Η Αστική Νησίδα Θερμότητας του Τορόντο – Εξερευνώντας τη σχέση ανάμεσα στις Χρήσεις Γης και την Επιφανειακή Θερμοκρασία
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Toronto’s Urban Heat Island-Exploring the Relationship between Land Use and Surface Temperature
Συγγραφείς: Claus Rinner, Mushtaq Hussain
Έτος δημοσίευσης: 2011
Πηγή: Remote Sensing 3 (2011) σελ 1251-1265 (mdpi)
1. Εισαγωγή
Σε παγκόσμια κλίμακα, οι θερμοκρασίες σταδιακά αυξάνουν, λόγω της κλιματικής αλλαγής. Το δομημένο αστικό περιβάλλον κατηγοριοποιείται σε διαφορετικές χρήσεις γης για λόγους τοπικού και περιφερειακού σχεδιασμού. Οι θερμικές ιδιότητες των χρήσεων αυτών παίζουν σημαντικό ρόλο στην μεταβολή της θερμοκρασίας. Όταν η θερμότητα ανακλάται από αυτές τις επιφάνειες, σε συνδυασμό και με τις μετεωρολογικές παραμέτρους, μπορούν να σχηματιστούν Αστικές Νησίδες Θερμότητας. Η Διεύθυνση Περιβαλλοντικής Προστασίας των Ηνωμένων Πολιτειών κάνει διαχωρισμό μεταξύ Επιφανειακών Αστικών Νησίδων Θερμότητας και Ατμοσφαιρικών. Η συγκεκριμένη μελέτη εστιάζει στις Επιφανειακές Αστικές Νησίδες Θερμότητας και εξερευνά τη σχέση διαφορετικών ειδών αστικών χρήσεων γης με την επιφανειακή θερμοκρασία τους. Οι υπερβολικά αυξημένες θερμοκρασίες στις αστικές περιοχές έχουν σοβαρές επιπτώσεις στη δημόσια υγεία: ηλιακά εγκαύματα, εξανθήματα, λιποθυμίες, εξάντληση. Όλα αυτά οδηγούν σε συνθήκες αύξησης της θνησιμότητας. Επιπλέον, η αύξηση της θερμοκρασίας δημιουργεί δυσάρεστες συνθήκες διαβίωσης στους κατοίκους, οπότε οδηγούμαστε σε αυξημένη ζήτηση ενέργειας (για την ψύξη των περιοχών αυτών), δηλαδή σε αύξηση των δημοσίων δαπανών. Αποτελεί λύση κλειδί για τους χωροτάκτες να κατανοήσουν το ρόλο που διαδραματίζει η ανάπτυξη των χρήσεων γης και η χωρική κατανομή τους στη δημιουργία Αστικών Νησίδων Θερμότητας σε μεγάλες πόλεις σαν το Τορόντο. Στόχοι της παρούσας μελέτης είναι:
I. Να προσδιορίσει τις θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ των χρήσεων γης και να εκτιμήσει τη σχέση μεταξύ χρήσης γης και επιφανειακής θερμοκρασίας
II. Να εξετάσει την επιρροή ομογενών περιοχών χρήσεων γης στη θερμοκρασία
III. Να προτείνει στοχευμένες στρατηγικές λύσεις στις υπηρεσίες σχεδιασμού και δημόσιας υγείας.
2. Υπόβαθρο
Το φαινόμενο των Αστικών Νησίδων Θερμότητας μας απασχολεί για πάνω από 40 χρόνια. Βασίζεται στη θεωρία ότι οι αστικές περιοχές είναι θερμότερες από τις γεωργικές. Αυτή η θερμοκρασιακή διαφορά οφείλεται σε έναν αριθμό παραγόντων, όπως είναι η αστική γεωμετρία (π.χ. σχήμα, μέγεθος, ύψος και διάταξη των κτηρίων), τα θερμικά χαρακτηριστικά των αστικών επιφανειών, η αραιή βλάστηση, η εκτεταμένη χρήση κλιματιστικών, οι βιομηχανίες και η χρήση του αυτοκινήτου. Αστική Νησίδα Θερμότητας μπορεί να σχηματιστεί ακόμα και σε μικρές πόλεις, όμως οι επιδράσεις της αυξάνονται με την αύξηση του όγκου του δομημένου περιβάλλοντος.
