Αστικές θερμικές νησίδες κατά την διάρκεια της ημέρας
Από RemoteSensing Wiki
Αστικές θερμικές νησίδες κατά την διάρκεια της ημέρας από το Landsat ETM + και Corine δεδομένα κάλυψης γης :
Εφαρμογή σε μεγάλες πόλεις της Ελλάδας
Συγγραφείς: Μαρίνα Σταθοπούλου, Κωνσταντίνος Καρτάλης
Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης και Επεξεργασίας Εικόνας, Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής, Τμήμα Φυσικής Αθήνα.
Πηγή: Stathopoulou, Marina & Cartalis, Constantinos. (2007). Daytime urban heat islands from Landsat ETM+ and Corine land cover data. Solar Energy. 81. 358-368. 10.1016/j.solener.2006.06.014. [1]
Λέξεις κλειδιά: τηλεπισκόπηση, αστική θερμική νησίδα, ETM+, κάλυψη γης, CORINE
Σύνοψη Οι δορυφορικές εικόνες στο θερμικό υπέρυθρο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του θερμικού αστικού περιβάλλοντος καθώς και για τον προσδιορισμό των νησίδων θερμότητας σε αστικές περιοχές. Σε αυτή τη μελέτη εξετάστηκε το θερμικό περιβάλλον μεγάλων πόλεων της Ελλάδας με την χρήση δορυφορικών εικόνων. Η χωρική δομή του θερμικού αστικού περιβάλλοντος αναλύεται σε κάθε περίπτωση και εντοπίζονται οι πιο «καυτές» επιφάνειες εντός των αστικών περιοχών. Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκε επίσης η βάση δεδομένων κάλυψης γης Corine.
Εισαγωγή Το φαινόμενο της αστικής νησίδας θερμότητας (UHI) περιγράφει το φαινόμενο της υπερβολικής θέρμανσης της αστικής ατμόσφαιρας και των επιφανειών σε σύγκριση με το μη αστικοποιημένο αγροτικό περιβάλλον. Γενικά, αναγνωρίζονται τρεις τύποι νησιών θερμότητας:
- η νησίδα θερμότητας κελύφους,
- η νησίδα θερμότητας του οριακού στρώματος και
- η επιφανειακή αστική νησίδα θερμότητας.
Οι δύο πρώτοι τύποι είναι οι ατμοσφαιρικές θερμικές νησίδες από την αστικοποίηση. H επιφανειακή αστική νησίδα θερμότητας αναφέρεται στη σχετική θερμότητα των αστικών επιφανειών σε σύγκριση με το μη αστικοποιημένο περιβάλλον τους.
Η ανάπτυξη των νησίδων θερμότητας μπορεί να αποδοθεί σε πλήθος παραγόντων π.χ. των κατασκευαστικών υλικών υψηλής θερμοχωρητικότητας χαμηλής ηλιακής ανακλαστικότητας. Η ένταση του UHI (ΔT) αντικατοπτρίζεται από τις θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ αστικών και αγροτικών τοποθεσιών. Οι Voogt και Oke (2003) μελέτησαν τη χρήση της θερμικής τηλεανίχνευσης για τη μελέτη του αστικού κλίματος σε σχέση με τις θερμικές νησίδες και περιέγραψαν την διάκριση μεταξύ των ατμοσφαιρικών και των επιφανειακών UHIs. Οι ατμοσφαιρικές UHI εντοπίζονται συνήθως από επίγειες μετρήσεις θερμοκρασίας του αέρα ενώ οι UHI επιφανείας παρατηρούνται μέσω θερμικής τηλεανίχνευσης η οποία καταγράφει την θερμική ακτινοβολία. Πολλές μελέτες επιφανειακής UHI έχουν διεξαχθεί χρησιμοποιώντας θερμικά δεδομένα από δορυφόρους. Η