دمای سطح

با توجه به نقش اساسی تبخیر- تعرق در بیلان آب، برآورد دقیق آن در بسیاری از پروژه ها و مطالعات علمی در زمینه هیدرولوژی، کشاورزی، صنعت، مهندسی آب و سایر علوم وابسته، برای مدیریت کارآمد منابع آبی و طراحی سازه های هیدرولیکی مورد نیاز است. روش های سنتی برآورد تبخیر-تعرق واقعی که عمدتاً متکی بر لایسیمترها می باشد علاوه بر مشکلات خاص نگهداری و ثبت داده ها، فقط به صورت نقطه ای استخراج می گردند و با توجه به نیاز مبرم برای محاسبات در سطح، تعمیم دادن آن به ویژه در مناطق کوهستانی نادرست است. در سال های اخیر با گسترش کاربرد تصاویر ماهواره ای در برآورد تبخیر- تعرق واقعی، روش هایی ابداع شده است که از جمله آن ها می توان به روش سبال[1] اشاره نمود. در تحقیق انجام یافته مدل سبال برای برآورد تبخیر- تعرق واقعی در منطقه مورد مطالعه (شهرستان مشگین شهر) انتخاب گردید. این مدل در بسیاری از کشورها اجرا شده و نتایج قابل قبولی از آن به دست آمده است. این مدل عموماً برای مناطق مسطح طراحی شده و تأثیر عوامل ارتفاع، شیب و جهت شیب در محاسبه نادیده گرفته شده است. در این تحقیق با دخالت دادن عوامل مذکور در مدل، نوع جدیدی از این مدل به نام «سبال کوهستانی» معرفی گردیده است. منطقه مشگین شهر در شمال غربی ایران با توجه به داشتن خصوصیات مناسب برای اجرای این مدل، انتخاب و با انجام محاسبات بر روی ورودی های این مدل که عبارتند از: لایه DEM، شیب، جهت شیب، کسینوس زاویه فرودی خورشید، رادیانس طیفی، انعکاس طیفی، آلبیدوی سطحی، تابش فرودی، شاخص پوشش گیاهی به هنجار شده، گسیلمندی سطحی، دمای سطح، تابش موج بلند خروجی، تابش موج بلند فرودی، شار گرمای خاک، شار گرمای محسوس و شار گرما نهان موفق به محاسبه تبخیر- تعرق واقعی لحظه ای در منطقه مورد مطالعه شده ایم. با مقایسه دمای سطح و شاخص پوشش گیاهی به هنجار شده (NDVI) همبستگی 969/0- بین آن ها مشاهده گردید. هم چنین مقایسه بین تبخیر-تعرق واقعی محاسبه شده و شاخص پوشش گیاهی، نشانگر انطباق این دو عامل با یکدیگر بوده است (همبستگی مثبت 81/0) به طوری که مناطق با تراکم پوشش گیاهی با مناطق با تبخیر- تعرق واقعی بالا منطبق هستند. از طرف دیگر مقایسه تصاویر دمای سطح و تبخیر- تعرق واقعی نیز عدم انطباق آن ها را تأئید می کند به طوری که مناطق با دمای سطح بالا از میزان تبخیر- تعرق پائین برخوردار هستند.

