DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-024-06431-5
تاريخ النشر: 2024-02-15
المؤلف: Mehmet Çetin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخفيف تأثير الجزر الحرارية الحضرية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) وتغيرات درجة حرارة سطح الأرض (LST) في قيصري، تركيا، من 2013 إلى 2022، باستخدام صور الأقمار الصناعية من لاندسات 8 ولاندسات 9. تركز الدراسة على أربعة أحياء—كوكاسنان، ميليكغازي، تالاس، وحاجılar—وتحلل مؤشر الفرق النباتي المعياري (NDVI) ومؤشر الفرق المعياري للبناء (NDBI) لاستكشاف علاقاتهما مع LST وUHI. تشير النتائج إلى أن 65% و88% من منطقة الدراسة أظهرت استقرارًا في NDVI وNDBI، على التوالي، بينما شهدت 20% زيادات في NDVI و4% فقط في NDBI. تسلط الدراسة الضوء على وجود علاقات سلبية قوية بين UHI وNDVI، وعلاقات إيجابية بين UHI وNDBI، إلى جانب انخفاض في نطاق درجات الحرارة من 21-51 °م في 2013 إلى 18-40 °م في 2022، مع ملاحظات على تباينات كبيرة في موقع الحديقة الوطنية.
تؤكد الدراسة على أهمية فهم التفاعل بين الشكل الحضري، والمساحات الخضراء، وديناميات الحرارة من أجل تخطيط حضري فعال وتخفيف UHI. تقترح أنه على الرغم من محدودية المساحات الشاغرة في قيصري، يمكن أن تحدد التقنيات الجغرافية المناطق المحتملة لتطوير المساحات الخضراء، مما قد يسهل جهود تخفيف UHI بسرعة. تساهم النتائج في فهم أوسع لديناميات UHI وممارسات التخطيط الحضري المستدام، مقدمة رؤى قيمة لصانعي السياسات ومخططي المدن. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف استجابات UHI لتصميم المدن في قيصري ومدن تركية أخرى، مما يعزز قابلية تطبيق هذه النتائج في إدارة البيئة الحضرية.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث القضية الملحة لتأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) التي تفاقمت بسبب التحضر السريع، خاصة في سياق العراق والأحياء المركزية في قيصري، تركيا. تبرز التأثيرات الضارة لـ UHI، بما في ذلك زيادة درجات حرارة السطح، والطلب على الطاقة، ومخاطر الصحة، مع التأكيد على دور تغييرات الغطاء الأرضي، وخاصة العلاقة بين درجة حرارة سطح الأرض (LST) ومؤشرات النبات مثل مؤشر الفرق النباتي المعياري (NDVI) ومؤشر الفرق المعياري للبناء (NDBI). أظهرت الدراسات السابقة أن التحضر يؤدي إلى زيادة الأسطح غير النفاذة وتقليل الغطاء النباتي، مما يعزز تأثيرات UHI، مما يستدعي استراتيجيات تخفيف فعالة من خلال التخطيط الحضري والبنية التحتية الخضراء.
تهدف هذه الدراسة إلى قياس التغيرات الزمانية والمكانية في LST وتأثيرات UHI في قيصري من 2013 إلى 2022، باستخدام تقنيات الاستشعار عن بعد المتقدمة، وتحديدًا صور لاندسات 8 ولاندسات 9. من خلال التركيز على الخصائص الحضرية الفريدة لقيصري، تسعى الدراسة إلى سد فجوة بحثية من خلال تحليل التفاعل بين تغييرات الغطاء الأرضي وتغيرات درجات الحرارة. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قابلة للتنفيذ لمخططي المدن وصانعي السياسات، خاصة في تحديد المناطق التي تحتاج إلى تدخل، مثل تطوير الحدائق الحضرية الجارية، لتعزيز الاستدامة وتخفيف تأثيرات UHI. لا تساهم هذه المقاربة المحلية فقط في الفهم الأوسع لديناميات UHI ولكنها تقدم أيضًا حلولًا عملية مصممة لتحديات محددة تواجه المناطق التي تشهد تحضرًا سريعًا.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج من تحليلات مؤشر الفرق النباتي المعياري (NDVI)، ومؤشر الفرق المعياري للبناء (NDBI)، ودرجة حرارة سطح الأرض (LST)، وتأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) في منطقة الدراسة من 2013 إلى 2022. تشير تحليلات NDVI إلى أن أكثر من 75% من المنطقة ظلت مصنفة كغطاء نباتي منخفض في كلا العامين، مع زيادة طفيفة في الغطاء النباتي المتوسط من 17% إلى 20%، بينما انخفضت مناطق الغطاء النباتي الكثيف بمقدار 10 كم². تظهر نتائج NDBI انخفاضًا بمقدار 29 كم² في المناطق المبنية جدًا، مع زيادة مقابلة بمقدار 12 كم² في المناطق المبنية المنخفضة. من الجدير بالذكر أن تحليلات NDVI وNDBI تكشف عن علاقة عكسية، حيث يرتبط زيادة الغطاء النباتي بانخفاض كثافة البناء.