παρούσα μελέτη παρουσιάζει μια μεθοδολογία για την εκτίμηση της επιφανειακής έντασης της UHI των αστικών περιοχών με τη χρήση θερμικών εικόνων. Η καινοτομία της μεθοδολογίας που παρουσιάζεται έγκειται στην εξέταση των μέσων όρων χωρικών επιφανειακών θερμοκρασιών ανά έκταση γης σε σύγκριση με σημειακά δεδομένα θερμοκρασίας της επιφανείας ώστε να συμπεριληφθούν στην μέτρηση της επιφανειακής έντασης UHI μεταξύ της αστικής γης και της περιβάλλουσας υπαίθρου. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε στην Αθήνα και στις πόλεις της Θεσσαλονίκης του Βόλου της Πάτρας και του Ηρακλείου προκειμένου να αναλύσει τη χωρική δομή του θερμικού περιβάλλοντος τους κατά την διάρκεια της ημέρας και να υπολογίσει την ένταση της επιφανειακής UHI τους. Η μεθοδολογία για την χαρτογράφηση και εκτίμηση των εντάσεων επιφανειακής UHI, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2, περιλαμβάνει:
- Επεξεργασία δεδομένων του Landsat ETM+ για λήψη θερμοκρασιακής φωτεινότητας ακριβώς στον αισθητήρα (BT),
- επεξεργασία δεδομένων CLC για τον χωρικό ορισμό των αστικών, προαστιακών, μικτών και αγροτικών περιοχών της πόλης.
- Χαρτογράφηση θερμοκρασίας εδάφους (Ts).
- Εκτίμηση της έντασης της επιφανειακής UHI (ΔT) βάσει των διαφορών των μέσων όρων των επιφανειακών θερμοκρασιών στους διαφορετικούς τύπους κάλυψης της γης της πόλης.
Μεθοδολογία και δεδομένα
Επεξεργασία Landsat ETM+
Ο δορυφόρος Landsat 7 έχει μια σχεδόν πολική, συγχρονισμένη με τον ήλιο, τροχιά. Ο αισθητήρας ETM + στο δορυφόρο μπορεί να παρέχει δεδομένα εικόνας από τις ορατές έως τις θερμές υπέρυθρες φασματικές περιοχές. Ο Landsat 7 επιλέχθηκε για αυτή τη μελέτη επειδή συλλέγει θερμικές μετρήσεις με την υψηλότερη διακριτική ικανότητα που διατίθεται σήμερα από το διάστημα. Η βαθμονόμηση των δεδομένων των εικόνων της θερμικής φασματικής ζώνης έγινε σε μία διαδικασία δύο σταδίων, όπως προτείνεται από το γραφείο επιστημών του Landsat (2002): (α) μετατροπή του ψηφιακού αριθμού (DN) και : (β) μετατροπή της φασματικής ακτινοβολίας L σε θερμοκρασιακή φωτεινότητα
Επεξεργασία δεδομένων κάλυψης γης Corine
To Corine (CLC) είναι μια βάση δεδομένων για την γεωγραφική κάλυψη του εδάφους χρήσης γης και παρέχει πληροφορίες σχετικά με την κάλυψη γης. Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε η βάση δεδομένων διανυσματικής μορφής CLC90 που αφορά την Ελλάδα . Για αυτόν τον σκοπό, οι 44 κατηγορίες του Corine ομαδοποιήθηκαν σε μόλις 5: “αστικές/πυκνής δόμησης”, προαστιακές/μέσης δόμησης, μικτές αστικές περιοχές, αγροτικές περιοχές και επιφάνειες με νερό . Στη συνέχεια διενεργήθηκε η διόρθωση της εκπομπής ανάλογα με την κάλυψη της γης προκειμένου να υπολογιστεί η εκπομπή των διορθωμένων επιφανειακών θερμοκρασιών του εδάφους.