دما یکی از شاخص ترین پارامتر های اقلیمی و از اصلی ترین عوامل اثرگذار در برنامه ریزی شهر ها محسوب می شود زیرا هدایت کنندة نوع تسهیلات اختصاص یافته در شهر ها و حتی تعیین کننده ساختار، شکل و بافت شهری است. دمای سطح فاکتور اصلی در تعادل انرژی کره زمین بوده و به عنوان ورودی مدل های تغییرات آب وهوایی و جزایر حرارتی شهری به کار می رود. دمای کلان شهرها در مقایسه با مناطق شهری و روستایی اطراف بیش تر و مشهودتر است که به این پدیده «جزیرة حرارتی شهری» گفته می شود. کلان شهر کرج سومین کلان شهر بزرگ و دومین شهر مهاجرپذیر ایران (پس از کلان شهر تهران) است و به علت داشتن چنین جایگاهی، بررسی حرارتی آن بیش از پیش احساس می شود. در این تحقیق دمای سطح زمین در کلان شهرکرج با استفاده از تصاویر ماهوارة لندست8 (چهار تصویر) در سال های 2013 و 2014، به کمک روش های گوناگون استخراج شد. روش های مورد استفاده شامل پنجرة تکی، سبال، استفان- بولتزمن، تک کانالی (توسعه داده شده توسط مونیوس و سوبرینو[1]، 2003)، تک کانالی (توسعه داده شده توسط مونوس و همکاران، 2014)، پنجره مجزا و دفتر علوم لندست است. در نهایت، با استفاده از شاخص آماری میانگین خطای مطلق روش های گوناگون مقایسه شد و بهترین روش، به واسطه نزدیکی به دادة زمینی انتخاب شد. نتایج نشان داد بهترین روش مورد استفاده روش سبال باند 11 با مقدار میانگین خطای مطلق 98/7 است؛ ضمن آن که در حالت کلی، باند 11 ماهوارة لندست 8، به منظور استخراج دمای سطح زمین نتایج قابل اعتمادتری نسبت به باند 10 تولید می کند. همچنین بررسی نتایج در تاریخ های مختلف مشخص کرد تصاویر نیمة دوم سال در مقایسه با نیمة اول سال، تخمین دقیق تر و نتایج نزدیک تری به واقعیت تولید می کنند.

هدف از پژوهش حاضر بررسی تغییرات مکانی-زمانی کاربری اراضی، گسترش شهری و تأثیر آن بر افزایش دمای سطح زمین است. براین اساس برای مدیریت بهینه آثار منفی ناشی از افزایش دمای سطح زمین، تعیین نوع تغییرات کاربری که بیشترین تغییرات دمای سطح زمین را در بازه زمانی ایجاد می کنند مفید است. بدین منظور از داده های ماهواره ای لندست که به دوره زمانی 23 ساله مربوط است استفاده شد تا نقشه های کاربری اراضی و تغییرات آن، همچنین دمای سطح زمین استخراج شود. پس از انتخاب باندهای بهینه، به کمک روش فاکتور شاخص مطلوبیت، تصاویر ماهواره ای با روش ماشین بردار پشتیبان طبقه بندی شدند. همچنین برای بازیابی دمای سطح زمین نیز از الگوریتم Mono-Window استفاده شد. طبقه بندی تصاویر و استخراج اطلاعات آماری هر کلاس نشان دهنده ارتباطی قوی میان نوع کاربری و دمای سطح زمین است؛ به طوری که بررسی رابطه NDVI و حرارت سطح با استفاده از تحلیل هم بستگی و رگرسیونی، نقش مؤثر پوشش گیاهی در تعدیل دمای سطح را نشان می دهد. باید توجه داشت که کاربری آیش دمای بیشتری از مناطق ساخته شده دارد؛ زیرا این مناطق ترکیبی غیریکنواخت از ساختمان، چمن و گیاه هستند. نتایج بررسی ارتباط تغییرات کاربری اراضی و تحولات دمای سطح زمین نشان می دهد با تبدیل کاربری فضای سبز به زمین آیش، بیشترین تغییرات دمای سطح زمین رخ می دهد. از دیگر نتایج این پژوهش کاهش طبقات دمایی خیلی سرد و سرد و افزایش طبقات دمایی نرمال و گرم است که مهم ترین دلیل آن افزایش مساحت کاربری های ساخته شده و آیش است.

