Τηλεπισκόπηση και παρατήρηση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας.

Από RemoteSensing Wiki

“Remote Sensing of Urban Heat Islands by Night and Day” Janet Nichol

Πηγη: http://www.asprs.org/publications/pers/2005journal/may/2005_may_613-621.pdf

1.Στόχος Εφαρμογής

Μία νυχτερινή θερμική εικόνα των δυτικών εδαφών του Hong Kong από δορυφορικό δέκτη ASTER συγκρίνεται με μία πρωινή θερμική εικόνα της ίδιας περιοχής από Landsat ETM+. Πυκνοκατοικημένες περιοχές με υψηλή δόμηση εμφανίζονται σχετικά θερμές στη νυχτερινή λήψη, παρόλο που δεν αναπτύσσονται μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας τη νύχτα. Μικρότερες θερμοκρασιακές κλίσεις μεταξύ διαφορετικών χρήσεων γης παρατηρήθηκαν από την ανάλυση της νυχτερινής εικόνας σε μέσοκλίμακα (meso scale). Επιπλέον, το βράδυ η εγγύτητα σε εκτεταμένες κρύες επιφάνειες, όπως βουνοπλαγιές με δάση φαίνεται να επηρεάζει, διατηρώντας χαμηλότερες τις θερμοκρασίες των κτιρίων. Η σχετικότητα των θερμοκρασιών της επιφάνειας από δορυφορικά δεδομένα για μελέτες αστικού μικροκλίματος ενισχύθηκε από έρευνες πεδίου στην περιοχή μελέτης. Το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας αναφέρεται στην αύξηση των αστικών ατμοσφαιρικών θερμοκρασιών σε περιοχές που περικλείονται από δόμηση με αποτέλεσμα η διαφορά να είναι μεγαλύτερη τη νύχτα από ότι την ημέρα. Για τους ανθρώπους που ζουν και εργάζονται σε τροπικές και ημιτροπικές πόλεις, οι θερμοκρασακές τιμές τόσο την ημέρα όσο και τη νύχτα είναι ιδιαίτερα σημαντικές, καθώς οι θερμοκρασίες ξεπερνούν το όριο της ανθρώπινης άνεσης για μεγάλο μέρος του χρόνου.

2.Παλαιότερες μελέτες του φαινομένου

Παλαιότερες μελέτες βασισμένες σε χρήση δορυφόρων για την ανάλυση του φαινομένου τόσο σε νυχτερινές όσο και σε βραδυνές ώρες, πραγματοποιήθηκαν με χαμηλής ανάλυσης δέκτες όπως ο NOAA AVHRR και ο HGMM. Λόγω της υψηλής χρονικής τους συχνότητας αυξάνονται οι πιθανότητες λήψης πρωινών και νυχτερινών εικόνων. Οι τοπικές ώρες λήψης αυτών των δεκτών στις 2:30 τη νύχτα και στις 14:00 το μεσημέρι είναι ιδανικές για τη μελέτη της αστικής θερμικής νησίδας, αφού επιτυγχάνεται περίπου η μέγιστη ανάπτυξη του φαινομένου, όπως αυτό αποτυπώνεται στην θερμοκρασία που αναπτύσσεται στη επιφάνεια την ημέρα και τη νύχτα. Παραταύτα, λόγω της μικρής χωρικής ανάλυσης (1,1km για τον AVHRR, 1km για τον MODIS και 0,6 km για τον HGMM), αυτοί οι θερμικοί δέκτες είναι ανίκανοι να αποτυπώσουν χαρακτηριστικά μικροκλίματος μέσα στην πόλη, όπως για παράδειγμα θερμοκρασίες οικοδομικών τετραγώνων ή δρόμων. Όλες οι μέχρι τώρα δορυφορικές μελέτες έχουν υποστηρίξει ή υποθέσει ότι υπάρχει στενή σχέση μεταξύ της δορυφορικής επιφανειακής θερμοκρασίας (Ts) και της θερμοκρασίας του γειτονικού αέρα (Τα), παρότι η σχέση τους μπορεί να είναι περίπλοκη. Μάλιστα, η σχέση αυτή φαίνεται να είναι πιο σταθερή κατά τη διάρκεια της νύχτας όπου αναπτύσσονται μικρότερες ταχύτητες ανέμου και πιο σταθερές ατμοσφαιρικές συνθήκες από ότι την ημέρα, γεγονός που προσδίδει μεγαλύτερη συνάφεια στις νυχτερινές δορυφορικές λήψεις.

