Επιδράσεις της χωρικής δομής των χώρων πρασίνου στην αστική ψύξη σε μια μεγάλη μητροπολιτική περιοχή της ανατολικής Κίνας

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 14:31, 5 Απριλίου 2015

Πρωτότυπος τίτλος: Effects of spatial pattern of greenspace on urban cooling in a large metropolitan area of eastern China

Συγγραφείς: Fanhua Konga, Haiwei Yin, Philip James, Lucy R. Hutyra, Hong S. He.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016920461400108X

Περίληψη

Οι αστικές περιοχές θα υποστούν τις μεγαλύτερες αυξήσεις της θερμοκρασίας οι οποίες προκύπτουν από την κλιματική αλλαγή που οφείλεται στο φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας (UHI-Urban Heat Island). Το αστικό πράσινο μετριάζει την Αστική Θερμική Νησίδα και δημιουργεί πιο δροσερά μικροκλίματα. Η έρευνα πεδίου έχει αποδείξει ότι οι θερμοκρασίες μέσα σε πάρκα ή κάτω από τα δέντρα μπορεί να είναι πιο δροσερές από ο, τι στους μη πράσινους χώρους, αλλά λίγα είναι γνωστά σχετικά με τις επιδράσεις της χωρικής δομής των χώρων πρασίνου στις αστικές θερμοκρασίες ή σχετικά με τις βέλτιστες χωρικές δομές που απαιτούνται για το δροσισμό ενός αστικού περιβάλλοντος.

Στη μελέτη αυτή, προκειμένου να εντοπιστούν οι αστικές ψυκτικές νησίδες (UCI-Urban Cool Island) και οι χώροι πρασίνου στην πόλη Nanjing της Κίνας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα, και η μεταξύ τους σχέση μελετήθηκε χρησιμοποιώντας αναλύσεις συσχέτισης.

Εικόνα 1: Χάρτης της περιοχής Nanjing και της περιοχής μελέτης. Η ψευδέγχρωμη εικόνα του δορυφόρου IKONOS απεικονίζεται με το έγχρωμο σύνθετο 4-3-2 (εγγύς υπέρυθρο, κόκκινο και πράσινο)

1. Περιοχή μελέτης

Η πόλη Nanjing (31°14’- 32°37’ Ν, 118°22’ -119°14’ Ε) (Εικ. 1), η πρωτεύουσα της επαρχίας Jiangsu, Κίνα, βρίσκεται στο δυτικό άκρο του Δέλτα του ποταμού Yangtze. Η μητροπολιτική περιοχή της πόλης Nanjing, η οποία περιλαμβάνει 11 επαρχίες, καλύπτει μια έκταση 4733 km2, και το 2010 είχε πληθυσμό περίπου 6,3 εκατομμύρια (Nanjing Municipal Bureau Statistics, 2011). H Nanjing έχει ένα υποτροπικό κλίμα μουσώνων με τέσσερις εποχές και με μέση ετήσια θερμοκρασία 15°C (Jim & Chen, 2003). Από το 1951, η μέση μέγιστη ημερήσια θερμοκρασία μεταξύ Ιουνίου και Αυγούστου είναι 37.3°C, και σε τρεις περιπτώσεις οι θερμοκρασίες υπερέβησαν τους 40°C (Miao, Pan, και Xu, 2008). Η τοπική βλάστηση αποτελείται από φυλλοβόλα πλατύφυλλα και αειθαλή βελονόφυλλα δάση και θαμνοχορταρικές κοινότητες. Τα κυρίαρχα είδη δέντρων είναι Platanus acerifolia, Juniperus chinensis και Ligustrum lucidum (Jim & Chen, 2003). Η περιοχή που εξετάζεται στην παρούσα μελέτη περιλαμβάνει την αστικοποιημένη περιοχή της Nanjing και μέρος των προαστίων της, έκτασης 432 km2 περίπου.

2. Δεδομένα & μεθοδολογία

2.1. Προ-επεξεργασία εικόνας και ανάκτηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους (LST)

Εικόνα 2: (α) Χάρτης χρήσεων γης της περιοχής μελέτης το 2009 βασισμένο σε δορυφορική εικόνα IKONOS. (β) Χωρική κατανομή της επιφανειακής θερμοκρασίας εδάφους της περιοχής μελέτης στις 13 Ιουνίου 2009, που προέρχεται από εικόνα του Landsat 5 Thematic Mapper.

Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται στην παρούσα έρευνα περιλαμβάνουν εικόνες IKONOS (18 Ιουνίου 2009, τέσσερα κανάλια, 3,2 m χωρική ανάλυση), εικόνες Landsat TM 5 (13 Ιουνίου 2009) και μετεωρολογικά δεδομένα. Οι εικόνες IKONOS υποβλήθηκαν σε αναγωγή και γεωαναφορά στο σύστημα συντεταγμένων Universal Transverse Mercator (UTM). Με βάση τις εικόνες IKONOS, δημιουργήθηκε ένας χάρτης χρήσεων γης/κάλυψης γης με τη βοήθεια της πλατφόρμας ArcMap (Environmental Systems Research Institute, Inc., Redlands, CA, USA), σε συνδυασμό με επιτόπιες έρευνες και μελέτες πεδίου, όπου κρίθηκε απαραίτητο. Οι χρήσεις γης, οι οποίες ταξινομούνται σε έξι κατηγορίες, είναι οι εξής: αδιαπέραστη επιφάνεια, δασική βλάστηση (δέντρα με θάμνους και γρασίδι), άλλη βλάστηση (θάμνοι και χόρτα), νερό, γεωργική γη και άγονη γη (εικόνα 2α). Για την πραγματοποίηση της ανάλυσης κινούμενου παραθύρου, τα vector δεδομένα για τις χρήσεις γης μετατράπηκαν σε μορφή πλέγματος με βήμα καννάβου 5m × 5m. Η εικόνα Landsat 5 Thematic Mapper (row/path: 120/38) στις 10.29 π.μ. (τοπική ώρα), 13 Ιουνίου του 2009, χρησιμοποιήθηκε για να ανακτηθεί η LST (Land Surface Temperature). Αυτή η Landsat εικόνα υποβλήθηκε σε αναγωγή σε ένα κοινό σύστημα συντεταγμένων UTM με βάση την εικόνα IKONOS, και μετασχηματίστηκε με τη χρήση του αλγορίθμου του εγγύτερου γείτονα με μέγεθος pixel 30m × 30m για όλα τα κανάλια. Η LST ανακτήθηκε από τα δεδομένα του θερμικού υπέρυθρου του καναλιού 6 (120m χωρική ανάλυση) του Θεματικού Χαρτογράφου του δορυφόρου Landsat 5. Η μεθοδολογία για την ανάκτηση της LST βασίζεται στον αλγόριθμο Mono-Window (MWA) των Qin, Karnieli και Berliner (2001). Το πρόγραμμα Mono-window Algorithm «έτρεξε» στο χωρικό μοντέλο του λογισμικού ERDAS (9.2). Ο χάρτης της LST στη συνέχεια αναπροσαρμόστηκε σε μέγεθος 5m × 5m για να ταιριάζει με το χάρτη χρήσεων γης (εικόνα 2β).

2.2. Μέθοδος του κινούμενου παραθύρου και μέγεθος του παραθύρου που επιλέχθηκε

Εικόνα 3: (a-d) Συσχέτιση του ποσοστού δασικής βλάστησης (PLAND) και της μεταβολής της θερμοκρασίας (°C), για διαφορετικά μεγέθη παραθύρων: (a) 60m x 60m, (b) 120m x 120m, (c) 240m x 240m, και (d) 480m x 480m.

Καθώς έχει διαπιστωθεί από προηγούμενες μελέτες ότι η ψυκτική επίδραση ενός χώρου πρασίνου σχετίζεται με την κλίμακά του (Li et al, 2011; Liu & Weng, 2009), τέσσερα μεγέθη παραθύρων ελέχθησαν (60 m × 60 m, 120 m × 120 m, 240 m × 240 m και 480 m × 480 m) για να βρεθεί το βέλτιστο μέγεθος, προκειμένου να διερευνηθεί η σχέση μεταξύ της μεταβολής της θερμοκρασίας – η διαφορά μεταξύ της τοπικής LST και της μέσης LST της περιοχής μελέτης- και της δομής των χώρων πρασίνου μέσα στον αστικό χώρο.

