دمای سطح زمین (LST)

امروزه شهرنشینی و پیامدهای زیست محیطی آن بر همگان آشکار شده است. از میان عوامل ویرانگر شهری، سیاستمداران و پژوهشگران حوزه علوم محیطی، بیش از هر عامل دیگری به جزایر حرارتی توجه داشته اند. هدف از این پژوهش، شناسایی مناطق بحرانی زیست محیطی جزایر حرارتی شهری اصفهان است. برای دستیابی به این هدف، ابتدا 9 تصویر مربوط به دوره گرم سال، طی دوره آماری 2013 تا 2015 از ماهواره لندست 8 بارگیری و سپس پیش پردازش های لازم، دمای سطح زمین (LST) و شاخص تفاضل بهنجارشده پوشش گیاهی (NDVI) محاسبه شد. در ادامه از شاخص قیاسی وضع بحرانی زیست محیطی (ECI) برای شناسایی مناطق حساس استفاده شد. نتایج نشان داد به دلیل وجود جزایر حرارتی سرد ( 1) بین مرکز شهر و حومه، شیب حرارتی تندی وجود دارد و بزرگ ترین جزیره حرارتی شهری در منطقه 6 شناسایی شد. جزایر حرارتی کانونی و جزایر حرارتی نواری، دو گونه دیگر از جزایر حرارتی شهری هستند که پس از مناطق پیرامونی، در بیشترین مناطق این شهر دیده شد. بیشترین حساسیت زیست محیطی در مناطق جنوبی شهر (منطقه 6 شهری) و کمترین حساسیت زیست محیطی نیز در مرکز شهر (مناطق 1 تا 3 شهری) بود. بر این اساس، توسعه بام سبز و پوشش گیاهی سازمان یافته و متناسب با آب و هوای بومی، بهترین راهکار برای تعدیل جزیره حرارتی و برون رفت از بحران پیش روست.

جایگزینی پوشش های گیاهی با آسفالت و بتن و تغییر کاربری اراضی از عوامل اصلی انتشار گرماهای انسان ساز به شمار آمده که باعث افزایش دمای محیط زیست شهری و منجر به ایجاد جزیره حرارتی شهری می شود. یکی از موضوعات اساسی در بررسی و پایش جزایر حرارتی شهری، واکاوی و شناسایی تغییرات زمانی و مکانی آن ها است که در این رابطه آمار فضایی به خوبی توانسته است به این مهم بپردازد. در این پژوهش تلاش شده است تا با استفاده از سنجنده TM ماهواره Landsat5 و سنجنده های OLI و TIRS ماهواره Landsat8، تغییرات زمانی و مکانی دمای سطحی شهر زنجان مورد بررسی قرار گیرد. بدین منظور ابتدا تصاویر مربوط به 4 دوره زمانی سال های 1987، 1999، 2007 و 2016 گردآوری و سپس با استفاده از الگوریتم پنجره مجزا، داده های دمایی موجود در شهر زنجان استخراج گردید. در مرحله بعد با استفاده از آماره خودهمبستگی فضایی موران و شاخص G به تحلیل فضایی داده های دما پرداخته شد. براساس نتایج تحقیق مشخص شد که بیشترین مقادیر دمایی در شهر زنجان مربوط به مناطق دارای زمین های بایر و کمترین مقادیر در مناطق حاوی پوشش گیاهی، کاربری های مرکزی شهر و بافت های فرسوده رخ داده است. تحلیل خودهمبستگی فضایی موران در سطح اطمینان 99 درصد نشان داد که داده های دمای سطحی شهر زنجان دارای ساختار فضایی بوده و به شکل خوشه ای توزیع شده اند. نتایج شاخص Gi* نیز نشان داد که در تمامی سال های موردمطالعه دمای حداکثر متعلق به زمین های بایر بوده است.

