DOI: https://doi.org/10.1007/s44274-025-00501-6
تاريخ النشر: 2026-01-04
المؤلف: Ernest Biney وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخفيف تأثير الجزر الحرارية الحضرية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير التحضر السريع على استخدام الأراضي والبيئات الحرارية السطحية في سيكوندي-تاكورادي، غانا، مع التركيز على تأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) من 1991 إلى 2023. باستخدام تقنيات الجغرافيا المكانية والنماذج الإحصائية، تحلل الدراسة تغييرات تغطية الأراضي، كاشفة عن توسع كبير بنسبة 32.91% في المناطق المبنية (63.07 كم²) وانخفاض متزامن في الغطاء النباتي (32.82%، أو 60.99 كم²) والمسطحات المائية (1.09%، أو 2.08 كم²). أدى هذا التحول إلى زيادة قدرها 3.1 °C في متوسط درجة حرارة سطح الأرض (LST). تستخدم الدراسة صور لاندسات وخوارزمية الغابة العشوائية لتصنيف استخدام الأراضي/تغطية الأراضي (LULC)، بينما تقيم نماذج المربعات الصغرى العادية (OLS) والانحدار الجغرافي المدروس (GWR) العلاقة بين LST والعوامل المكانية، حيث يظهر GWR أداءً متفوقًا بسبب قدرته على حساب التباين المكاني.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم للتوسع الحضري غير المنظم في تفاقم تأثيرات UHI وتبرز الحاجة إلى استراتيجيات تخطيط حضري مستدامة. تدعو الدراسة إلى سياسات تعطي الأولوية لتخفيف UHI في أكثر الأنماط الحضرية حرارة، موصية بتدابير مثل نسب المساحات الخضراء الدنيا، والأسطح ذات الانعكاسية العالية، والحفاظ على الغطاء النباتي والمسطحات المائية. كما تؤكد على دمج خرائط الأنماط وخرائط LST في التقييمات البيئية لتخفيف النقاط الساخنة الحرارية. بينما تعترف بالقيود مثل دقة البيانات المكانية لبيانات لاندسات واستبعاد العوامل الاجتماعية والاقتصادية، توفر الدراسة أساسًا تجريبيًا قويًا للتخطيط الحضري المستجيب للمناخ وإصلاح السياسات في سيكوندي-تاكورادي.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير للتوسع الحضري السريع، خاصة في المناطق النامية مثل إفريقيا، على المناظر الطبيعية الطبيعية والأنظمة المناخية المحلية. أدى تحول المناطق المزروعة والقابلة للاختراق إلى أسطح غير قابلة للاختراق إلى زيادة في متوسط درجات حرارة السطح، حيث أصبحت تأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) بارزة بسبب عوامل مثل شكل المدينة وممارسات البناء. تشير الورقة إلى ارتفاع متوسط درجة الحرارة العالمية بنحو 1.53 °C يُعزى إلى التحضر، مما يبرز التأثيرات المتتالية على أنماط هطول الأمطار، وجودة الهواء، ورفاهية الإنسان. في غانا، زاد التحضر بشكل كبير، خاصة في سيكوندي-تاكورادي، التي شهدت زيادة بنسبة 25.4% في التحضر اعتبارًا من 2021، مدفوعة بالتصنيع والأنشطة الاقتصادية.
تستخدم الدراسة نظم المعلومات الجغرافية (GIS) والاستشعار عن بعد (RS) لتحليل تغييرات استخدام الأراضي وتغطية الأراضي (LULC) وعلاقتها بدرجة حرارة سطح الأرض (LST) في سيكوندي-تاكورادي. تتناول الفجوات في الأبحاث السابقة من خلال دمج عوامل مكانية إضافية مثل القرب من الطرق والمسطحات المائية، وارتفاع التضاريس، إلى جانب عوامل تغطية الأراضي التقليدية. من خلال استخدام بيانات لاندسات متعددة الزمن ونماذج إحصائية متقدمة، تهدف الدراسة إلى تقديم تقييم شامل لكيفية تأثير التوسع الحضري والعوامل المكانية على الأنماط الحرارية في هذه المدينة الساحلية. تهدف النتائج إلى إبلاغ التخطيط الحضري والمساهمة في تطوير بيئات حضرية مقاومة للمناخ، مما يساعد السلطات المحلية في تصميم استراتيجيات نمو مستدامة.
الطرق
في قسم “الطرق”، يحدد المؤلفون العمليات المختلفة المستخدمة في دراستهم، والتي تم تصنيفها إلى مواضيع فرعية محددة من أجل الوضوح. تلخص الرسوم البيانية، الموضحة في الشكل 1، الأساليب التحليلية الرئيسية المستخدمة طوال البحث. تسهل هذه الطريقة المنظمة فهمًا شاملاً للمنهجيات المطبقة، مما يضمن أن تكون النتائج مستندة إلى إطار تحليلي قوي.
