.

پدیده جزیره حرارتی شهری به طور کلی به وسیله یک کاهش در جریان گرمای نهان و یک افزایش در گرمای محسوس در مناطق شهری صورت می گیرد. امروزه این پدیده یکی از معضلات عمده شهرهای بزرگ می باشد، به طوری که توجه بسیاری از محققان و متخصصان در رشته های مختلف را به خود جلب نموده است. در این تحقیق جزایر حرارتی شهر تهران که یکی از پرجمعیت ترین شهرهای دنیا بوده و هر روزه بر جمعیت و ساخت و سازهای آن افزوده می شود، مورد مطالعه قرارگرفته است. هدف این پژوهش، استفاده از تصاویر ماهواره ای به منظور مقایسه دو شاخص تفاضل پوشش گیاهی نرمال شده (NDVI) و سطوح غیرقابل نفوذ (ISA) به عنوان پارامترهای نمایشگر جزایر حرارتی شهری سطحی (SUHI) از طریق بررسی رابطه آن ها با شاخص دمای سطحی زمین (LST) و نقشه کاربری اراضی می باشد. بدین منظور از تصویرTM ماهوارهلندست 5، مشاهدات دمایی ایستگاه های هواشناسی، نقشه کاربری اراضی 2000/1و مدل زیرپیکسل استفاده شده است. نتایج این بررسی نشان می دهد که رابطه ای خطی و قوی بین LST و ISA وجود دارد، درحالی که رابطه ی بین LST و NDVI بسیار ضعیف و منفی می باشد و به منظور بررسی کمی LST در مطالعات مربوط به جزایر حرارتی شهری با استفاده از سنجش از دور حرارتی، شاخص ISA بسیار مناسب تر از شاخص NDVI می باشد. هم چنین با برررسی درصد سطوح غیرقابل نفوذ در هر یک از کاربری ها این نتیجه حاصل شد که کاربری مسکونی به دلیل وجود سطوحی مانند آسفالت، بتن و... دارای بیش ترین درصد سطوح غیرقابل نفوذ وکاربری پوشش گیاهی دارای کم ترین درصد سطوح غیرقابل نفوذ می باشند.

شکل گیری جزایر حرارتی شهری به یکی از چالش های جدی عصر حاضر تبدیل شده و ذهن جامعه علمی را به خود مشغول کرده است. توجه به این موضوع در مقالات و تحقیقات علمی خصوصاً در دهه اخیر رشد بسیار زیادی داشته است. طبق نظر محققین اگر روند فعلی افزایش دما ادامه یابد، باعث بروز مشکلات جدی زیست محیطی و تحمیل هزینه های بسیار در سطح شهرها خواهد شد. با توجه به اهمیت موضوع، هدف از این مطالعه مرور نظام مند و تحلیل موضوعی مقالات و تحقیقات علمی انجام شده در این زمینه است. طبق بررسی های انجام شده، جزیره حرارتی شهری تحت تاثیر دو گونه از عوامل اقلیمی و عوامل مربوط به ساخت شهر است. عوامل مربوط به اقلیم شامل تابش خورشید، سرعت و جهت شدت باد، پوشش ابری، رطوبت خاک و هوا، بارش، عرض جغرافیایی، تغییرات فصلی، توپوگرافی، نزدیکی به رودخانه و دریا هستند. این عوامل اگرچه در شهرهای موجود تقریباً غیر قابل کنترل هستند، اما در تصمیم گیری پیرامون جایابی شهرهای جدید و یا تعیین جهت توسعه شهر اهمیت بسیاری دارند. دسته دوم عوامل قابل کنترل و عمدتاً مرتبط با طراحی و ساخت شهر هستند. شناخت اهمیت این عوامل می تواند نقش و جایگاه برنامه ریزی و طراحی شهری را در کاهش جزایر حرارتی شهری نشان دهد. در میان این عوامل بیش از همه میزان و کیفیت پوشش گیاهی در سطح شهر اهمیت دارد. عوامل دیگری همچون کاربری زمین، میزان تراکم شهری، نوع مصالح مصرفی در سطح بیرونی ساختمان ها و خیابان ها، فرم و هندسه شهر و نوع حمل و نقل از عوامل موثر بر شدت و میزان جزایر حرارتی شهری است.