آگاهی از توزیع زمانی و مکانی دمای سطح زمین (LST) Land Surface Temperature برای تعیین بیلان انرژی، در مطالعات اقلیم شناسی، بررسی وضعیت پوشش گیاهی و تعیین چگونگی ساختار شهری کاربرد بسیاری دارد. در این مطالعه، مسئله اصلی استخراج LST از منطقه مورد مطالعه و بررسی رابطه آن با ساخت وساز شهری و پوشش گیاهی است. شرایط اقلیمی به ویژه باد، چگونگی ساخت وساز شهری و پوشش گیاهی از عوامل مهم و تأثیرگذار در LST به شمار می رود. در این مطالعه، با توجه به اهمیت جزایر حرارتی در مقیاس پیکسل و توانایی چندجمله ای های درونیاب نیوتن در این زمینه، ساخت وساز شهری و پوشش گیاهی با این چندجمله ای ها استخراج، و رابطه آن با LST بررسی شده است. همچنین، آن نواحی که جزایر حرارتی را تشکیل داده اند، شناسایی شدند. از اهداف اصلی این مقاله استفاده از تکنیک های ریاضی در سنجش از دور و میزان کارآیی و دقت آنهاست. چندجمله ای های درونیاب نیوتن، با استفاده از DN دریافتی از دویست نقطه از سطح تصویر که دارای پوشش گیاهی و مناطق با ساخت وساز شهری است، دو معادله از درجه هفت ارائه کرده که با پیاده سازی این معادلات بر سطح تصویر، مناطق دارای پوشش گیاهی و ساخت وساز شهری را جداگانه استخراج کرده است. میزان خطای حاصل از استخراج پوشش گیاهی با استفاده از چندجمله ای درونیاب نیوتن، در صد نقطه برداشتی در سطح منطقه مورد مطالعه، 1/10 و برای ساخت وساز شهری 02/12 محاسبه شد. شایان ذکر است که تاکنون کار مشابهی با الگوریتم دوجمله ای های نیوتن انجام نگرفته است.

در سالهای اخیر هم زمان با توسعه شهرها انواع پوشش های سطح زمین تغییر کرده است. این تغییرات سبب شده برخی از مناطق شهری چند درجه ی نسبت به اطراف دمای بالاتری داشته باشند. این پدیده به عنوان جزایر حرارتی شناخته می شود. شهر مشهد به عنوان یکی از کلان شهرهای ایران در شمال شرقی ایران قرار گرفته است . پارامترهای مختلفی بر روی تشکیل جزایر حرارتی در این شهر نقش دارند که باید موردبررسی قرارگرفته شود. در این پژوهش از تصاویر TM ، ETM+ و OLI برای بدست آوردن دمای سطح زمین در بازه زمانی 2016-1987 استفاده گردید. بررسی تغییرات زمانی دمای سطحی نشان داد که در دوره مورد مطالعه جزایر حرارتی از خارج شهر به داخل شهر انتقال پیداکرده است. الگوی توزیع دمای سطح زمین دچار تغییر شده و از مساحت دماهای متوسط و خنک شهر کاسته شده است و برعکس مقدار مساحت دماهای بسیار بالا (جزایر حرارتی) افزایش قابل ملاحظه ای یافته است. همچنین برای به دست آوردن عوامل موثر بر شکل گیری جزایر حرارتی از روش تاپسیس استفاده گردید. 13 عامل طبیعی و انسانی مؤثر در تشکیل جزایر حرارتی تشخیص داده شدند. برای مشخص کردن درجه اهمیت هر یک از عوامل نظر کارشناسان استفاده گردید. فاصله از حرم با وزن 0/234 و ترافیک 0/155 بیشترین اهمیت و ارتفاع با وزن 0/022 به عنوان یک عامل طبیعی کمترین اهمیت را در تشکیل جزایر حرارتی دارند. نتایج نهایی به دست آمده از این مدل نشان داد که آن عواملی که در تشکیل جزایر حرارتی مؤثر می باشدند درست تشخیص داده شده و با دور شدن از عوامل امکان تشکیل جزایر حرارتی کاهش پیدا می کند.

در این مقاله روش جدیدی برای اندازه گیری شدت جزیره های گرمایی سطحی شهری پیشنهاد می شود که از رابطه بین دمای سطح زمین ( LST ) و شاخص تفاضلی یکنواخت شده ی شهری ( NDBI ) وشاخص تفاضلی یکنواخت شده ی گیاهی ( NDVI ) که در تصویری به نام نقشه درصد شهری با هم ترکیب می شوند، استفاده می کند. با توجه به رفتار LST و رابطه آن با نوع پوشش زمین می توان گفت که رابطه بین LST و نقشه درصد شهری از یک تابع خطی پیروی می کند و می توان این تابع خطی را به نمودار دمای سطح زمین برحسب کاربری زمین برازش داد. انتظار می رود از شیب به دست آمده از این خط برازش داده شده شدت جزیره گرمایی شهری ( UHII ) محاسبه شود. به دلیل  ضعف شاخص NDBI این روش برای مناطق بیابانی دقت پایینی دارد ولی در مناطق با پوشش معتدل از دقت بالایی برخوردار است. در این مقاله از داده های ماهواره LANDSAT-7 سنجنده + ETM روی منطقه رشت مرکز استان گیلان و از داده های ماهواره LANDSAT-8 سنجنده OLI/TIR مربوط به منطقه لنگرود دراستان گیلان استفاده شده است. نتایج نشان می دهد برازش خوب یک خط به نمودار LST بر حسب NDBI و نقشه درصد شهری یک روش مناسب برای محاسبه شدت جزیره گرمایی شهری است و در مقایسه با روش های قدیمی دقت و کارایی بالاتری دارد.

