3-5-2- جزایر حرارتی شهری اتمسفری…………………………………… 66

3-5-3- ارتباط دمای سطح و دمای هوا در شهر…………………………… 67

3-5-4- عوامل موثر بر جزایر حرارتی شهری………………………………. 67

3-5-5- جزایر حرارتی شهری و تغییرات اقلیم……………………………… 75

3-5-6- پی آمدهای جزایر حرارتی شهری…………………………………. 76

3-6- خوشه بندی…………………………………………………………….. 77

3-6-1- خوشه بندی…………………………………………………………. 77

3-6-2- روش های خوشه بندی……………………………………………….. 78

3-6-3- تحلیل نقاط بحرانی گتیس-اورد……………………………………. 79

4- فصل چهارم: مواد و روش ها……………………………………………… 83

4-1- مواد تحقیق………………………………………………………………. 83

4-1-1- تصاویر مورد استفاده………………………………………………….. 83

4-1-2- داده های نقشه ای……………………………………………………. 85

4-1-3- نرم افزارهای مورد استفاده…………………………………………… 85

4-2- روش انجام تحقیق………………………………………………………… 85

4-2-1- آماده سازی داده ها …………………………………………………..87

4-2-2- بررسی تغییرات مکانی-زمانی جزایر حرارتی……………………….. 88

4-2-3- استخراج کاربری اراضی………………………………………………… 90

4-2-4- بررسی رابطه پوشش های مختلف با دمای سطح………………….. 90

4-2-5- بررسی رابطه دمای سطح و NDVI……………………………………

5- فصل پنجم: نتایج و بحث…………………………………………………….. 93

5-1- نتایج هم مختصات سازی و اصلاح داده ها ………………………………….93

5-2- بررسی تغییرات مکانی جزایر حرارتی…………………………………….. 94

5-3- استخراج پوشش اراضی……………………………………………………. 112

5-4- بررسی رابطه پوشش های مختلف با دمای سطح……………………… 120

5-5- بررسی رابطه دمای سطح و NDVI و EVI…………………………………

5-6- همبستگی چند متغیره بین پوشش های مختلف و دمای سطح………. 145

6- فصل ششم: جمعبندی و پیشنهادات………………………………………. 154

6-1- مقدمه……………………………………………………………………. 154

بحث و تحلیل نتایج……………………………………………………………… 155

6-2- آزمون فرض ها ………………………………………………………………..161

6-2-1- فرضیات تحقیق…………………………………………………………… 161

6-2-2- نتایج آزمون…………………………………………………………….. 161

6-3- پیشنهادات…………………………………………………………………… 163

فهرست منابع …………………………………………………………………….171

چکیده:

جزایر حرارتی شهری مناطقی از سطح زمین را گویند که نسبت به مناطق همجوار دمای بالاتری دارند. گسترش این پدیده در بعد مکان و زمان متغیر است. ایجاد جزایر حرارتی و تغییرات مکانی و زمانی آن بیشتر تحت تاثیر تغییرات پوشش زمین و گسیل حرارت حاصل از فعالیت های انسانی می باشد. با توجه به تغییرات بالا در واحد زمان و پیوستگی و گسترش مکانی این پدیده سنجش از دور از ابزارهای مناسب برای مطالعه این پدیده می باشد. هدف از این تحقیق مطالعه گسترش جزایر حرارتی و ارتباط دمای سطح زمین با پوشش سطح در کلانشهر های اهواز، اصفهان، تبریز، تهران و مشهد به عنوان مهمترین مراکز جمعیتی و صنعتی ایران است.