3.Περιοχή μελέτης

Επιλέχθηκε για μελέτη μία περιοχή στα δυτικά νέα εδάφη του Hong Kong, λόγω του γεγονότος ότι η νυχτερινή εικόνα από ASTER ήταν χωρίς σύννεφα μόνο σε αυτήν την περιοχή (Εικόνα 1). Πρόκειται για μία κατά βάση αγροτική περιοχή, με δασικές εκτάσεις στα βουνά και με την προς μελέτη πόλη Tuen Mun να είναι παράκτια και τοποθετημένη σε μία στενή και κρημνώδη κοιλάδα. Η αεροφωτογραφία (Εικόνα 2), δείχνει ότι πρόκειται για μία πυκνά δομημένη, μοντέρνα, νέα πόλη σχετικά μικρού μεγέθους. Παραταύτα, το φαινόμενο της θερμικής αστικής νησίδας σχετίζεται περισσότερο με τη δομή της αστικής περιοχής και όχι τόσο με το μέγεθος αυτής, γεγονός που καθιστά την Tuen Mun κατάλληλη για τη μελέτη του. 4.Η μεθοδολογία

Οι τιμές ακτινοβολίας του θερμικού καναλιού του ETM+ (κανάλι 6:1), μετατράπηκαν σε θερμοκρασίες επιφάνειας (Τs) σε δύο φάσεις (Εικόνα 3). Αρχικά η ακτινοβολία μετατράπηκε σε θερμοκρασία μελανού σώματος (Tb). Εν συνεχεία, έγινε διόρθωση του συντελεστή εκπομπής ανάλογα με τις χρήσεις γης, με πιο βασικό διαχωρισμό αυτόν μεταξύ περιοχών χωρίς και με βλάστηση, για τον οποίο δημιουργήθηκε μάσκα, χρησιμοποιώντας NDVI από τα κανάλια ορατού μήκους κύματος του ΕΤΜ+. Τα pixel αυτής της μάσκας που αντιπροσωπεύουν περιοχές με βλάστηση πήραν τιμές εκπομπής 0.96 και περιοχές χωρίς βλάστηση τιμές 0.92 και για το νερό τιμές 0.99. Οι τιμές εκπομπής προέκυψαν από δορυφορικές και από εξ επαφής μετρήσεις των επιφανειών της περιοχής μελέτης με χρήση θερμικού ραδιόμετρου και θερμίστορα. Μετά η εικόνα δέχτηκε τους λόγους του ορατού μήκους κύματος Τb. Η αυξημένη χωρική ανάλυση των θερμικών δεδομένων εξαρτάται από την έκταση στην οποία η εκπομπή διαφορετικών τύπων επιφάνειας επηρεάζει την θερμοκρασία. Η εικόνα Τs διορθώθηκε ατμοσφαιρικά με σύγκριση των τιμών των εικόνων με τις θερμοκρασίες της επιφάνειας της θάλασσας από μετρήσεις του παρατηρητηρίου του Hong Kong, οι οποίες έδειξαν σταθερές θερμοκρασίες επιφάνειας θάλασσας τόσο χωρικά όσο και χρονικά για τις ημέρες όπου έγιναν οι λήψεις εικόνων. Οι παραπάνω διαδικασίες έδωσαν αποτελέσματα στα οποία η πλειοψηφία των τιμών της εικόνας Τs κυμαινόταν μεταξύ 32C και 43C. Η μεταβολή της ισοδύναμης θερμοκρασίας θορύβου (NETΔ) του ETM+ θερμικού δέκτη είναι 0,3C. Επιπλέον πιθανά λάθη που παρατηρήθηκαν στις τιμές οφείλονται στην παραδοχή ομογενούς ατμόσφαιρας κατά μήκος της εικόνας, καθώς και στην εγγενή αβεβαιότητα των τιμών εκπομπής που χρησιμοποιήθηκαν σε ένα περίπλοκο αστικό τοπίο. Δεν υπάρχει πρωινή εικόνα ASTER του Xong Kong και η μόνη νυχτερινή εικόνα που διατίθεται είναι απαλλαγμένη από σύννεφα μόνο πάνω από την περιοχή των Νέων Εδαφών (Εικόνες 4 και 5). Η εικόνα είναι διαθέσιμη από το EROS Data Center (EDC), σαν τιμές πέντε θερμικών καναλιών από ραδιόμετρο στο δέκτη (RAS), καθώς και σαν τέσσερα ανώτερου επιπέδου παράγωγα (Εικόνα 6), το καθένα σε ένα κανάλι, εκτός από το παράγωγο επιφανειακής κινητικής θερμοκρασίας (Kinetic Temperature). Η επόμενη αποτελείται από μόνο ένα κανάλι, καθώς είναι τελικό προϊόν από τον αλγόριθμο TES (Τemperature Emissivity Seperation), ο οποίος δίνει λόγους σε όλα τα κανάλια για την παρακολούθηση θερμοκρασιακών τιμών και τιμών εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας της επιφάνειας της γης. Η εικόνα κινητικής θερμοκρασίας θεωρείται ανάλογη της Επιφανειακής θερμοκρασίας Τs και διορθώθηκε για ατμοσφαιρικές επιδράσεις, χρησιμοποιώντας κάποιους γνωστούς λόγους καναλιών. Οι τελικές τιμές του προϊόντος ΑSTER KT εκτιμώνται να έχουν ακρίβεια της τάξεως του +/- 0.15K και του προϊόντος εκπομπής ακρίβεια +/- 0.015 με πιθανά λάθη από αβεβαιότητες στην διαδικασία ατμοσφαιρικής διόρθωσης κ.α. Η παρούσα μελέτη κατάφερε να ισχυροποιήσει το προϊόν ASTER KT συγκρίνοντας τις θερμοκρασιακές τιμές με αυτές από τη μετατροπή του βασικού RAS προϊόντος σε Τs με χρήση θερμοκρασιών από σύγχρονα κλιματικά δεδομένα και τιμές εκπομπής από έρευνες πεδίου.