رطوبت خاک، بسیاری از فرایندها را در سیستم آب و هوایی کنترل  نموده و یک متغیر بسیار مهم در این سیستم به حساب می آید. همچنین رطوبت خاک یکی از پارامترهای بنیادی محیط زیست است که بر زندگی گیاهی، جانوری و میکروارگانیسم ها مستقیماً تأثیرگذار بوده و نقش عمده ای در تبادلات انرژی بین هوا و خاک ایفا می کند. هدف از انجام این تحقیق امکان برآورد تغییرات رطوبت سطحی خاک با استفاده از داده های حرارتی سنجنده های ماهواره ای چند زمانه مودیس (داده های صبح و عصر سنجنده دو ماهواره ترا و آکوا) و با محاسبه اینرسی حرارت ظاهری  می باشد. در این پژوهش از تصاویر مودیس در دو بازه زمانی مختلف، یکی در بازه 19/11/1397 تا 25/11/1397 و بازه دیگری در فصل تابستان یعنی 13/05/1397 تا 18/05/1397 در منطقه مرتاضیه استان یزد استفاده شده است. همچنین از شاخص رطوبتی دما- پوشش گیاهی که بیشترین استفاده را در تحقیقات گذشته در بررسی رطوبت خاک داشته،برای ارزیابی دقت استفاده شده است. نتایج این تحقیق، دقت مناسب داده های ماهواره ای در برآورد شاخص رطوبتی حاصل از اینرسی حرارت ظاهری را نشان داد. همچنین بین شاخص خشکی دما- پوشش گیاهی و اینرسی حرارت ظاهری در روزهای مشخص، رابطه خطی برقرار شد و مقدار خطا در روز 16/05/1397 به میزان 15/0= RMSE و 86/0=R 2 و در روز 20/11/1397 میزان 18/0= RMSE و 76/0=R 2 بوده است. نتایج همچنین بیانگر آن است که بین اینرسی حرارت ظاهری و تغییرات رطوبت سطحی خاک رابطه خطی و مستقیمی وجود دارد.

ارزیابی جزایر حرارتی شهری یک متغیر کلیدی در مطالعات علوم محیطی محسوب می شود، چراکه با مدل کردن تعاملات شار سطح زمین می توان به بسیاری از مشکلات شهرنشینی جامعه مدرن پاسخی بهینه داد. این مطالعه باهدف آشکارسازی جزایر حرارتی شهر اراک و خوشه ای شدن آن به رشته تحریر در آمده است. بدین منظور ابتدا تصاویر حسگرهای و ماهواره لندست 8 برای ماه اوت سه سال متوالی 2013، 2014 و 2015 از پایگاه علوم زمین ایالات متحده امریکا ( ) اخذ گردید. برای استخراج مقادیر UHI از LST از تابع های خودهمبستگی موران جهانی و تحلیل لکه های داغ با استفاده از قابلیت های برنامه نویسی محیط های و استفاده شد. بعد از محاسبه دمای سطح زمین (LST) با استفاده از شاخص تحلیل لکه های داغ ( ) خوشه های گرم و سرد جزایر حرارتی اراک استخراج شدند. برای ارزیابی عوامل مؤثر در شکل گیری و خوشه ای شدن جزایر حرارتی شهر اراک از دو شاخص NDVI و NDBI بهره برده شد. نتایج نشان داد که دو پارامتر پوشش گیاهی و مناطق ساخته شده شهری با دمای سطح زمین همبستگی قوی دارند، بطوریکه شاخص پوشش گیاهی باعث تعدیل جزایر حرارتی شهری و مناطق ساخته شده شهری موجب تشدید جزایر حرارتی شهری اراک گردیده اند. ارزیابی تطبیقی جزایر حرارتی اراک منجر به آشکارسازی دو نوع جزیره حرارتی شهری گردید؛ جزایر حرارتی کانونی و جزایر حرارتی خطی. تحلیل خودهمبستگی فضایی با شاخص های موران جهانی نشان داد که دمای سطح زمین اراک دارای ساختار فضایی بوده یا به عبارتی دمای سطح زمین اراک به شکل خوشه ای توزیع شده اند. درنهایت تحلیل لکه های داغ ( ) تأییدی آشکار بر متمرکز شدن و خوشه ای شدن جزایر حرارتی شهر اراک در فضا با افزایش دوره زمانی بوده است.