Το φαινόμενο προκαλείται κυρίως από το δομημένο περιβάλλον των αστικών περιοχών, το οποίο αντικαθιστά τις φυσικές περιοχές με επιφάνειες μη διαπερατές, υψηλής θερμοκρασίας (τσιμέντο, άσφαλτος). Αυτό περιλαμβάνει τοίχους και οροφές κτηρίων, δρόμους, χώρους στάθμευσης, βιομηχανικές και εμπορικές ζώνες, πάρκα και κέντρα αναψυχής. Τα στοιχεία αυτά περιέχουν λιγότερα ποσοστά υγρασίας, οπότε λιγότερο νερό εξατμίζεται στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας. Διαφορετικές χρήσεις γης μπορούν να πολλαπλασιάσουν ή, αντίθετα, να ελαττώσουν το φαινόμενο. Στις αναπτυγμένες αστικές περιοχές η ηλιακή ακτινοβολία υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να απορροφηθεί, εξαιτίας των αντανακλάσεων που δημιουργούνται από τα υψηλά κτήρια. Τα κτήρια αυτά “παγιδεύουν” κατά κάποιον τρόπο την ηλιακή ενέργεια στην επιφάνειά τους. Η επιφανειακή θερμότητα των υλικών, επηρεάζει άμεσα την ατμοσφαιρική θερμότητα, παρόλο που η σχέση μεταξύ τους δεν είναι πάντοτε γραμμική. Ενώ η επιφανειακή θερμότητα μεταβάλλεται σημαντικά ανάλογα με το υλικό, η ατμοσφαιρική θερμότητα πάνω από μια συγκεκριμένη αστική περιοχή δε μεταβάλλεται τόσο έντονα.
Η αστική ανάπτυξη (οικιστική, εμπορική, βιομηχανική) επηρεάζει το φαινόμενο της Αστικής Νησίδας Θερμότητας, μέσω των θερμικών χαρακτηριστικών της εδαφοκάλυψης. Παράδειγμα μελέτης που έγινε στην πόλη Ho Chi Minh στο Βόρειο Βιετνάμ, βρήκε τη μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία σε βιομηχανικές περιοχές (πάνω από 45°C), ενώ στις υπόλοιπες αστικές περιοχές η θερμοκρασία ήταν 36-40°C. Όμοια, μελέτη που έγινε στην πόλη Nanjing στην Κίνα, συνέδεσε την αύξηση στην επιφανειακή αστική θερμοκρασία με τη μείωση του Δείκτη Βλάστησης (NDVI). Μια άλλη μελέτη στη Σιγκαπούρη έδειξε την επίδραση των χρήσεων γης στο φαινόμενο της Αστικής Νησίδας Θερμότητας. Συγκεκριμένα, συμπέρανε ότι κατά τη διάρκεια της ημέρας οι χρήσεις γης σε σειρά (από τη μεγαλύτερη επιφανειακή θερμοκρασία στη μικρότερη) ήταν: βιομηχανία, εμπόριο, αεροδρόμιο, κατοικία και πάρκα. Αντίστοιχα, τη νύχτα, η σειρά ήταν: εμπόριο, κατοικία, πάρκο, βιομηχανία και αεροδρόμιο.
3. Δεδομένα και μέθοδοι
Η πόλη του Τορόντο, είναι ο αστικός πυρήνας της ευρύτερης περιοχής του Τορόντο και περιλαμβάνει ένα μοναδικό μείγμα χρήσεων γης εντός των ορίων της (Εικ.1). Βρίσκεται 43° Βόρεια, στη βόρεια ακτή της λίμνης Οντάριο, στον Καναδά. Τα φυσικά όρια διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις κλιματικές τάσεις της πόλης, όπως για παράδειγμα η λίμνη Οντάριο, στα νότια της πόλης, η οποία δίνει μια αίσθηση δροσιάς σε αυτή. Παρ’ όλα αυτά, το φαινόμενο της Αστικής Νησίδας Θερμότητας, εξακολουθεί να διευρύνεται στο Βορρά.