5.Αποτελέσματα

Μία ισχυρή σχέση παρατηρήθηκε ανάμεσα στην επιφανειακή και ατμοσφαιρική θερμοκρασία, φτάνοντας το 81 % και το 94% αντιπροσωπευτικότητας. Αυτό αποδεικνύει την σχετικότητα της εικόνας παράγωγο Τs για παρατηρήσεις μικροκλίματος. Το αποτέλεσμα συμφωνεί με τις ισχυρές σχέσεις Τs /Ta που είχαν και οι Stroll και Brazel παρατηρήσει στην περίπτωση του Phoenix, Arizona, το ίδιο και η πιο στενή σχέση το βράδυ. Από την παρατήρηση εικόνων φαίνεται οι ημερήσιες τιμές Τs να είναι 7C πιο ζεστές από ότι οι Τα τιμές που καταγράφηκαν την ώρα τις λήψης, ενώ για τη νυχτερινή εικόνα οι τιμές Τs είναι παρόμοιες με τις τιμές Τα και κάποιες από τις επιφάνειες είναι πιο κρύες.

Η διαφορά αυτή είναι υποδηλωτική των συνθηκών θερμοκρασιακής αναστροφής κοντά στο έδαφος μετά από τη δύση του ηλίου, καθώς δείχνει και μια πιο σταθερή ατμόσφαιρα. Η διαφορά στη σχέση μεταξύ των θερμοκρασιών αέρα και επιφάνειας την ώρα της λήψης των εικόνων είναι ιδιαίτερα σημαντική για την αναγνώριση και την παρουσίαση των θερμοκρασιακών προτύπων που φαίνονται στις εικόνες.