مقدمه: رشد جمعیت و توسعه شهری سبب شده تا بخش زیادی از زمین های شهری به خصوص اراضی کشاورزی و باغات به صورت کاربری های مسکونی، صنعتی، شبکه حمل ونقل مورداستفاده قرار گیرند. این تغییرات کاربری منجر به افزایش آلودگی و تخریب محیط زیست و از همه مهم تر افزایش دمای سطح زمین شده است.هدف: هدف این پژوهش بررسی رابطه بین کاربری زمین و جزایر حرارتی در مشگین شهر در سه مقطع زمانی 1984، 1999 و 2020 می باشد.روش شناسی تحقیق: روش پژوهش از نوع کاربردی و ازنظر ماهیت تحقیقی است. برای دستیابی به هدف پژوهش پس از پردازش رادیو متریکی و اتمسفری تصاویر، دمای سطح زمین (LST) و شاخص پوشش گیاهی (NDVI) محاسبه گردید. سپس با استفاده از روش ماتریس خطا میزان صحت و دقت کاپا برای نقشه های تولیدی ارزیابی گردید.قلمرو جغرافیایی پژوهش: قلمرو جغرافیایی این پژوهش، شهر مشگین شهر می باشد.یافته ها: یافته ها حاکی از آن است که، نقشه های حاصل از جزیره گرمایی نشان داد در سال 1984 حداقل دما 22 و حداکثر دما 43 درجه سانتی گراد بوده درحالی که این وضعیت در سال 2020 با افزایش روبرو بوده و حداقل دما 29 و حداکثر دما 63 درجه سانتی گراد رسیده است. نتایج: دمای سطح زمین با تغییرات کاربری اراضی نشان دهنده این بوده که بالاترین دمای سطح زمین مربوط به اراضی ساخت وسازهای شهری است و این مسئله نتیجه کاهش پوشش گیاهی و افزایش سطوح نفوذناپذیر بوده است. همچنین بررسی تغییرات توزیع مکانی دمای سطح زمین و جزیره حرارتی نشان داد با از بین رفتن پوشش گیاهی داخل و اطراف شهر طبقه دمایی خنک، جای خود را به طبقه دمایی گرم داده است

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.

پایش تغییرات آبی در سکونتگاه های انسانی و به ویژه روستایی به دلیل اهمیت و نقش حیاتی آن در پایداری و همچنین اثرگذاری آن بر محیط طبیعی روستا امری حیاتی است. پژوهش حاضر با بهره گیری از تصاویر چندطیفی و حرارتی لندست-5 و لندست-8 به بررسی اثر تغییرات حاصل از خشک شدن رودخانه زاینده رود بر دمای سطح زمین و پوشش گیاهی را در سال های 1990 تا 2023 پرداخته است. بدین منظور از دو شاخص تفاضلی نرمال شده آب (NDWI) و تفاضلی نرمال شده گیاه (NDVI)، دمای سطح زمین (LST) و هات اسپات (Hot Spot) استفاده و تغییرات آنها در سه سطح حریم رودخانه، محدوده یک کیلومتری رودخانه و سکونتگاه های روستایی بررسی شد. بر اساس نتایج، دو سال 2000 و 2008 به عنوان سال هایی که جریان رودخانه در آنها خشک تر از بقیه سال ها بوده شناسایی و سال های 1990، 2013، 2018، 2022 و 2023 نیز بعنوان سال های با جریان آب بیشتر شناسایی شدند. نتایج نشان داد در سال های خشک مقادیر NDWI و NDVI میل به مقادیر مثبت کوچک و در سال های تر میل به مقادیر منفی کوچکتر داشتند. همچنین سال های خشک دارای LST بیشتر بوده و مساحت بیشتری از کلاس های گرم دمایی را به خود اختصاص داده بودند. سال های خشک همچنین نسبت به سال های تر، دارای تعداد بیشتری از نقاط داغ نسبت به نقاط سرد بودند. نتایج حاصل از همبستگی بین پارامترها همچنین بیانگر ارتباط منفی بین LST با NDVI و NDWI در همه سال ها و ارتباط مثبت NDVI و NDWI در سال های خشک تر بود. همچنین همبستگی فاصله از رودخانه صرفا در سال 1990 با LST مثبت و با NDWI منفی و در زیر 100 متر معنادار بود. نتایج مطالعه حاضر به منزله زنگ خطری برای برنامه ریزی و مدیریت صحیح منابع آبی و رودخانه های کشور مفید است.