Η θερμική νησίδα της επιφάνειας του Ρότερνταμ και η σχέση της με τα χαρακτηριστικά των αστικών επιφανειών
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Μελέτη της θερμοκρασίας της αστικής επιφάνειας του Ρότερνταμ και συσχέτισή της με τα αστικά χαρακτηριστικά
Πρωτότυπος Τίτλος: 'The surface heat island of Rotterdam and its relationship with urban surface characteristics'
Συγγραφείς: Lisette Klok (a), Sander Zwart (b), Henk Verhagen (a), Elena Mauri (c)
(a) TNO, Postbus 80015, 3508 TA Utrecht, Netherlands
(b) WaterWatch B.V., Generaal Foulkesweg 28, 6703 BS Wageningen, Netherlands
(c) Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale, Borgo Grotta Gigante 42/c, 34010 Sgonico, Trieste, Italy
Πηγή: Elsevier, Resources, Conservation and Recycling, 64 (2012), 23-29
Λέξεις Κλειδιά: αστική θερμική νησίδα, θερμική νησίδα της αστικής επιφάνειας, Τηλεπισκόπιση, Ρότερνταμ, θερμοκρασία της επιφάνειας, κύμα θερμότητας, θερμικές υπέρυθρες εικόνες
Περίληψη: Για τη χωρική ποσοτικοποίηση της Θερμικής Νησίδας της Επιφάνειας (Surface Heat Island - SHI) του Ρότερνταμ της Ολλανδίας, χρησιμοποιήθηκαν θερμικές υπέρυθρες δορυφορικές εικόνες υψηλής ανάλυσης από αισθητήρες Landsat. Με βάση χάρτες της θερμοκρασίας της αστικής επιφάνειας κατά τη διάρκεια 15 θερινών ημερών από το 1984, η μέση θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας κάθε γειτονιάς μέσα στην πόλη συγκρίθηκε με τη θερμοκρασία της επιφάνειας των αγροτικών εκτάσεων έξω από αυτή. Η διαφορά των δύο θερμοκρασιών ορίζεται ως ένταση SHI. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ένταση SHI στο Ρότερνταμ, κατά τη διάρκεια της ημέρας, μπορεί να αγγίξει τους 10 °C. Οι διαφορές των SHI μεταξύ των γειτονιών μπορούν να εξηγηθούν από τα χαρακτηριστικά των αστικών επιφανειών. Η στατιστική ανάλυση δείχνει ότι η SHI είναι μεγαλύτερη για γειτονιές με ελάχιστη βλάστηση και υψηλό ποσοστό αδιαπέρατων επιφανειών εδαφών με χαμηλή ανακλαστικότητα. Επιπλέον, δορυφορικές εικόνες NOAA-AVHHR χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση του κύματος καύσωνα του Ιουλίου του 2006 και τον υπολογισμό της ημερήσιας διακύμανσης της έντασης SHI του Ρότερνταμ. Ο μέσος όρος των θερμοκρασιακών διαφορών της επιφάνειας των θερμότερων και ψυχρότερων περιοχών ήταν το πολύ 12 °C κατά τη διάρκεια της ημέρας, και 9 °C κατά τη διάρκεια της νύχτας. Οι περιοχές με υψηλή ένταση SHI κατά τη διάρκεια της νύχτας, διέφεραν από εκείνες με υψηλή SHI κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Εισαγωγή: Η αστική θερμική νησίδα (Urban Heat Island - UHI) αναφέρεται στις υψηλότερες θερμοκρασίες του αστικού χώρου σε σύγκριση με τις θερμοκρασίες πάνω από τις γύρω αγροτικές περιοχές. Το φαινόμενο της Θερμικής Νησίδας εμφανίζεται σε όλες τις αστικές περιοχές, ανεξαρτήτως μεγέθους. Το μέγεθος του φαινομένου εξαρτάται από την αστική δομή, την κτιριακή πυκνότητα, τα υλικά των επιφανειών, τη θερμότητα που συσσωρεύεται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες και το ποσοστό της βλάστησης και των υδάτινων επιφανειών. Συνεπώς, οι αστικές περιοχές είναι ιδιαίτερα ευάλωτες στα κύματα θερμότητας, καθώς και στις αρνητικές επιπτώσεις τους για τον άνθρωπο, όπως είναι η αύξηση της θνησιμότητας και η μείωση της παραγωγικότητας της εργασίας.