النتائج
تؤكد نتائج هذه الدراسة على أهمية استخدام إطار تحليلي متعدد الجوانب، يتضمن خرائط استخدام الأراضي وتغطية الأراضي (LULC) متعددة الزمن، والانحدار الجغرافي المدروس (GWR)، والنماذج المضافة العامة (GAM)، وتحليل الأنماط لتقييم التفاعل بين التوسع الحضري والعوامل المكانية على درجة حرارة سطح الأرض (LST). لا توفر هذه المنهجية نموذجًا قابلًا للتكرار لمدن غرب إفريقيا الأخرى لتحليل ديناميات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) فحسب، بل تؤكد أيضًا على ضرورة اعتماد الباحثين لأساليب مرنة في تحقيقاتهم.
بالنسبة لصانعي السياسات ومخططي المدن، وخاصة داخل الجمعية الحضرية لسيكوندي-تاكورادي (STMA)، تدعو النتائج إلى التحول من التخطيط التقليدي الذي يركز على التوسع نحو تنظيمات استخدام الأراضي الحساسة للمناخ. تسلط الدراسة الضوء على المخاطر المرتبطة بالنمو الصناعي والسكني غير المنضبط، والذي قد يؤدي إلى تفاقم الحرارة الحضرية وطلبات الطاقة، مما يهدد الصحة العامة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن المناطق القريبة من ممرات النقل والمناطق التجارية هي حاسمة لاستراتيجيات التخفيف المستهدفة، مثل تنفيذ معايير الأشجار الشجرية في الشوارع والمعايير الخاصة بالأسطح الباردة. علاوة على ذلك، تدعم البحث دمج بيانات LST في أطر التخطيط الحضري لتحديد النقاط الساخنة الحرارية لمبادرات التشجير. تشير تفوق GWR على المربعات الصغرى العادية (OLS) في التقاط التباين المكاني إلى أنه يجب دمج ديناميات الحرارة الحضرية بشكل صريح في إرشادات التخطيط والتقييمات البيئية، مما يتماشى مع أهداف المرونة المناخية والتنمية المستدامة.
المناقشة
تركز الدراسة على مدينة سيكوندي-تاكورادي، التي تتميز بالتحضر السريع والنمو السكاني الكبير، الذي ارتفع من 559,548 في 2010 إلى حوالي 120,000 بحلول 2024. تغطي المنطقة 191.7 كم²، وتتمتع بمناخ استوائي مع درجات حرارة سنوية تتراوح بين 22 °C و27 °C وهطول أمطار يتراوح بين 1300-1400 مم. تسلط الدراسة الضوء على الانخفاض الحاد في تغطية الغطاء النباتي، مما يزيد من الضغط الحراري ويساهم في تأثيرات جزيرة الحرارة الحضرية (UHI)، مما يجعلها موقعًا ذا صلة لتحليل تقلبات درجة حرارة سطح الأرض (LST).
باستخدام صور لاندسات الخالية من السحب من 1991 إلى 2023، استخدمت الدراسة مصنف الغابة العشوائية لتحليل استخدام الأراضي/تغطية الأراضي (LULC)، محققة دقة تصنيف عالية (دقة إجمالية تبلغ 96% في 2023). تكشف النتائج عن تحول دراماتيكي في تغطية الأراضي، مع فقدان ملحوظ بنسبة 18% من المناطق المزروعة بين 2016 و2023 بسبب التمدد الحضري. تشير تحليل المؤشرات الطيفية، بما في ذلك مؤشر الفرق النباتي المعدل (NDVI) ومؤشر الفرق المعدل للمناطق المبنية (NDBI)، إلى وجود علاقة بين التحضر وتدهور صحة الغطاء النباتي. تظهر بيانات LST زيادة كبيرة في درجات حرارة السطح، حيث ارتفعت درجة حرارة السطح القصوى من 29.6 °C في 1991 إلى 33.9 °C في 2023، مما يبرز تأثير UHI المتزايد الناجم عن التوسع الحضري وفقدان الغطاء النباتي. تتماشى هذه الاتجاهات مع الأنماط الأوسع التي لوحظت في مدن ساحلية أخرى تتوسع بسرعة في غرب إفريقيا، مما يبرز التحديات البيئية التي تطرحها النمو الحضري غير المنظم.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44274-025-00501-6
Publication Date: 2026-01-04
Author(s): Ernest Biney et al.
Primary Topic: Urban Heat Island Mitigation
Overview
This research investigates the impact of rapid urbanization on land use and surface thermal environments in Sekondi-Takoradi, Ghana, focusing on urban heat island (UHI) effects from 1991 to 2023. Utilizing geospatial techniques and statistical models, the study analyzes land cover changes, revealing a significant 32.91% expansion of built-up areas (63.07 km²) and a corresponding decline in vegetation (32.82%, or 60.99 km²) and water bodies (1.09%, or 2.08 km²). This transformation has led to a 3.1 °C increase in mean land surface temperature (LST). The research employs Landsat imagery and the random forest algorithm for land use/land cover (LULC) classification, while Ordinary Least Squares (OLS) and Geographically Weighted Regression (GWR) models assess the relationship between LST and spatial determinants, with GWR demonstrating superior performance due to its ability to account for spatial heterogeneity.