افزایش میزان رشد جمعیت و در نتیجه توسعه نواحی شهری می توانند به شدت بر روی وقایع آب و هوایی تاثیر گذاشته و در نتیجه باعث تشدید پدیده هایی مانند تنش گرمایی شوند. با توجه به تاثیرات مورد انتظار این پدیده بر سلامت انسان، ارائه راهکارهای عملیاتی تعدیل کننده جهت کنترل شرایط آینده بسیار حائز اهمیت می باشد. بنابراین مطالعه حاضر با هدف شبیه سازی تاثیر راهکارهای برنامه ریزی شهری بر فرایند های پویا در محیط شهری و در مقیاس محلی در شهر تهران با استفاده از مدل عددی میان مقیاس WRF انجام شد. شبیه سازی ها با استفاده از 4 دامنه تو در تو با یک رویکرد تعاملی دو طرفه اجرا شدند. در این مطالعه از یک مدل کنپی شهری تک لایه ای ساده و یک رویکرد چند لایه ای پیشرفته تر به نام تعیین پارامتر ساختمانی (BEP) استفاده شد. نتایج شبیه سازی ها پس از مقایسه دو طرح شهری، با یک حساسیت سنجی برای راهبردهای مختلف، نشان داد که سناریوی تغییر سپیدایی سطوح، بیشترین تاثیر را روی سطح زمین در مقایسه با دو سناریوی افزایش مناطق سبز شهری و کاهش تراکم ساختمانی دارد. به دلیل موقعیت توپوگرافیکی خاص تهران و درجه حرارت کلی بالا در این منطقه، تهران در مقابل تنش گرمایی به میزان نسبتا بالایی آسیب پذیر است. اعمال اقدامات کنترلی می تواند شدت جزیره حرارتی را تا 3 درجه سانتی گراد (در مقایسه با شدت جزیره حرارتی ° C 5/5 برای حالت پایه) هنگام استفاده از رنگ های روشن با بازتابندگی بالا برای سقف و 1 درجه سانتی گراد با جایگزینی سطوح غیر قابل نفوذ با پوشش گیاهی طبیعی در مناطق شهری تهران، کاهش دهد.

شهرنشینی سریع در تبریز تأثیر قابل توجهی در محیط حرارتی شهری داشته و این تغییرات بر آب وهوا، محیط و کیفیت زندگی ساکنان تأثیر گذاشته است. پژوهش حاضر باهدف ارزیابی جزایر حرارتی شهری ( UHI ) تبریز با استفاده از روش های خودهمبستگی فضایی و ارتباط آن با پارامترهای فیزیکی سطح انجام شد. برای محاسبه شاخص پوشش گیاهی و دمای سطح زمین از روش های NDVI و الگوریتم پنجره مجزا ( Split Window ) بر اساس تصاویر سنجنده های TIRS و OLI ماهواره Landsat 8 استفاده شد؛ سپس رابطه بین تغییرات LULC، NDVI و دمای سطح زمین ( LST ) موردبررسی قرار گرفت؛ برای شناسایی UHI از روش های خودهمبستگی فضایی Moran’s I و Hot Spot استفاده شد. نتایج نشان داد در کلان شهر تبریز ارتباط معکوس معنی دار در سطح 05/0 بین LST و NDVI وجود دارد. کمینه LST محاسباتی 99/11 و بیشینه آن 49/58 درجه سلسیوس به ترتیب در مناطق مرکزی و شمال غربی شهر به دست آمده است. همچنین ارزیابی دمای سطح زمین با LULC نیز نشان داده است سطوح نفوذناپذیر به همراه بافت فرسوده شهری مهم ترین دلایل تشدید UHI تبریز هستند. روش خودهمبستگی فضایی Moran’s I نشان داد LST شهر تبریز دارای ساختار فضایی بوده یا به عبارتی دارای الگوی خوشه ای است و مقدار آن بین 92/0 تا 95/0 متغیر است. UHI تبریز از نوع پیرامونی و مثلثی شکل است که از کانون به جهات بر شدت و وسعت جزایر حرارتی شهری افزوده می شود. بزرگ ترین UHI شناسایی شده در منطقه 6 شهری به دلیل استقرار فرودگاه تبریز است، همچنین وجود زمین های بایر و بافت فرسوده بیشینه LST را دارا می باشند.

هدف از پژوهش حاضر آشکارسازی گسترش فیزیکی و تغییرات مکانی جزایر حرارتی در شهر میناب طی سه بازه زمانی (سال های 1975-1988، 1988-2000 و 2000-2014) می باشد. بنابراین این تحقیق از نوع کاربردی می باشد. بدین منظور از تصاویر TM و OLI ماهواره لندست استفاده شد. تغییرات فیزیکی شهر از طریق تحلیل مقادیر مستخرج از دو شاخص تفاضل نرمال شده ساخت و ساز (NDBI) و تفاضل نرمال شده پوشش گیاهی (NDVI) بدست آمد. برای پیدا کردن جزایر حرارتی از الگوریتم های تک کاناله و پنجره مجزا در نرم افزار ENVI استفاده شد. تغییرات مکانی دمای سطح زمین در نرم افزارArcGIS مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد بیشترین میزان گسترش فیزیکی شهر در سال های 1988 تا 2000، به میزان 61/901 هکتار اتفاق افتاده که 6/55 درصد آن براساس رشد جمعیت و 4/44 درصد براساس افزایش سرانه زمین بوده است. مساحت جزایر حرارتی 96/112 هکتار برآورد گردید و روند شمالی-جنوبی و شرقی-غربی را نشان می-داد، که نسبت به دوره ی ماقبل خود بیش از 4 برابر رشد داشته است. سهم عامل جمعیت در این رشد 8/62 هکتار و سهم رشد بی قواره شهری 16/50 هکتار بوده است. همچنین مقدار آنتروپی شانون 3/0 بود که حکایت از رشدی غیرمتراکم در دوره مذکور دارد. در کل، در بازه 39 ساله مورد بررسی در شهر میناب، افزایش 5 برابری وسعت شهر، افزایش 34/6 برابری جمعیت و افزایش 7/5 برابری سطح جزایر حرارتی شهری مشاهده شده است.