جهت دسترسی به هدف فوق گسترش جزایر حرارتی در بازه ی زمانی سال 2007 تا سال 2011 و همچنین ارتباط دمای سطح با پوشش سطح با استفاده از تولیدات سنجنده MODIS در کلانشهرهای نامبرده شده بررسی شده است. بدین منظور با اعمال خوشه بندی بر تولیدات حرارتی MOD11A2 سنجنده مودیس گسترش جزایر حرارتی مورد بررسی قرار گرفته و با استخراج پوشش اراضی از تصاویر ETM+ ارتباط بین تغییرات پوشش سطح و دمای سطح زمین بررسی شده است. تاثیر پوشش های مختلف بر دمای سطح با برازش جداگانه و همچنین برازش توام پوشش ها با دمای سطح زمین و همچنین استفاده از تولیدات شاخص هایپوشش گیاهیMOD13A2 توسط مدل رگرسیونی توسعه یافته مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهند که با گذشت زمان جزایر حرارتی گسترش یافته و در مواردی نیز جزایر حرارتی جدید ایجاد شده است. در دوره مورد بررسی مشهد و اهواز با 77 و 74 درصد گسترش نسبت به هسته اولیه جزایر در سال 2007 بیشترین میزان گسترش جزایر حرارتی و پس از آنها تهران وتبریز و اصفهان به ترتیب با 54، 53 و 33 درصد گسترش نسبت به هسته اولیه جزایر در سال 2007 کمترین میزان گسترش جزایر حرارتی را داشته اند. مدل رگرسیونی توسعه یافته برای برآورد دمای سطح در این شهرها بیانگر شدید بودن اثر کاهشی پوشش گیاهی در شهرهای واقع در اقلیم گرم بود. بعلت ناهمگن بودن سطوح ساخته شده(نواحی مسکونی، صنعتی، فرودگاه و غیره) این سطوح در مواردی رابطه مثبت(اهواز، اصفهان و تهران) و در مواردی نیز رابطه منفی(مشهد و تبریز) با دمای سطح زمین نشان می دهند. استفاده از اطلاعات دقیق پوشش و کاربری جهت مشخص کردن دقیق تر نقش آنها در مطالعات آتی ضروری است.

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1- مقدمه

با توسعه شهرنشینی مقادیر زیادی از مساحت مناطق کشاورزی و جنگلی جای خود را به مناطق شهری داده اند. مناطق شهری مدرن توسط آسفالت، بتون و سایر سطوح غیرقابل نفوذ پوشیده شده اند. رشد شهری به خصوص در شهرهای بزرگ با سرعت زیاد تغییرات پوشش زمین را در پی دارد. از آنجاییکه دمای سطح زمین در هر محدوده ای به خصوصیات مواد تشکیل دهنده سطح و بازتابش انرژی خورشید وابسته می باشد، الگوی حرارتی مناطق شهری نسبت به نواحی غیرشهری تفاوت قابل توجهی دارد. ظرفیت حرارتی بالای سطوح مصالح مورد استفاده در شهرها، کاهش میزان آلبدو و وجود منابع حرارتی ناشی از فعالیت های انسانی موجب افزایش دمای برخی مناطق شهری نسبت به دیگر مناطق و تغییرات بیلان حرارتی این نواحی می شوند. بنابراین در مناطق شهری بسته به پوشش ها و کاربری های موجود، مناطقی با درجه حرارت بیشتر از سایر نواحی به وجود می آیند، این پدیده به نام جزیره حرارتی شهرها^[1]نامگذاری شده است.

علاوه بر اینکه این افزایش دما به نوبه خود اثر قابل توجهی بر روی شرایط اتمسفری، زیستی و اقتصادی دارد، تخمین میزان حرارت سطح در مناطق مختلف شهری به منظور بررسی توزیع دمایی سطح زمین و علل پیدایش آن کاربردهای فراوانی مانند تعیین نقش ترافیک وشهرک های صنعتیدر گرم شدن شهرها دارد. لذا بررسی و آنالیز پدیده جزایر حرارتی در شهرها بسیار حائز اهمیت می باشد.

تصاویر سنجش از راه دور به دلیل پوشش وسیع، بهنگام بودن و توانایی کسب اطلاعات در محدوده حرارتی طیف الکترومغناطیس، منبع اطلاعاتی مناسبی در تهیه نقشه های حرارتی و تخمین انرژی تشعشعی سطح زمین می باشند. در این مطالعه تولیدات مربوط به حرارت و پوشش های سطح زمین سنجنده MODIS ماهواره Terra برای بررسی روند مکانی-زمانی جزایر حرارتی و ارتباط این پوشش ها با تغییرات جزایر حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است.

2-1- طرح مسئله و ضرورت تحقیق

در قرن بیستم شهرسازی با سرعت زیاد در مقیاس جهانی اتفاق افتاد. با توجه به تخمین سازمان ملل تقریبا نیمی از مردم جهان در شهرها زندگی می کنند. در جوامع غربی این رقم به بالاتر از 75 درصد هم می رسد (UN,1999).