Οι επί τόπου μετρήσεις της θερμοκρασίας του αέρα κρίνονται συνήθως ανεπαρκείς για την παρακολούθηση της χωρικής έκτασης της θερμικής νησίδας, καθώς αντιπροσωπεύουν ιδιαίτερα τοπικές συνθήκες. Δεδομένου ότι τα υψηλής πυκνότητας δίκτυα μέτρησης είναι δαπανηρά, θερμικές υπέρυθρες τεχνικές τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται σε παγκόσμιο επίπεδο για την αξιολόγηση της χωρικής κατανομής των θερμικών νησίδων. Ως εκ τούτου, η θερμική τηλεπισκόπηση είναι χρήσιμη για την παρακολούθηση της Θερμικής Νησίδας της Επιφάνειας (Surface Heat Island - SHI), η οποία ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας των αστικών και αγροτικών επιφανειών.
Η SHI εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη φύση της επιφάνειας και τις συνθήκες. Οι ξηρές και πιο σκοτεινές αστικές επιφάνειες απορροφούν το φως του ήλιου πιο εύκολα και θερμαίνονται περισσότερο σε σχέση με τις πιο ανοιχτόχρωμες και υγρές επιφάνειες ή τις επιφάνειες που είναι σκιασμένες. Έτσι, χαρακτηριστικά των αστικών επιφανειών όπως το ποσοστό πρασίνου, το νερό και οι αδιαπέρατες επιφάνειες, αποτελούν ισχυρούς παράγοντες για την ένταση SHI. Σε γενικές γραμμές, η SHI είναι μεγαλύτερη κατά τη διάρκεια της ημέρας, λόγω της επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας.
Ο στόχος της παρούσας μελέτης είναι να προσδιοριστεί η SHI του Ρότερνταμ και να συσχετιστεί με τα χαρακτηριστικά της αστικής επιφάνειας. Η μελέτη αποτελεί μέρος ενός μεγάλου ερευνητικού προγράμματος (Dutch National Research Programme Knowledge for Climate), στο οποίο ερευνάται το φαινόμενο της Θερμικής Νησίδας του Ρότερνταμ και ο αντίκτυπός του στη θερμική καταπόνηση της πόλης.
Η ένταση της Θερμικής Νησίδας της Επιφάνειας (SHI) του Ρότερνταμ και η χωρική μεταβολή της εκτιμήθηκε από υψηλής ανάλυσης θερμικές υπέρυθρες εικόνες Landsat κατά τη διάρκεια 15 θερινών ημερών, δεδομένου ότι κατά κανόνα, η θερμική καταπόνηση είναι πιο έντονη το καλοκαίρι. Η ημερήσια διακύμανση της θερμοκρασίας της επιφάνειας κατά τη διάρκεια περιόδου καύσωνα του 2006, εξήχθηκε από NOAA-AVHHR εικόνες, μέτριας ανάλυσης και σε χρονική σειρά. Για την αξιολόγηση των πολεοδομικών χαρακτηριστικών που εξηγούν το μοτίβο SHI του Ρότερνταμ, πραγματοποιήθηκε μία στατιστική ανάλυση μεταξύ της μέσης θερμοκρασίας της επιφάνειας και χαρακτηριστικών όπως η ανακλαστικότητα, ο παράγοντας του sky view, το ποσοστό πρασίνου, οι υδάτινες επιφάνειες και τα στεγανοποιημένα εδάφη.
Η θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας ποίκιλε περισσότερο κατά τη διάρκεια της ημέρας από τη θερμοκρασία του αέρα. Κατά συνέπεια, η ένταση SHI διέφερε από την UHI, καθώς η δεύτερη προκύπτει από τις διαφορές θερμοκρασίας του αέρα λίγα μέτρα πάνω από το επίπεδο του εδάφους. Επιπλέον, μέσω της μεταφοράς ενέργειας μεταξύ του εδάφους και του αέρα, οι δύο θερμοκρασίες συσχετίζονται. Στην παρούσα μελέτη, αυτό φαίνεται από τη σύγκριση μεταξύ των θερμοκρασιών που έχουν ληφθεί από τον Landsat και των επί τόπου μετρήσεων της θερμοκρασίας του αέρα.
Υλικά και Μέθοδοι:
1. Η Περιοχή μελέτης: Το Ρότερνταμ είναι η δεύτερη μεγαλύτερη πόλη της Ολλανδίας και το λιμάνι του είναι το μεγαλύτερο της Ευρώπης. Αποτελεί τμήμα μίας μεγαλύτερης μητρόπολης 1,6 εκατομμυρίων κατοίκων, ενώ αποτελείται από 22 διαμερίσματα, τα οποία υποδιαιρούνται σε 88 γειτονιές. Η πόλη χαρακτηρίζεται από τον ποταμό Nieuwe Maas, το λιμάνι και μεγάλες βιομηχανικές περιοχές (εικόνα 1).