جهان در حال گرم شدن است و جمعیت جهان به سکونت در شهرها روی می آورند. این دو حقیقت در ظاهر با هم ارتباطی ندارند اما پدیده ای به نام «جزیره حرارتی شهری» این دو را به هم پیوند می دهد. UHI یکی از معمول ترین پدیده های اقلیم شهری است که در آن برخی مناطق شهری، به ویژه مراکز شهرها، چند درجه از مناطق اطراف خود گرم تر می شوند. مطالعه این پدیده و بررسی مکانیسم آن برای برنامه ریزی های شهری اهمیت بسیار زیادی دارد. در پژوهش حاضر، به منظور برآورد LST، از چهار الگوریتم تک کاناله لندست، تک پنجره، معادله پلانک و معادله انتقال تابش در محیط نرم افزار QGIS، در بازه زمانی 2000 و 2019 طی فصل های تابستان و زمستان در شهر بیرجند استفاده شده و نیز اثر تغییر کاربری در جزیره حرارتی بررسی شده است. ابتدا دمای سطح زمین در شهر بیرجند، با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست، 7 سنجنده +ETM و لندست 8، سنجنده TIRS/OLI طی سال های 2000 و 2019 ازطریق چهار روش استخراج شد. به منظور بررسی توانایی کلی الگوریتم ها در محاسبه دمای سطح زمین، شاخص های آماری میانگین خطای مربعات، ضریب ناش ساتکلیف، میانگین خطای مطلق و ضریب تعیین به کار رفت. نتایج نشان داد که الگوریتم تک کاناله لندست، در محاسبه دمای سطح زمین در شهر بیرجند، دقت بیشتری در قیاس با الگوریتم های دیگر دارد.

امروزه، افزایش دمای سطح زمین و استقرار جزایر گرمایی در کلان شهرها منجر به یکی از معضلات زیست محیطی شهری شده است. از این رو، هدف از پژوهش حاضر، واکاوی تغییرات مکانی- زمانی جزایر گرمایی، پوشش گیاهی، کاربری اراضی و شناسایی پهنه های بحرانی زیست محیطی جزایر حرارتی شهری در شیراز است. بدین منظور، ابتدا 8 تصویر دوره گرم سال در بازه زمانی 2015-1986 از ماهواره لندست شامل سنجنده های (TM) لندست 5، (+ (ETM لندست 7، (TIRS/OLI) لندست 8 استخراج و پس از پیش پردازش های لازم، دمای سطح رمین (LST)، شاخص تفاضل به هنجارشده پوشش گیاهی (NDVI)، الگوهای کاربری اراضی برای پایش تغییرات کاربری اراضی شهری شیراز محاسبه شد. در ادامه، مناطق حساس شهری با استفاده از شاخص قیاسی وضع بحرانی زیست محیطی (ECI) شناسایی و تحلیل شد. نتایج نشان داد که اراضی بایر پیرامون شهر به صورت پیوسته و متراکم دارای بالاترین دما هستند و محدوده های دمایی بسیار گرم را تشکیل می دهند. این مراکز حرارتی در مناطق مسکونی شهری با محدوده های بافت فرسوده و متراکم شهری انطباق دارد. در عین حال، واکاوی نقشه های دمای سطح زمین در شهر شیراز حکایت از هماهنگی بین پایین ترین طبقه دمایی با کاربری پوشش گیاهی دارد.نقشه های کاربری اراضی نیز نشان از کاهش مساحت اراضی بایر و پوشش گیاهی و افزایش کاربری شهری دارد. بدین ترتیب، حدود 01/10 کیلومتر مربع از اراضی بایر و 7/19 کیلومتر مربع از پوشش گیاهی به کاربری شهری تبدیل شده است. این موضوع نشان می دهد که مهم ترین عامل در گسترش جزایر گرمایی کاهش پوشش گیاهی (به میزان 36%) بوده است. بیشترین حساسیت محیطی (پهنه بحرانی با مساحت 7/29 کیلومتر مربع، 2/14 درصد از سطح منطقه مورد پژوهش) نیز غالباً در پیرامون شهر به سبب وجود اراضی بایر و در درون شهر نیز به صورت خرد در اطراف مراکز صنعتی، اطراف فرودگاه بین المللی، ترمینال مسافربری (کاراندیش)، اطراف ایستگاه های مترو، بزرگراه ها و خیابان های پرترافیک و مکان های دارای بافت فرسوده مشاهده می شود. از این رو، گسترش بام سبز و استفاده از پوشش گیاهی سازگار با اقلیم بومی به عنوان راه حلی برای تعدیل جزیره گرمایی شهری و مقابله با وضع بحرانی زیست محیطی پیشنهاد می شود.