Η πρωινή θερμική νησίδα: Εικόνα Landsat ETM+ (Εικόνες 3 και 6) Παράγοντες μικρο κλίμακας του δομημένου περιβάλλοντος Στην πρωινή εικόνα μικρο κλιματικά πρότυπα που σχετίζονται με την αστική μορφολογία ήταν ευανάγνωστα και ορατά στην ανάλυση εικόνας. Περιοχές με έναν χαμηλό SVF (Sky View Factor) μέσα και γύρω από υψηλά κτίρια εμφανίζονται σχετικά κρύες, το ίδιο και περιοχές με υψηλή πυκνότητα δόμησης.(Εικόνα 6) Αντιστρόφως οι πιο υψηλές θερμοκρασίες με το ΕΤΜ+ βρέθηκαν σε μέρη που δεν περιβάλλονται από ψηλά κτίρια και έχουν υψηλό δείκτη SVF, σε ανοιχτούς χώρους και πάρκινγκ. Η χωρική ανάλυση του ΕΤΜ+ μετά από διαδικασία φαίνεται επαρκής για τον προσδιορισμό της επίδρασης της γεωμετρίας του κτιρίου στην θερμοκρασία. Σκιές στην υπήνεμη πλευρά ενός κτιρίου εμφανίζονται 4C από ότι σε έδαφος που εκτίθεται στην πλευρά της ηλιακής ακτινοβολίας.

Αστικές περιοχές με βλάστηση

Στην πρωινή εικόνα περιοχές με βλάστηση μέσα στην αστική περιοχή περιλαμβάνουν ευδιάκριτες κρύες νησίδες. Αυτές οι περιοχές και ο παρακείμενος τομέας αστικού δάσους εμφάνισαν θερμοκρασίες παραπλήσιες με αγροτικές περιοχές.

Παράγοντες μεσοκλίμακας

Δεν μπορεί να ανιχνευτεί καμία επίδραση στη θερμοκρασία από την εγγύτητα σε πιο κρύες γειτονικές περιοχές, ακόμα και σε περιπτώσεις όπου αστικές περιοχές βρίσκονται πλησίον της θάλασσας. Επιπλέον, τα αστικά πάρκα που εμφανίζουν διαφορά θερμοκρασίας - 8C βασιζόμενοι στην εικόνα Τs, βλέπουμε ότι δεν επηρεάζουν γειτονικές επιφάνειες.

Η βραδινή εικόνα ASTER (Εικόνες 4 και 5)

Οι βραδινές τιμές της εικόνας Τs για τις αστικές επιφάνειες ποικίλουν από 25C μέχρι 30C και κάποιες από τις επιφάνειες είναι πιο κρύες από ότι οι θερμοκρασιακές τιμές της ατμόσφαιρας Τα.

Παράγοντες μικροκλίμακας του δομημένου περιβάλλοντος

Την ώρα λήψης της εικόνας στις 21:40 γίνεται ευδιάκριτη μία θερμική αστική νησίδα, καθότι η αστική περιοχή είναι 6C θερμότερη από τις περιβάλλουσες αγροτικές περιοχές. Ωστόσο, η διακύμανση της θερμοκρασίας μέσα στην αστική νησίδα είναι ασθενώς ανεπτυγμένη και δεν φαίνεται να ισχύει η θεωρία ότι σε νύχτες χωρίς σύννεφα, οι ανοιχτές περιοχές με υψηλό δείκτη SVF αναμένονται να είναι σχετικά πιο κρύες λόγω της μεγάλου κύματος ακτινοβολίας που η θερμότητα συσσωρεύει στις επιφάνειες.

Αστικές περιοχές με βλάστηση

Στην εικόνα νυχτερινής λήψης τα αστικά πάρκα στους 26C, είναι μόνο 2 C πιο ψυχρά από τις περιβάλλουσες αστικές περιοχές, όταν κατά τη διάρκεια της ημέρας η διαφορά αυτή είναι περίπου 8C, υποδηλώνοντας παρόλα αυτά μία υγρασία στα πρότυπα μικροκλίμακας.

Παράγοντες μεσοκλίμακας

Κλιματικοί παράγοντες μεσοκλίμακας φαίνονται να επηρεάζουν περισσότερο από ότι οι παράγοντες μικροκλίμακας τη νύχτα, με τη θερμοκρασία των διαφορετικών τύπων επιφάνειας να επηρεάζεται και από τη σχετική τους θέση. Βουνοπλαγιές με βλάστηση φαίνεται να επιδρούν κατεβάζοντας τη θερμοκρασία σε περιοχές που γειτνιάζουν με αυτές, ενώ αστικά υψηλά κτίρια κοντά τις πλαγιές εμφανίζονται 3C χαμηλότερα από ότι τα κτίρια του κέντρου.