Η παρούσα μελέτη συμπεριέλαβε δύο κύριες πηγές δεδομένων: τα πολύγωνα χρήσεων γης και μια δορυφορική θερμική εικόνα. Τα πολύγωνα χρήσεων γης λήφθηκαν από το DMTI Spatial Inc. Τα δεδομένα περιείχαν επτά (7) είδη χρήσεων γης: εμπόριο, διοίκηση και υπηρεσίες, ανοιχτοί χώροι, χώροι αναψυχής, κατοικία, βιομηχανία και νερό (Εικ.1). Η θερμική δορυφορική εικόνα λήφθηκε από το Landsat Thematic Mapper (ΤΜ) στις 10:00π.μ., την 3η Σεπτεμβρίου 2008. Τα στοιχεία της ατμόσφαιρας τη συγκεκριμένη στιγμή ήταν: θερμοκρασία αέρα: 26.3°C, σχετική υγρασία: 46%, διεύθυνση ανέμου: δυτική (260 βαθμοί), ταχύτητα ανέμου: 7χλμ/ώρα. Η χωρική ανάλυση της ψηφιακής εικόνας ήταν 60μ. Οι ψηφιακοί αριθμοί του θερμικού καναλιού 6 μετατράπηκαν σε φασματική ακτινοβολία, βάσει της οποίας προέκυψε η επιφανειακή θερμοκρασία (με απόκλιση 2°C).
Για την επίτευξη του στόχου (Ι) εφαρμόστηκε ανάλυση διακύμανσης, ανάλυση διανυσματικών δεδομένων και στατιστική. Για το στόχο (ΙΙ) συντάχθηκε μια επιπρόσθετη μη χωρική ανάλυση συσχετισμού μεταξύ των πολυγωνικών περιοχών και της επιφανειακής θερμοκρασίας, πριν την ανάλυση των δεδομένων εικόνας. Τέλος, για το στόχο (ΙΙΙ) παρήχθησαν τρισδιάστατες οπτικές επικαλύψεις της επιφανειακής θερμοκρασίας και της πυκνότητας χρήσεων γης.
Τα δεδομένα χρήσεων γης περικόπηκαν στα όρια της πόλης του Τορόντο και προέκυψαν 18.558 πολύγωνα. Ομοίως, η θερμική δορυφορική εικόνα που περιελάμβανε την ευρύτερη έκταση του Τορόντο, περικόπηκε στα όρια της πόλης του Τορόντο, με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν 176.067 κελιά, τα οποία έδειχναν τις διαφοροποιήσεις στην επιφανειακή θερμοκρασία (Εικ.2). Η επιφάνεια κάθε πολυγώνου υπολογίστηκε σε τ.μ. και προστέθηκε στον πίνακα ιδιοτήτων. Η θερμική εικόνα εισήχθη στο ArcGIS και αναλύθηκε με τα εργαλεία χωρικής ανάλυσης. Στη συνέχεια, αντιστοιχήθηκε κάθε πολύγωνο με τη μέση επιφανειακή του θερμοκρασία. Με τη βοήθεια του SPSS15.0, δημιουργήθηκαν περιγραφικές στατιστικές για τις δύο αυτές μεταβλητές (εμβαδό πολυγώνου και μέση επιφανειακή θερμοκρασία) και τέλος ιστογράμματα, για έλεγχο κανονικότητας, από τα οποία προέκυψε ότι ενώ η μέση επιφανειακή θερμοκρασία ήταν κανονικά διανεμημένη, τα εμβαδά των πολυγώνων δεν ήταν. Έγινε η υπόθεση ότι η μέση θερμοκρασία ήταν διαφορετική για διαφορετική χρήση γης. Έτσι, δημιουργήθηκαν 7 ομάδες, όσες και οι χρήσης γης. Άλλη υπόθεση ήταν ότι θα υπήρχε σχέση μεταξύ μεγέθους μοναδιαίας χρήσης γης και επιφανειακής θερμοκρασίας. Έτσι, διαχωρίστηκαν τα όρια των πολυγώνων από τα δεδομένα ιδιοτήτων για κάθε χρήση γης και δημιουργήθηκαν ξεχωριστά επίπεδα, τα οποία ελέχθηκαν σε σχέση με τη μέση επιφανειακή θερμοκρασία. Για να κατανοηθεί η σχέση μεταξύ συγκεντρώσεων ομογενών χρήσεων γης και επιφανειακής θερμοκρασίας, η πυκνότητα χρήσεων γης μοντελοποιήθηκε με βάση την εκτίμηση πυκνότητας Kernel. Βρέθηκαν τα κέντρα βάρους των πολυγώνων χρήσεων γης, σε κάθε μία από τις 7 κατηγορίες και εφαρμόστηκε η εκτίμηση πυκνότητας Kernel, με χρησιμοποίηση ακτίνας 1χλμ. και χωρικής ανάλυσης 60μ. Για κάθε χρήση γης, δημιουργήθηκε μια ξεχωριστή επιφάνεια πυκνότητας χρήσης γης, με 176.067 κελιά, που αντιστοιχούσε με την ανάλυση της θερμική δορυφορικής εικόνας. Με τη χρήση του SPSS, εξετάστηκε η συσχέτιση μεταξύ πυκνότητας χρήσης γης και αντιστοίχων τιμών επιφανειακής θερμοκρασίας. Τέλος, για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων αυτής της διαδικασίας, χρησιμοποιήθηκε το ArcScene 9.3.1, για να απλώσει την πυκνότητα χρήσης γης σε μια τρισδιάστατη επιφάνεια που αναπαριστούσε τη θερμοκρασία (η θερμοκρασία λήφθηκε από τη θερμική εικόνα, με ένα συντελεστή μετατροπής ίσο με 300).