تراوحت قيم LST من 21 إلى 51 °م في 2013 ومن 18 إلى 40 °م في 2022، مع تصنيف تأثير UHI في الغالب على أنه منخفض جدًا في 2013، وتحول إلى تصنيف أكثر تنوعًا بحلول 2022. وجدت الدراسة علاقة سلبية بين UHI وNDVI، وعلاقة إيجابية بين UHI وNDBI، مما يشير إلى أن زيادة الغطاء النباتي ترتبط بتقليل تأثيرات UHI. يبدو أن إنشاء الحديقة الوطنية في قيصري، الذي بدأ في 2019، قد أثر بشكل إيجابي على تأثير UHI بحلول 2022، مما يشير إلى أن المساحات الخضراء يمكن أن تخفف من الحرارة الحضرية وتعزز الراحة الحرارية في المناطق الحضرية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الغطاء النباتي في تنظيم المناخات الدقيقة الحضرية وتبرز فائدة NDBI كمقياس تكميلي لـ NDVI في تقييم تأثيرات UHI.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على ديناميات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) في قيصري، تركيا، مع التأكيد على العلاقة بين تغييرات الغطاء الأرضي وتغيرات درجات الحرارة من 2013 إلى 2022. تكشف الدراسة عن علاقات سلبية كبيرة بين UHI ومؤشر الفرق النباتي المعياري (NDVI)، إلى جانب علاقات إيجابية مع مؤشر الفرق المعياري للبناء (NDBI). تتماشى هذه النتائج مع الأدبيات الموجودة، مما يشير إلى أن زيادة الغطاء النباتي ترتبط بانخفاض درجات حرارة السطح، بينما تساهم المناطق المبنية في ارتفاع درجات الحرارة. تؤكد الدراسة على أهمية البنية التحتية الخضراء في تخفيف تأثيرات UHI، خاصة في المناطق الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية مثل قيصري.
تشير التحليلات إلى انخفاض ملحوظ في درجة حرارة سطح الأرض (LST) عبر منطقة الدراسة، حيث تراوحت درجات الحرارة من 21 إلى 51 °م في 2013 إلى 18 إلى 40 °م في 2022. تم تحديد موقع الحديقة الوطنية كمنطقة حاسمة حيث حدثت تقلبات كبيرة في درجات الحرارة، مما يشير إلى أن مبادرات التشجير الحضري يمكن أن تؤثر بشكل فعال على الظروف المناخية المحلية. توفر منهجية الدراسة، التي تستخدم صور الأقمار الصناعية من لاندسات 8 ولاندسات 9، إطارًا قويًا لتقييم ديناميات UHI، والتي يمكن تطبيقها على سياقات حضرية أخرى تواجه تحديات مماثلة. بشكل عام، تقدم النتائج رؤى قيمة لمخططي المدن وصانعي السياسات، داعية إلى تطوير استراتيجيات المساحات الخضراء لتعزيز مرونة المدن واستدامتها في قيصري وما بعدها.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-024-06431-5
Publication Date: 2024-02-15
Author(s): Mehmet Çetin et al.
Primary Topic: Urban Heat Island Mitigation
Overview
This research investigates the urban heat island (UHI) effects and land surface temperature (LST) changes in Kayseri, Türkiye, from 2013 to 2022, utilizing Landsat 8 and Landsat 9 satellite imagery. The study focuses on four districts—Kocasinan, Melikgazi, Talas, and Hacılar—and analyzes the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Normalized Difference Built-Up Index (NDBI) to explore their correlations with LST and UHI. Findings indicate that 65% and 88% of the study area showed stability in NDVI and NDBI, respectively, while 20% experienced increases in NDVI and only 4% in NDBI. The research highlights strong negative correlations between UHI and NDVI, and positive correlations between UHI and NDBI, alongside a reduction in temperature range from 21-51 °C in 2013 to 18-40 °C in 2022, with significant variations noted at the National Garden site.