Για τον υπολογισμό του ποσοστού της δασικής βλάστησης (PLAND) που εμπεριέχεται στο επιλεγόμενο παράθυρο, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του κινούμενου παραθύρου, καθώς υφίσταται μια σημαντική σχέση ανάμεσα στο ποσοστό της δασικής βλάστησης και στη θερμοκρασία (εικ. 3a-d), σε διαφορετικά μεγέθη παραθύρων. Για να διασφαλιστεί ότι τα περισσότερα τεμάχια γης (patches) δασικής βλάστησης δεν θα διαιρεθούν από τη χρήση ενός μικρού μεγέθους παραθύρου, και ότι υπάρχουν επαρκή δείγματα για τη διεξαγωγή της ανάλυσης της σχέσης ανάμεσα στη μεταβολή της θερμοκρασίας και της χωρικής δομής της δασικής βλάστησης, το μέγεθος του παραθύρου που επιλέχθηκε είναι 240m x 240m. Τα αποτελέσματα που απεικονίζονται στην εικ.3c παρουσιάζουν μια καλή προσαρμογή (R2 = 0,873)κατά τη χρήση του συγκεκριμένου μεγέθους παραθύρου.

3. Αποτελέσματα

Στην περιοχή μελέτης εντοπίστηκαν δύο εκτεταμένες και κυρίαρχες UCIs: η μία κατά μήκος του ποταμού Yangtze (συμπεριλαμβανομένου του Όρους Mufu) και η δεύτερη στο Purple Mountain (συμπεριλαμβανομένης της λίμνης Xuanwu) (Εικ. 4α) .Επιπλέον, πολλές μικρότερες UCI στην πόλη ακολουθούν τη διαδρομή του ποταμού Qinhuai (Εικ. 4α). Οι UCIs προσδιορίζονται σαφώς στο νότιο τμήμα της περιοχής μελέτης, ενώ λιγότερες βρίσκονται κοντά στην περοχή της Xinjiekou (Εικ. 4β). Από τη διερεύνηση των γενικών χαρακτηριστικών κάθε νησίδας, προέκυψε ότι οι αστικές ψυκτικές νησίδες καλύπτουν έκταση 138 km2 , δηλ. περίπου το 32% του συνόλου της περιοχής μελέτης. Το 40% των UCI αποτελείται από δασική βλάστηση και το 35% από νερό.

Εικόνα 4: (α) Εικόνα που χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των αστικών ψυκτικών νησίδων (UCIs), στις οποίες παρατηρείται μικρότερη LST σε σχέση με την περιοχή μελέτης.(β) Οι ψυκτικές νησίδες των χώρων πρασίνου (GCIs) στην περιοχή μελέτης.

Από την ανάλυση προέκυψε ότι η μεγαλύτερη επίδραση δροσισμού (-4.9°C) εντοπίστηκε σε ένα παράθυρο που καλύπτεται πλήρως από δασική βλάστηση. Η ανάλυση της επίδρασης άλλων ειδών βλάστησης (θάμνων και χορταριού) στο δροσισμό, δείχνει ότι εάν το παράθυρο καλύπτεται πλήρως (σε ποσοστό 99,69% σύμφωνα με τον υπολογισμό) από άλλη βλάστηση, τότε σχηματίζεται αστική ψυκτική νησίδα αλλά η γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης της σχέσης μεταξύ της αλλαγής της θερμοκρασίας και του ποσοστού της βλάστησης δεν είναι τόσο ισχυρή. Έτσι, οι επόμενες ενότητες της εργασίας εστιάζονται στην επίδραση της δασικής βλάστησης.

Επίσης, σημαντική επίδραση ψύξης έχει και το νερό, όταν καλύπτει πάνω από το 20,7% του επιλεγμένου μεγέθους του παραθύρου, χωρίς να υπάρχει βλάστηση ή γεωργικές εκτάσεις. Η επίδραση της γεωργικής γης στη μεταβολή της θερμοκρασίας είναι επίσης στατιστικά σημαντική, αλλά το αποτέλεσμα δεν είναι τόσο ισχυρό όσο εκείνου της δασικής βλάστησης ή του νερού, όπως υποδεικνύεται από τους συντελεστές παλινδρόμησης.

Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν τα εξής:

(1) Περιοχές με υψηλότερο ποσοστό δασικής βλάστησης παρουσιάζουν μεγαλύτερη ψυκτική ικανότητα, με μια αύξηση της έκτασης της δασικής βλάστησης κατά 10% να έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της επιφανειακής θερμοκρασίας κατά 0,83°C,

(2) Μια ανάλυση συσχέτισης του μέσου μεγέθους τεμαχίου γης (patch), της πυκνότητάς του και ενός δείκτη συνάθροισης της δασικής βλάστησης με τη μείωση της θερμοκρασίας, έδειξε ότι για ένα συγκεκριμένο ποσό δασικής βλάστησης, κατατετμημένοι χώροι πρασίνου παρέχουν επίσης αποτελεσματικό δροσισμό,

(3) Η χωρική διάταξη της UCI έχει ισχυρή συσχέτιση με τη διάταξη των χώρων πρασίνου: ο σχηματισμός μιας νησίδας πρασίνου στην ενδοχώρα παρέχει ένα αποτελεσματικό μέσο για την ενίσχυση του δροσισμού, και

(4) η ένταση της επίδρασης ψύξης αντανακλάται στα χαρακτηριστικά της ψυκτικής νησίδας.

4. Συζήτηση & επίλογος

Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιώντας μετρικά χαρακτηριστικά του τοπίου, αναπτύχθηκε μία μέθοδος για τον προσδιορισμό της κλιμακωτής επίδρασης της σχέσης ανάμεσα στη διάταξη των χώρων πρασίνου και στην ψυκτική τους δράση, ενώ διερευνήθηκε η επίδρασή τους σε πολλαπλές κλίμακες, αντί να στηρίζεται σε περιπτωσιολογικές μελέτες και επιβεβαιώθηκε ότι η μέση θερμοκρασία είναι σημαντικά χαμηλότερη στους χώρους πρασίνου και υψηλότερη σε περιοχές με αδιαπέραστες επιφάνειες (πίνακας 1).

Πίνακας 1: Συσχετισμός της μέσης LST για διαφορετικές χρήσεις γης/κάλυψης γης και της ψυκτικής επίδρασης (σε °C).

Πολλές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η βλάστηση παρέχει μια ψυκτική επίδραση στις αστικοποιημένες περιοχές, και ότι οι στρατηγικές που σχετίζονται με τη διατήρηση και την αύξηση της φυτοκάλυψης στις αστικές περιοχές έχουν τη δυνατότητα να συμβάλουν σημαντικά στο δροσισμό του αστικού περιβάλλοντος. Ωστόσο, υπάρχει έλλειψη του δημοσιευμένου υλικού που αφορά στην εφαρμογή και την ανάλυση της ευαισθησίας των μετρικών χαρακτηριστικών του τοπίου που να συνεκτιμά τη σχέση της δομής των πράσινων χώρων και της ψυκτικής τους επίδρασης.

Tα αποτελέσματα αυτής της έρευνας σχετικά με τις επιδράσεις δροσισμού της αστικής δασικής βλάστησης σε πολλαπλές κλίμακες παρουσιάζουν περιορισμούς, που καθιστούν την ανάγκη για περαιτέρω έρευνα δικαιολογημένη. Η μελλοντική έρευνα σχετικά με την επίδραση δροσισμού της δασικής βλάστησης, καθώς και τα χαρακτηριστικά και τους παράγοντες που επηρεάζουν τις ψυκτικές νησίδες, θα πρέπει επίσης να εξετάσει την επίδραση της σκιάς των κτηρίων και των αστικών φαραγγιών στο αστικό θερμικό περιβάλλον και το μικροκλίμα.

Σε κάθε περίπτωση, τα αποτελέσματα της μελέτης προσφέρουν στους πολεοδόμους και στους διαχειριστές των φυσικών πόρων σημαντικές θεωρητικές και πρακτικές πληροφορίες σχετικά με το σχεδιασμό και τη διαχείριση του αστικού πρασίνου, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσαρμογή και το μετριασμό των επιπτώσεων των Αστικών Θερμικών Νησίδων, οι οποίες θα συνεχίσουν να αναπτύσσονται καθώς το κλίμα αλλάζει. Επιπλέον, η ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης στο θερμικό υπέρυθρο σε μελέτες τοπίου επιτρέπει την καλύτερη μέτρηση των σχέσεων των προτύπων και των διαδικασιών σε πολλαπλές κλίμακες.