4. Αποτελέσματα
4.1.Θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ χρήσεων γης
Οι μέσες θερμοκρασίες για τις εμπορικές και βιομηχανικές χρήσεις ήταν υψηλές και παρόμοιες (29.1°C). Αντίστοιχα, στις χρήσεις αναψυχής ήταν 25.1°C και στα νερά 23.1°C. Οι περιοχές κατοικίας και οι ανοιχτοί χώροι είχαν 27.5°C και οι χώροι διοίκησης και υπηρεσιών 27.3°C. Δηλαδή, η σειρά των χρήσεων αυτών, από την υψηλότερη στη χαμηλότερη θερμοκρασία, είναι: εμπόριο, βιομηχανία, διοίκηση και υπηρεσίες, κατοικία, ανοιχτοί χώροι, χώροι αναψυχής και νερό.
4.2.Η επίδραση του μεγέθους του πολυγώνου χρήσης γης
Οι περιοχές των πολυγώνων χρήσεων γης συσχετίζονται θετικά με την επιφανειακή θερμοκρασία, για το εμπόριο (r=0.405) και τη βιομηχανία (r=0.259). Καθώς το εμβαδό των πολυγώνων αυτών μεγαλώνει, τείνει να αυξάνεται και η θερμοκρασία. Αντίθετα, οι περιοχές νερού και αναψυχής έχουν αρνητικό συσχετισμό (r=-0.323 και r=-0.264 αντίστοιχα). Στην περίπτωση αυτή, αύξηση του εμβαδού των παραπάνω πολυγώνων προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας. Οι υπόλοιπες χρήσης γης (κατοικία, υπηρεσίες-διοίκηση, και ανοιχτοί χώροι) έχουν πολύ μικρό συσχετισμό με την επιφανειακή θερμοκρασία.
4.3.Η επίδραση της πυκνότητας της χρήσης γης
Σύμφωνα με την ανάλυση συσχέτισης, υπάρχει θετικός συσχετισμός μεταξύ επιφανειακής θερμοκρασίας και βιομηχανίας (r=0.423), οπότε αύξηση της πυκνότητας συνεπάγεται και αύξηση της θερμοκρασίας. Οι αντίστοιχοι συσχετισμοί για το εμπόριο είναι r=0.173 και για τους ανοιχτούς χώρους r=0.130. Αρνητικούς συσχετισμούς παρατηρούμε στους χώρους αναψυχής (r=-0.442) και στις περιοχές νερού (r=-0.297), που σημαίνει ότι αύξηση της πυκνότητας σε αυτές τις περιοχές προκαλεί μείωση της επιφανειακής θερμοκρασίας. Οι συσχετισμοί για τις χρήσεις διοίκηση/υπηρεσίες και κατοικία ήταν κοντά στο 0 (r=0.053 και r=0.018 αντίστοιχα).
4.4.Τρισδιάστατη οπτικοποίηση
Για να δοθεί μια καθαρότερη εικόνα της σχέσης μεταξύ των χρήσεων γης και της επιφανειακής θερμοκρασίας, οπτικοποιήθηκαν τα αποτελέσματα πυκνότητας για τρείς χρήσεις γης (βιομηχανία, κατοικία, αναψυχή) σε τρισδιάστατα έγχρωμα μοντέλα. (Εικ.3a,b,c). Αυτό που παρατηρείται είναι ότι στις περιοχές με μέγιστο πυκνότητας στη βιομηχανία εμφανίζεται και μέγιστο επιφανειακής θερμοκρασίας. Αντίθετα, στο μέγιστο πυκνότητας στην αναψυχή, η επιφανειακή θερμοκρασία αγγίζει το ελάχιστο όριο. Η πυκνότητα των περιοχών κατοικίας δεν επηρεάζει άμεσα τη θερμοκρασία.