امروزه یکی از مهم ترین معضلات زیست محیطی در کلان شهرها افزایش دمای سطح و در نتیجه افزایش شدت جزیره حرارتی شهری است. هدف از این پژوهش بررسی تأثیر پارامترهای محیطی و جمعیتی در توزیع مکانی دمای سطح کلان شهر تهران است. بدین منظور، از ده تصویر ماهواره ای لندست مربوط به سال های 2010 و 2011 برای استخراج نقشه های پارامترهای محیطی، کاربری پوشش سطح زمین، و دمای سطح زمین استفاده شد. برای طبقه بندی کاربری پوشش سطح زمین از روش بیشترین شباهت و برای محاسبه دمای سطح از مدل تک پنجره استفاده شد. همچنین، برای مدل سازی پارامترهای محیطی از شاخص های NDVI، NDWI، و NDBI استفاده شد. سرانجام، برای بررسی تأثیرگذاری پارامترهای جمعیتی و محیطی بر توزیع دمای سطح از تحلیل های آماری استفاده شد. نتایج پژوهش نشان دهنده آن است که ضریب همبستگی بین میانگین شاخص های NDVI، NDWI، و NDBI با دمای سطح به ترتیب 89/0-، 8/0-، و 82/0 است. میانگین دمای سطح برای کاربری های ساخته شده، فضای سبز، بایر، و آب به ترتیب 16/312، 36/309، 36/317، و 86/303 است. نتایج نشان داد که با افزایش مقادیر شاخص های NDVI، NDWI، و NDBI دمای سطح به ترتیب کاهش، کاهش، و افزایش می یابد. همچنین، ارتباط مستقیم با ضریب همبستگی 65/0 بین تراکم جمعیت و میانگین دمای سطح هر منطقه وجود دارد.

هدف از مطالعه حاضر، ارزیابی و تحلیل سطوح انعکاسی با ضریب بازتابش زیاد است که به عنوان یکی از راهکارهای طراحی غیرفعال به منظور کنترل جذب انرژی تابشی خورشید و کاهش دما و مصرف انرژی مساکن شهری، به خصوص در اقلیم گرم و خشک، به شمار می رود. روش تحقیق در این پژوهش، تحلیلی- مدل سازی  است که شامل مطالعه میدانی و شبیه سازی رایانه ای بام های انعکاسی، با ضریب بازتابش متفاوت به کمک نرم افزار Energy plus است. این مطالعه، برای دو نوع بام رایج در ساختمان های مسکونی شهر تهران صورت گرفته است و حاوی تغییرات دقیق دما و مصرف انرژی سرمایشی در طی ماه های مختلف سال می باشد. نتایج تحقیق نشان داد که افزایش مقادیر ضریب بازتابش سطوح بام به کمک متریال های انعکاسی، تأثیر زیادی در کاهش دمای سطح و دمای هوای پیرامونی بام ساختمان دارد. علاوه بر این، مصرف انرژی سرمایشی به علت کاهش جذب حرارت خورشید توسط سطوح خارجی، کاهش می یابد. 

در عصر حاضر، گرم ترشدن محیط زیست شهری یکی از آثار ناآگاهانه توسعه شهری ناپایدار است که با کاهش پوشش گیاهی در ارتباط است. بنابراین، آگاهی از درجه حرارت سطح زمین برای اجرای مطالعات علوم زمین، از قبیل تغییرات محیط زیست جهانی و مخصوصاً آب و هوای شهری، ضروری است. بدین منظور، توزیع مکانی و تغییرات دمای سطح با توجه به نقشه های کاربری اراضی و شاخص پوشش گیاهی در شهرستان بهبهان تجزیه و تحلیل شده است. بدین منظور، از تصاویر ماهواره لندست سنجنده های ETM+ و OLI استفاده شد. پس از تصحیحات هندسی و اتمسفری، تصاویر با استفاده از الگوریتم حداکثر احتمال طبقه بندی شد. همچنین، تغییرات دما با مدل LCM ارزیابی شد. نتایج نشان داد طبقه یک دمایی (دمای کمتر از 13 درجه سانتی گراد)، که خنک ترین پهنه هاست، در دو بخش کوهستانیِ شمالی و جنوبی بیشترین گسترش را دارد. در هسته شهرنشینی، طبقه یک دمایی در سال 1378 به صورت لکه هایی پراکنده منطبق بر پارک های شهری گسترده شده است و در سال 1392، برخلاف انتظار، با توجه به کاهش چشم گیر دما نسبت به سال های گذشته نواحی شهری در طبقه اول قرار گرفته است. روی هم گذاری نقشه هر کدام از طبقات دما به کل طبقات با نقشه های کاربری اراضی نشان داد مرکز شهر، بخش هایی از اراضی لخت، و بخش هایی از اراضی کشاورزی در غرب منطقه در طبقه اول قرار گرفته اند. همچنین، بیشتر اراضی لخت و کشاورزی و بخش های اندکی از مراتع در طبقه دوم، بیشتر اراضی مرتعی در طبقه سوم، و بخش های کمی از این اراضی در طبقه چهارم اند.