2. Δορυφορικά δεδομένα: Αρκετοί δορυφόροι διεξάγουν μετρήσεις στο θερμικό υπέρυθρο φάσμα από τις οποίες μπορούν να προκύψουν θερμοκρασίες της επιφάνειας του εδάφους. Από το 1984, ο Landsat Thematic Mapper (Landsat TM) λαμβάνει εικόνες του ορατού, εγγύς υπέρυθρου και θερμικού υπέρυθρου φάσματος. Μεταξύ του 1999 και του 2003, ο Landsat Enhanced Thematic Mapper (Landsat ΕΤΜ) προσέφερε επίσης και απεικόνιση. Η χωρική ανάλυση του θερμικού υπέρυθρου φάσματος του πρώτου ήταν 120*120 m, ενώ βελτιώθηκε στα 60*60 m στην περίπτωση του Landsat ΕΤΜ. Η χωρική ανάλυση του ορατού φάσματος και του εγγύς υπέρυθρου και των δύο δορυφόρων είναι 30 m, με χρόνο επαναληψιμότητας 16 ημερών. Οι εικόνες λαμβάνονται κατά τις μεσημεριανές ώρες.
Ένα άλλο δορυφορικό πρόγραμμα που ξεκίνησε το 1978 και συνεχίζεται μέχρι σήμερα, είναι αυτό του Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) που διεξάγεται από τον Οργανισμό US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Κάθε σημείο του πλανήτη είναι ορατό από κάθε δορυφόρο δύο φορές την ημέρα και σε διαφορετικές ώρες, γεγονός το οποίο αποτελεί το σημαντικότερο συγκριτικό πλεονέκτημα των εικόνων NOAA-AVHRR σε σχέση με τις εικόνες Landsat. Ωστόσο, η χωρική ανάλυση των εικόνων AVHHR είναι από 1,1 km στο ναδίρ έως 4 km στην άκρη των εικόνων, σημαντικά χαμηλότερη από τις εικόνες Landsat. Στην παρούσα μελέτη, για την ανάλυση της έντασης SHI του Ρότερνταμ, υπέστησαν επεξεργασία εικόνες της θερμοκρασίας της αστικής επιφάνειας και από τους δύο δορυφόρους.
3. Ανάκτηση των θερμοκρασιών της αστικής επιφάνειας: Από το 1984 μέχρι το 2007, επιλέχθηκαν συνολικά 15 εικόνες Landsat, χωρίς νεφοκάλυψη, κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών. Οι εικόνες διορθώθηκαν γεωμετρικά σύμφωνα με το ολλανδικό σύστημα συντεταγμένων και οι φασματικές ακτινοβολίες προέκυψαν χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους της ραδιομετρικής βαθμονόμησης του αισθητήρα. Οι ακτινοβολίες δεν αντιπροσωπεύουν ακριβώς τη θερμοκρασία της επιφάνειας, αλλά αποτελούν μίξη των διαφόρων κλασμάτων ενέργειας, εκ των οποίων το πιο σημαντικό είναι η ενέργεια που εκπέμπεται από την αστική επιφάνεια. Η ακτινοβολία της επιφάνειας εκτιμήθηκε χωρικά χρησιμοποιώντας μία εμπειρική σχέση μεταξύ του τηλεπισκοπικού δείκτη Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) και της ακτινοβολίας. Ο δείκτης NDVI εκφράζει τη διαφορά των εγγύς υπέρυθρων και των ερυθρών ακτινοβολιών διαιρεμένη με το άθροισμα των δύο. Μετά τη χωρική εκτίμηση της ακτινοβολίας, υπολογίστηκε η θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας μέσω της αντίστροφης εφαρμογής του νόμου του Planck, ο οποίος δίνει την σχέση της θερμοκρασίας και της φασματικής ακτινοβολίας, σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος.
Για τον έλεγχο των περιοχών που είναι πιο ευάλωτες στη θερμότητα, υπολογίστηκε η μέση θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας για τα 22 διαμερίσματα (εικόνα 2) και τις 88 γειτονιές. Για κάθε περιοχή υπολογίστηκε η ένταση SHI συγκρίνοντας τη θερμοκρασία των αστικών επιφανειών με τη μέση θερμοκρασία της επιφάνειας 19 αγροτικών περιοχών (κυρίως χορτολιβαδικών εκτάσεων), έξω από το Ρότερνταμ. Η μέση θερμοκρασία της επιφάνειας των αγροτικών περιοχών υπολογίστηκε σε 23 °C.