The study underscores the importance of understanding the interplay between urban morphology, green spaces, and temperature dynamics for effective urban planning and UHI mitigation. It suggests that despite limited vacant spaces in Kayseri, geospatial techniques can identify potential areas for green space development, which could facilitate rapid UHI mitigation efforts. The findings contribute to a broader understanding of UHI dynamics and sustainable urban planning practices, offering valuable insights for policymakers and urban planners. Future research is recommended to further explore UHI responses to urban design in Kayseri and other Turkish cities, enhancing the applicability of these findings in urban environmental management.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the pressing issue of Urban Heat Island (UHI) effects exacerbated by rapid urbanization, particularly in the context of Iraq and the central districts of Kayseri, Türkiye. It highlights the detrimental impacts of UHI, including increased surface temperatures, energy demands, and health risks, while emphasizing the role of land cover changes, particularly the relationship between Land Surface Temperature (LST) and vegetation indices such as the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and the Normalized Difference Built-up Index (NDBI). Previous studies have demonstrated that urbanization leads to increased impervious surfaces and reduced vegetation, which intensifies UHI effects, thereby necessitating effective mitigation strategies through urban planning and green infrastructure.
This research aims to quantify spatiotemporal changes in LST and UHI effects in Kayseri from 2013 to 2022, utilizing advanced remote sensing technologies, specifically Landsat 8 and Landsat 9 imagery. By focusing on the unique urban characteristics of Kayseri, the study seeks to fill a research gap by analyzing the interplay between land cover changes and temperature variations. The findings are expected to provide actionable insights for urban planners and policymakers, particularly in identifying areas for intervention, such as ongoing urban park developments, to enhance sustainability and mitigate UHI impacts. This localized approach not only contributes to the broader understanding of UHI dynamics but also offers practical solutions tailored to the specific challenges faced by rapidly urbanizing regions.
Results
The results section presents findings from analyses of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Built-up Index (NDBI), Land Surface Temperature (LST), and Urban Heat Island (UHI) effects in the study area from 2013 to 2022. The NDVI analysis indicates that over 75% of the area remained classified as low vegetation in both years, with a slight increase in medium vegetation from 17% to 20%, while high-density vegetation areas decreased by 10 km². The NDBI results show a decrease of 29 km² in very high built-up areas, with a corresponding increase of 12 km² in low built-up areas. Notably, the NDVI and NDBI analyses reveal an inverse relationship, where increased vegetation correlates with decreased built-up intensity.
The LST values ranged from 21 to 51 °C in 2013 and 18 to 40 °C in 2022, with the UHI effect predominantly classified as extremely low in 2013, shifting to a more varied classification by 2022. The study found a negative correlation between UHI and NDVI, and a positive correlation between UHI and NDBI, indicating that higher vegetation cover is associated with lower UHI effects. The construction of the Kayseri National Garden, which began in 2019, appears to have positively impacted the UHI effect by 2022, suggesting that green spaces can mitigate urban heat and enhance thermal comfort in metropolitan areas. Overall, the findings underscore the importance of vegetation in regulating urban microclimates and highlight the utility of NDBI as a complementary metric to NDVI in assessing UHI effects.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the urban heat island (UHI) dynamics in Kayseri, Türkiye, emphasizing the relationship between land cover changes and temperature variations from 2013 to 2022. The study reveals significant negative correlations between the UHI and the normalized difference vegetation index (NDVI), alongside positive correlations with the normalized difference built-up index (NDBI). These findings align with existing literature, indicating that increased vegetation correlates with lower surface temperatures, while built-up areas contribute to higher temperatures. The research underscores the importance of green infrastructure in mitigating UHI effects, particularly in densely populated urban areas like Kayseri.
The analysis indicates a notable decrease in land surface temperature (LST) across the study area, with temperatures ranging from 21 to 51 °C in 2013 to 18 to 40 °C in 2022. The National Garden site is identified as a critical area where significant temperature fluctuations occurred, suggesting that urban greening initiatives can effectively influence local climate conditions. The study’s methodology, utilizing satellite imagery from Landsat 8 and Landsat 9, provides a robust framework for assessing UHI dynamics, which can be applied to other urban contexts facing similar challenges. Overall, the findings offer valuable insights for urban planners and policymakers, advocating for strategic green space development to enhance urban resilience and sustainability in Kayseri and beyond.