دمای سطح زمین بر اثر تغییرات ساختار محیط، کاربری، مواد تشکل دهنده سطح و... در طول زمان قابل تغییر است. آگاهی از وضعیت دما سطح کمک زیادی به برنامه ریزی محیطی می کند(شامل چگونگی مصرف انرژی، آسایش حرارتی شهروندان و...). در این تحقیق به بررسی تغییرات دمای سطح شهر کرمانشاه در فاصله بین سالهای 1393-1397 پرداخته شد. در این تحقیق از تصاویر ماهواره لندست 8 و روش الگوریتم تک کانال برای برآورد دمای سطح زمین استفاده شد. نتایج نشان داد در هر دو سال 1393 و 1397 بیشترین سطح شهر را ابتدا محدود دماهای 45-50 درجه سانتیگراد و سپس دمای 40-50 درجه دربر گرفته است. اما در سال 1397 محدوده دمایی تا حداکثر 40 درجه به شدت افزایش یافته است و محدوده بقیه طبقات دمایی کاهش یافته است که بیشترین میزان کاهش مربوط به طبقه بالاتر از 55 درجه سانتیگراد است. نتایج نشان دهنده استفاده هرچه بیشتر از پشت بام های انعکاسی در انتهای دوره مورد مطالعه است.

مصالح قابلیت جذب، انباشت و انتقال پرتوهای خورشید به جو را دارند. بدین معنا که مصالح مورداستفاده در پوسته شهر، نقشی کلیدی در تغییر خرداقلیم شهرها و ایجاد اثر جزیره حرارتی دارد. برای شناسایی تأثیر مصالح مختلف پوسته شهری بر افزایش دمای هوای مجاور سطوح، یک مطالعه تجربی بر روی 30 نمونه از مصالح رایج مورداستفاده در پیاده راه، خیابان و بام در شهر تهران انجام شده است. در این پژوهش با هدف بررسی تأثیر خواص ترموفیزیکی و تابشی مصالح و با بهره گیری از ابزارهایی چون ترمومتر تماسی، دوربین مادون قرمز و طیف سنج، عملکرد حرارتی و نوری نمونه ها موردمطالعه قرار گرفت. با استفاده از روش های آماری، خصوصیات فیزیکی نمونه ها چون رنگ، جنس و بافت سطح و اثر هر یک بر تغییرات دمای سطوح به کمک داده های جمع آوری شده مشخص گردید. نتایج نشان می دهد که در اکثر نمونه ها، بیشینه دمای سطح بالاتر از oC 54 و شاخص بازتاب خورشیدی(SRI) و آلبیدوی کمتر از 50% است که در افزایش دمای هوای مجاور نقش به سزایی دارند. لذا استفاده از مصالح با رنگ روشن و صیقلی و همچنین آلبیدو بالا، به شرط کنترل خیرگی، از مؤثر ترین راهکارهای کنترل افزایش دمای هوای مجاور است. این مطالعه می تواند در انتخاب هرچه بهتر مصالح مناسب، کاهش اثر جزیره حرارتی و در نتیجه بهبود شرایط آسایش حرارتی در محیط های خارجی در ایران مؤثر باشد.