4. Αστικά χαρακτηριστικά: Για την αξιολόγηση των αστικών χαρακτηριστικών που εξηγούν τη χωρική κατανομή των θερμοκρασιών της αστικής επιφάνειας, διενεργήθηκε μία ανάλυση παλινδρόμησης. Δεδομένου ότι το φαινόμενο της Θερμικής Νησίδας σχετίζεται με την ανακλαστικότητα των επιφανειών, τον παράγοντα του sky view και το ποσοστό του πρασίνου, των αδιαπέρατων και των υδάτινων επιφανειών, επιλέχθηκαν να αναλυθούν τα παραπάνω αστικά χαρακτηριστικά. Η ανάλυση παλινδρόμησης πραγματοποιήθηκε σε κλίμακα γειτονιάς, υποθέτοντας ότι τα αστικά χαρακτηριστικά είναι σχετικά ομοιογενή σε κάθε γειτονιά.
Η ανακλαστικότητα των επιφανειών και ο παράγοντας του sky view, επηρεάζουν άμεσα τη θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας. Για παράδειγμα, οι στενοί δρόμοι με χαμηλό sky view, δέχονται λιγότερη ακτινοβολία στην επιφάνειά τους κατά τη διάρκεια της ημέρας. Επιπλέον, 'παγιδεύουν' την ενέργεια, μειώνοντας την απώλεια θερμότητας και δημιουργώντας θερμές αστικές επιφάνειες. Οι υδάτινες επιφάνειες έχουν ένα αποτέλεσμα δροσισμού στην πόλη, που προκαλείται από την εξάτμιση του νερού. Οι περιοχές πρασίνου έχουν ένα παρόμοιο αποτέλεσμα, που δημιουργείται μέσω της εξατμισοδιαπνοής. Από την άλλη πλευρά, οι αδιαπέρατες επιφάνειες έχουν συνήθως χαμηλές τιμές ανακλαστικότητας και δεν εξατμίζουν το νερό.
5. Θερμοκρασία του αέρα: Για τη σύγκριση των δεδομένων του Landsat, που αφορούν τη θερμοκρασία της επιφάνειας, και των επί τόπου μετρήσεων της θερμοκρασίας του αέρα, συλλέχθηκαν οι θερμοκρασίες του αέρα από ερασιτεχνικές μετρήσεις και όχι από τους επίσημους μετεωρολογικούς σταθμούς, αφού δεν βρίσκονται στον ιστό της πόλης.
Αποτελέσματα
1. Χωρική κατανομή της έντασης SHI: Στην εικόνα 3 παρουσιάζεται ένας χάρτης των μέσων θερμοκρασιών της επιφανείας του Ρότερνταμ που ανακτήθηκαν από τις 15 εικόνες Landsat. Στην εικόνα απεικονίζεται η ένταση SHI, ενώ η διαφορά της θερμοκρασίας της επιφάνειας των αστικών και των αγροτικών περιοχών αγγίζει τους 10 °C. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες παρατηρούνται στην επιφάνεια του νερού, ακολουθούμενες από αυτές των χορτολιβαδικών εκτάσεων στα βόρεια και ανατολικά της πόλης. Εντυπωσιακό αποτέλεσμα αποτελεί το ότι οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες δεν παρατηρούνται μόνο στο κέντρο του Ρότερνταμ, αλλά και στις βιομηχανικές περιοχές και στα λιμάνια, δυτικά της πόλης. Αυτό σχετίζεται με τις πολλές σκουρόχρωμες στέγες και τις μεγάλες περιοχές των πλακόστρωτων και αδιαπέρατων επιφανειών.
2. Η θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας και τα αστικά χαρακτηριστικά: Τα αποτελέσματα της στατιστικής ανάλυσης του μέσου όρου των θερμοκρασιών της αστικής επιφάνειας και των αστικών χαρακτηριστικών της κάθε γειτονιάς έδειξε ότι τα κλάσματα των πράσινων χώρων αποτελούν τον κύριο προγνωστικό δείκτη της θερμοκρασίας της επιφάνειας. Αυτό αποδεικνύει ότι η βλάστηση έχει σημαντική επίδραση στο δροσισμό και εξηγεί το 69% της διακύμανσης της θερμοκρασίας της επιφάνειας (εικόνα 4). Η αύξηση του ποσοστού του πρασίνου κατά 10% μειώνει την μέση θερμοκρασία της επιφάνειας κατά 1,3 °C.