4.5.Παραδείγματα συσχετισμών
Ένα παράδειγμα θετικού συσχετισμού μεταξύ του εμβαδού του πολυγώνου χρήσης γης και της μέσης επιφανειακής θερμοκρασίας φαίνεται στην εικόνα 4. Έχουν επιλεγεί δύο πολύγωνα ίδιας χρήσης (βιομηχανία), διαφορετικού εμβαδού (Εικ.4a,b). Στο μικρότερο πολύγωνο η θερμοκρασία είναι 31.1°C, ενώ στο μεγαλύτερο η θερμοκρασία είναι αυξημένη στους 32.2°C. Παράδειγμα αρνητικού συσχετισμού παρουσιάζεται στην περίπτωση των πολυγώνων χώρων αναψυχής. Το μικρότερο πολύγωνο παρουσιάζει θερμοκρασία 25.2°C, ενώ το μεγαλύτερο 21.5°C (Εικ.5a,b).
5. Συμπεράσματα
Όπως αναλύθηκε παραπάνω, η έρευνα έδειξε ότι η μεγαλύτερη τιμή μέσης επιφανειακής θερμοκρασίας εμφανίζεται σε εμπορικές και βιομηχανικές χρήσεις γης, εξαιτίας του μεγάλου ποσοστού δομήσιμης επιφάνειάς τους, του υλικού κατασκευής της οροφής/στέγης τους (σκυρόδεμα ή μέταλλο), της μικρής δυνατότητας εκπομπής τους και τέλος, της παντελούς έλλειψης βλάστησης. Αντίθετα, η βλάστηση στα πάρκα και τους χώρους αναψυχής λειτουργεί σαν ενδιάμεση ζώνη μεταξύ του εδάφους και της ηλιακής ακτινοβολίας, παρεμποδίζει τη δεύτερη να περάσει στο έδαφος και έτσι επιτυγχάνεται μείωση της επιφανειακής θερμοκρασίας. Οι περιοχές κατοικίας και διοίκησης/υπηρεσιών λειτουργούν περίπου στο ενδιάμεσο των δύο προηγούμενων κατηγοριών, καθώς συνδυάζουν δομήσιμη επιφάνεια και μικρό ποσοστό βλάστησης γύρω τους. Επιπλέον, η πυκνότητα των χρήσεων γης επηρεάζει με διαφορετικό τρόπο την επιφανειακή θερμοκρασία. Έτσι, μεγάλη πυκνότητα στη βιομηχανία οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ αντίστοιχα μεγάλη πυκνότητα στους χώρους αναψυχής οδηγεί σε μείωσή της.
Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από τους χωροτάκτες και τους νομοθέτες, για να μετριαστεί το φαινόμενο των Αστικών Νησίδων Θερμότητας, με τη χρήση π.χ. υλικών υψηλής ανακλαστικότητας στις οροφές των εμπορικών και βιομηχανικών δομήσιμων επιφανειών. Επιπλέον, θα μπορούσε να δοθεί μια σειρά κινήτρων φορολογικών ή επιδοτήσεων, έτσι ώστε να ληφθούν άμεσα μέτρα μείωσης του φαινομένου. Στο Τορόντο, το Μάιο του 2009 εισήχθη ένας κανονισμός ο οποίος επιβάλλει την κατασκευή πράσινης στέγης στο 20-60% όλων των νέων κτισμάτων με ανακλαστική επιφάνεια μεγαλύτερη των 2000τ.μ.. Επίσης, ενισχύθηκαν έργα δενδροφύτευσης σε οικιστικές περιοχές και επιβλήθηκε η εξασφάλιση αδείας για κοπή δέντρων.
Ως προς την ακολουθούμενη μεθοδολογία της μελέτης, οι θερμικές δορυφορικές εικόνες δίνουν μετρήσεις μόνο για την επιφανειακή θερμοκρασία, οι οποίες δεν αντιπροσωπεύουν απόλυτα την έκθεση του ανθρώπου στη ζέστη. Επιπλέον, η ώρα της ημέρας κατά την οποία λαμβάνονται αυτές οι εικόνες είναι συγκεκριμένη (ο Landsat περνά πάνω από το Τορόντο πάντα στις 10:00π.μ.). Οπότε δεν έχουμε εικόνα των Αστικών Νησίδων Θερμότητας στις υπόλοιπες ώρες της ημέρας, οπότε υπάρχει κίνδυνος το φαινόμενο να μην εκτιμάται σε όλο του το εύρος.