Εύρεση επιφανειακής θερμοκρασίας του εδάφους
Η Θερμοκρασία της φωτεινότητας που προκύπτει από τους υπολογισμούς είναι η θερμοκρασία που ένα μέλαν σώμα θα χρειαζόταν ώστε να παράξει την ίδια ακτινοβολία στο ίδιο μήκος κύματος (λ = 11,5 μm). Επομένως, απαιτείται πρόσθετη διόρθωση για την φασματική εκπομπή ώστε να ληφθεί υπόψη η μη ομοιόμορφη εκπομπή της επιφάνειας της γης. Για τον ακριβή προσδιορισμό της επιφανειακής θερμοκρασίας χρειάζεται επίσης διόρθωση των ατμοσφαιρικών παρεμβολών. Εκτίμηση της έντασης της επιφανειακής UHI
Η εκτίμηση τις έντασης της επιφανειακής UHI εκτελείται με το να συνδυαστούν δεδομένα επιφανειακών θερμοκρασιών (σε μορφή ράστερ) με τα δεδομένα κάλυψης εδάφους που παράχθηκαν (σε μορφή διανύσματος).
Εφαρμογή στις Ελληνικές πόλεις
Η μέθοδος εφαρμόστηκε στην πόλη των Αθηνών και στις μεγαλύτερες πόλεις της Ελλάδας Θεσσαλονίκη Πάτρα Βόλο και Ηράκλειο ώστε να εξεταστεί το θερμικό τους περιβάλλον κατά τη διάρκεια της ημέρας και κατά την θερμή περίοδο καθώς και για την ανίχνευση των περιοχών έντονης θερμικής ακτινοβολίας . Επιπλέον, υπολογίστηκε ένταση της επιφανειακής UHI κάθε πόλης.
Αποτελέσματα και σχολιασμοί
Οι μικτές αστικές περιοχές σε όλες τις πόλεις εκτίθενται σε υψηλές τιμές επιφανειακής θερμοκρασίας. Για την πόλη της Αθήνας οι κεντρικές αστικές περιοχές είναι 3,3 C θερμότερες από τις αγροτικές. Στην περίπτωση της Θεσσαλονίκης, εκτιμάται πως η ένταση της UHI είναι της τάξης των 2,7 C μεταξύ των κεντρικών αστικών και των γύρω αγροτικών περιοχών. Ομοίως, στην πόλη της Πάτρας, αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας παρατηρείται κατά την μετακίνηση από τις αγροτικές προς τις αστικές περιοχές. Τέλος, οι υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες παρατηρούνται πάνω από την πόλη του Ηρακλείου. Τα αποτελέσματα της εκτιμώμενης ημερήσιας έντασης της UHI δείχνουν ότι οι αστικές / πυκνοκατοικημένες περιοχές, που βρίσκονται κοντά στο λιμάνι, μπορούν να επιτύχουν υψηλές επιφανειακές θερμοκρασίες περίπου έως 40 C, οι οποίες είναι 1,9 C μεγαλύτερες από τις τιμές που μετρώνται στις γύρω αγροτικές περιοχές.
Συμπεράσματα
Η εφαρμογή της μεθόδου αποδείχθηκε επιτυχής ως προς το ότι χρησιμοποίησε τ εικόνες του ΕΤΜ + (στο θερμικό υπέρυθρο φάσμα) για την ταυτοποίηση και τη χωρική ανάλυση της επίδρασης της ημερήσιας UHI. Λαμβάνοντας υπόψην πως η χωρική ανάλυση των εικόνων (60 m) είναι κατάλληλη, η μέθοδος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για:
- Την απεικόνιση των «καυτών σημείων» που ενδέχεται να έχουν αναπτυχθεί.
- Την παρακολούθηση των αλλαγών στο αστικό κλίμα, καθώς και
- για την καταγραφή της θερμικής συμπεριφοράς των αστικών επιφανειών σε σχέση με τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας.
Μερικά από τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου περιλαμβάνουν:
- ευρεία εφαρμογή,
- ευρεία αστική κάλυψη,
- τακτικές δυνατότητες επανεξέτασης, με αποτέλεσμα ενημερωμένη πληροφόρηση
- δυνατότητα συνδυασμού δορυφορικών θερμικών δεδομένων με άλλα (όπως δημογραφικά στοιχεία, τοπογραφικά, δεδομένα πληθυσμιακής πυκνότητας, δεδομένα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, κλπ.).