اعمال قرنطینه ناشی از پاندمی کووید-19 از بهار سال 1399 موجب ترمیم جهانی عناصر آب و هوایی مانند کیفیت هوا و دما گردیده است. در این تحقیق، تأثیر اعمال قرنطینه ناشی از پاندمی کووید-19 بر شدت جزایر گرمایی شهری با توجه به تعطیل شدن فعالیت های صنعتی مانند کارخانه ها و نیروگاه ها و اعمال قوانین جدید جهت کاهش حجم ترافیک در شهر تهران مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا، از داده های سنجش از دور زمانمند ماهواره لندست-8 برداشت شده از قسمتی از شهر تهران استفاده شده است. روش پیشنهادی در این تحقیق، مشتمل بر تولید نقشه های جزایر گرمایی با استفاده از تحلیل قانون مبنای ویژگی های دمای سطح زمین، شاخص اختلافات نرمال شده پوشش گیاهی و نقشه کاربری/ پوشش اراضی می باشد. نتایج آشکارسازی تغییرات جزایر گرمایی نشان داد میانگین دمای شهر تهران در دوران اعمال قرنطینه نسبت به سه سال قبل و یک سال بعد از آن در دوره زمانی مشابه، کاهش محسوسی داشته است. نتایج حاصل از آشکارسازی تغییرات کلاس های شدت جزایر گرمایی نیز نشان داد که در سال 1399 و همزمان با اعمال قرنطینه و محدودیت های ناشی از پاندمی، درصد مساحت کلاس جزایر گرمایی با شدت زیاد 61/17 درصد کاهش داشته و به موازات آن مساحت کلاس جزایر گرمایی با شدت کم نسبت به سه سال قبل 8/12 درصد افزایش را نشان داده است. به علاوه، در منطقه مسکونی منتخب در این تحقیق، مساحت کلاس جزایر گرمایی با شدت زیاد در مدت قرنطینه سال 1399 به میزان 25/5 % بیشتر از منطقه صنعتی منتخب و 1/6 % بیشتر از منطقه فضای سبز منتخب، کاهش را نشان داده است.

جزیره حرارتی یک متغیر مهم در مطالعات اقلیمی و زیست محیطی محسوب می شود. امروزه رشد جمعیت و توسعه شهرنشینی یکی از عوامل مؤثر بر افزایش دمای هوا در نواحی شهری است که موجب ایجاد جزیره حرارتی بر روی این مناطق در مقایسه با محیط اطراف می شود و اثرات ناشی از آن می تواند نقش اساسی و مهمی در کیفیت هوا و به تبع آن سلامت عمومی ایفا نماید. ازاین رو، این پژوهش با استفاده از داده های ماهواره ای لندست به بررسی نقش کاربری اراضی در ایجاد جزایر حرارتی شهرمراغه، طی دوره های زمانی 1984، 1994 و 2020 پرداخته است. نتایج حاصل از رابطه دما با کاربری اراضی نشان می دهد که درسال 1986 بیشترین میانگین دما مربوط به اراضی بایر با میزان 43/34 درجه سانتی گراد و کمترین دما، مربوط به اراضی باغی با میزان 96/25 درجه سانتی گراد است. در سال 2020 بیشترین میانگین دما مربوط به اراضی بایر با میزان 32/37 سانتی گراد و کمترین دما مربوط به اراضی باغی با میزان 47/29 سانتی گراد است. همچنین نتایج شاخص خودهمبستگی فضایی نشان می دهد که جزایر حرارتی شهر دارای الگوی خوشه ای درسطح اطمینان 99 درصد در تمام دوره ها است و نتایج حاصل از شاخص لکه های گرم و سرد (Hot Spot) بیانگر این است که لکه های گرم در مرکز، جنوب شرق و جنوب غرب شهر (اراضی بایر) و لکه های سرد در سطح اطمینان 99 درصد در مناطق جنوبی و شمال شهر (اراضی باغی) استقرار دارد.