Επιπλέον, η θερμοκρασία της επιφάνειας μειώνεται όσο αυξάνεται η ανακλαστικότητα, οι λιγότερο αδιαπέρατες επιφάνειες και ο παράγοντας του sky view. Το ποσοστό των υδάτινων επιφανειών δεν συσχετίζεται άμεσα με τη θερμοκρασία της αστικής επιφάνειας, γεγονός που συνεπάγει ότι το νερό δεν έχει σημαντική επίδραση στο δροσισμό των γύρω επιφανειών. Παρόλα αυτά, θα μπορούσε να έχει κάποιο αποτέλεσμα δροσισμού στη θερμοκρασία του αέρα, αλλά η ανάλυση αυτή ξεφεύγει από τα όρια της μελέτης.
Συμπεράσματα: Οι θερμικές υπέρυθρες εικόνες Landsat κατά τη διάρκεια 15 θερινών ημερών έδειξαν ότι η ένταση SHI στο Ρότερνταμ κατά τη διάρκεια της ημέρας άγγιζε τους 10 °C σε σχέση με τις μη αστικές περιοχές. Οι διαφορές της έντασης SHI μεταξύ των διαμερισμάτων μπορούν να εξηγηθούν σε μεγάλο βαθμό από τη διαφορά των χαρακτηριστικών της αστικής επιφάνειας και ιδιαίτερα από το ποσοστό της αστικής βλάστησης.
Η χωρική εμφάνιση της έντασης SHI διέφερε μεταξύ ημέρας και νύχτας. Το παραπάνω διαπιστώθηκε από την ανάλυση της ημερήσιας διακύμανσης της θερμοκρασίας των αστικών επιφανειών, βασισμένη σε μία σειρά εικόνων NOAA-AVHHR, κατά την περίοδο καύσωνα του 2006. Η μελέτη της διαφορετικής χωρικής εμφάνισης της έντασης SHI κρίνεται ιδιαίτερα χρήσιμη για τον μελλοντικό σχεδιασμό της πόλης, ο οποίος θα πρέπει να στοχεύει στην μετρίαση των αρνητικών επιπτώσεων της θερμότητας.
Αναφορές
Bowler DE, Buyung-Ali L, Knight TM, Pullin AS. Urban greening to cool towns and cities: a systematic review of the empirical evidence. Landscape and Urban Planning 2010;97(3):147–55.
Dousset B, Gourmelon F. Satellite multi-sensor data analysis of urban surface temperatures and landcover. Remote Sensing of the Environment 2003;58(1–2):43–54.
Dousset B, Gourmelon F, Mauri E. Application of satellite remote sensing for urban risk analysis: a case study of the 2003 extreme heat wave in Paris. Urban Remote Sensing Joint Event 2007:1–5.
Heusinkveld BG, Van Hove LWA, Jacobs CMJ, Steeneveld GJ, Elbers JA, Moors EJ, et al. Use of a mobile platform for assessing urban heat stress in Rotterdam. In: Proceedings of the 7th conference on biometeorology – Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert- Ludwigs-Universitδt; 2010. p. 433–8.
Kovats RS, Hajat S. Heat stress and public health: a critical review. Annual Review of Public Health 2008;29:41–55.
Oke TR. Boundary layer climates. 2nd ed. London: Methuen; 1987.
Oke TR. The urban energy balance. Progress in Physical Geography 1988;12(4):471–508.
Roodenburg J. Adaptation of rural minimum temperature forecasts to an urban environment. Archives for Meteorology Geophysics and Bioclimatology 1983;32:395–401.
Rosenzweig C, Solecki WD, Slosberg RB. Mitigating New York City’s heat island with urban forestry, living roofs and light surfaces. New York: New York State Energy Research and Development Authority; 2006.
Tucker CJ. Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation. Remote Sensing of the Environment 1979;8(2):127–50.
Van de Griend AA, Owe M. On the relationship between thermal emissivity and the normalized difference vegetation index for natural surfaces. International Journal of Remote Sensing 1992;14(6):1119–31.
Voogt JA. Urban heat islands: hotter cities. Retrieved September 5, 2011 from http://www.actionbioscience.org/environment/voogt.html?print.
Voogt JA, Oke TR. Thermal remote sensing of urban climates. Remote Sensing of the Environment 2003;86:370–84.
Weng Q. Thermal infrared remote sensing for urban climate and environmental studies: methods, applications, and trends. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 2009;64:335–44.
Weng Q, Lu D, Schubring J. Estimation of land surface temperature-vegetation abundance relationship for urban heat island studies. Remote Sensing of Environment 2004;89(4):467–83.