The findings underscore the critical role of unregulated urban expansion in exacerbating UHI effects and highlight the need for sustainable urban planning strategies. The study advocates for policies that prioritize UHI mitigation in the hottest urban archetypes, recommending measures such as minimum green space ratios, high albedo roofing, and the preservation of vegetation and water bodies. It also emphasizes the integration of archetype and LST maps into environmental assessments to mitigate heat hotspots. While acknowledging limitations such as the spatial resolution of Landsat data and the exclusion of socio-economic factors, the research provides a foundational empirical basis for future climate-sensitive urban planning and policy reforms in Sekondi-Takoradi.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant impact of rapid urban expansion, particularly in developing regions like Africa, on natural landscapes and local climate systems. The transformation of vegetated and permeable areas into impervious surfaces has led to increased average surface temperatures, with urban heat island (UHI) effects becoming pronounced due to factors such as city morphology and construction practices. The paper cites a global average temperature rise of approximately 1.53 °C attributed to urbanization, emphasizing the cascading effects on rainfall patterns, air quality, and human well-being. In Ghana, urbanization has surged, particularly in Sekondi-Takoradi, which has experienced a 25.4% increase in urbanization as of 2021, driven by industrialization and economic activities.
The study employs Geographic Information Systems (GIS) and remote sensing (RS) to analyze land use and land cover (LULC) changes and their relationship with land surface temperature (LST) in Sekondi-Takoradi. It addresses gaps in previous research by incorporating additional spatial determinants such as proximity to roads and water bodies, and terrain elevation, alongside traditional land cover factors. By utilizing multi-temporal Landsat data and advanced statistical models, the research aims to provide a comprehensive assessment of how urban expansion and spatial drivers influence thermal patterns in this coastal city. The findings are intended to inform urban planning and contribute to the development of climate-resilient urban environments, ultimately aiding local authorities in designing sustainable growth strategies.
Methods
In the “Methods” section, the authors outline the various processes employed in their study, which are categorized into specific subthemes for clarity. A graphical summary, depicted in Figure 1, illustrates the key analytical methods utilized throughout the research. This structured approach facilitates a comprehensive understanding of the methodologies applied, ensuring that the findings are grounded in a robust analytical framework.
Results
The findings of this study underscore the significance of employing a multi-faceted analytical framework, incorporating multi-temporal land use and land cover (LULC) mappings, Geographically Weighted Regression (GWR), Generalized Additive Models (GAM), and archetype analysis to assess the interplay between urban expansion and spatial drivers on land surface temperature (LST). This methodology not only provides a replicable model for other West African cities to analyze urban heat island (UHI) dynamics but also emphasizes the necessity for researchers to adopt flexible approaches in their investigations.
For policymakers and urban planners, particularly within the Sekondi-Takoradi Metropolitan Assembly (STMA), the results advocate for a shift from traditional expansion-focused planning towards climate-sensitive land-use regulations. The study highlights the risks associated with unchecked industrial and residential growth, which could exacerbate urban heat and energy demands, thereby threatening public health. Key findings indicate that areas near transport corridors and commercial zones are critical for targeted mitigation strategies, such as the implementation of mandatory street trees and cool pavement standards. Furthermore, the research supports the integration of LST data into urban planning frameworks to identify thermal hotspots for greening initiatives. The superiority of GWR over ordinary least squares (OLS) in capturing spatial heterogeneity suggests that urban heat dynamics must be explicitly integrated into planning guidelines and environmental assessments, thereby aligning with climate resilience and sustainable development goals.
Discussion
The study focuses on the Sekondi-Takoradi metropolis, characterized by rapid urbanization and significant population growth, which has escalated from 559,548 in 2010 to an estimated 120,000 by 2024. The area, covering 191.7 km², experiences an equatorial climate with annual temperatures between 22 °C and 27 °C and rainfall of 1300-1400 mm. The research highlights the critical decline in vegetation cover, which exacerbates thermal stress and contributes to urban heat island (UHI) effects, making it a pertinent site for analyzing land surface temperature (LST) variations.
Utilizing cloud-free Landsat imagery from 1991 to 2023, the study employed a random forest classifier for land use/land cover (LULC) analysis, achieving high classification accuracies (overall accuracy of 96% in 2023). The findings reveal a dramatic transformation in land cover, with a notable 18% loss of vegetated areas between 2016 and 2023 due to urban sprawl. The analysis of spectral indices, including the normalized difference vegetation index (NDVI) and normalized difference built-up index (NDBI), indicates a correlation between urbanization and declining vegetation health. The LST data demonstrate a significant increase in surface temperatures, with maximum LST rising from 29.6 °C in 1991 to 33.9 °C in 2023, underscoring the intensifying UHI effect driven by urban expansion and vegetation loss. These trends align with broader patterns observed in other rapidly urbanizing coastal cities in West Africa, highlighting the ecological challenges posed by unregulated urban growth.