مطابق نتایج سرشماری عمومی نفوس و مسکن سال 1385، در حدود 30 درصد از جمعیت هفتاد میلیونی ایران در سیزده شهر دارای بیش از پانصد هزار نفر جمعیت زندگی می کنند. این سیزده شهر به ترتیب عبارتند از: تهران، مشهد، اصفهان، تبریز، کرج، شیراز، اهواز، قم، کرمانشاه، ارومیه، زاهدان، رشت و کرمان. از بین این شهرها نیز سهم شش شهر دارای بیش از یک میلیون نفر جمعیت، 22درصد و سهم شهر 7،800،000 نفری تهران، به تنهایی 11 درصد می باشد. (مرکز آمار ایران).

در حالی که شهرها توسعه پیدا می کنند، تغییراتی در سیمای زمین ایجاد می شود. ساختمان ها، خیابان ها و دیگر زیر ساخت ها جایگزین خاک و پوشش گیاهی می شود. سطوحی که پیش از آن معمولا قابل نفوذ و مرطوب بودند، غیر قابل نفوذ و خشک می شوند. انرژی ورودی جذب شده خورشید، ممکن است با تغییر در سطوح طبیعی افزایش یابد (Yamaguchi,2004). این امر منجر به تغییر در توازن انرژی مناطق شهری که موجب افزایش دما (هم در سطح و هم دمای هوا) در مناطق شهری و در نهایت شکل گیری جزایر حرارتی می شود.

جزایر حرارتی شهری به خاطر اثرشان روی زندگی بسیاری از انسان ها بسیار مورد توجه قرار می گیرند. جزایر حرارتی شرایط آب و هوایی تابستان را سخت تر و استفاده از دستگاه های تهویه هوا را بیشتر می کنند. شرایط ازن تحت تأثیر گسیلش، اختلاط و پراکندگی انعکاسات شیمیایی در اتمسفر قرار می گیرد و جزایر حرارتی شهری منجر به تشدید آن می شود. علاوه بر این با افزایش دما، تولیدهیدروکربنگیاهان افزایش می یابد که خود از دلایل افزایش آلودگی هوا می باشد (Sailor, 2007). در کنار این نتایج آشکار جزایر حرارتی، این پدیده روی آب و هوای محلی مانند تغییر الگوی بادهای محلی، رشد ابر و مه، تعداد رعد و برق و میزان بارش نیز اثر گذار است.

امروزه مطالعات بر روی شرایط دمایی مناطق شهری بسیار مورد توجه می باشد. مطالعات اخیر در چهل سال گذشته توانسته اند نقش پدیده های اصلی موثر در شکل گیری و تداوم جزایر حرارتی شهری را از لحاظ کمی تعیین کنند. بطور سنتی منبع اصلی و رایج داده های اقلیمی از جمله دمای هوا، ایستگاه هایهواشناسیهستند. این ایستگاه ها فقط آمار نقاط خاصی را ارائه می کنند. در بعضی مواقع دمای هوا در یک منطقه یا شهر مقدار معینی گزارش می شود در صورتی که این مقدار مربوط به موقعیت یک نقطه ی خاص از شهر است و چه بسا با توجه به پوشش سطح زمین و دیگر شرایط، دما در نقاط مختلف همان شهر پایین تر یا بالاتر باشد. به منظور حل این مشکل، تاکنون روش های مختلفی برای محاسبه و برآورد داده های هواشناسی در حد فاصل ایستگاه ها ارائه شده است. از جمله این روش ها می توان به استفاده از رابطه دما با ارتفاع و روش های مختلف درون یابی از قبیل میانگین وزنی فاصله معکوس و صورت های مختلف کریجینگ اشاره کرد (Wang et al. 2004). روش رابطه دما با ارتفاع تنها برای مناطق کوهستانی کوچک و روش های درون یابی برای مناطق با شرایط یکنواخت متناسب است. از آنجا که دمای سطح زمین وابستگی زیادی به نوع پوشش سطح زمین دارد، روش های مختلف درون یابی، هنگامی می توانند دارای دقت قابل قبولی باشند که با استفاده از داده های ماهواره ای، پوشش سطح زمین را نیز در نظر بگیرند (Yang et al. 2004). در سال های اخیر تکنولوژی سنجش از دور با ارائه ی تصاویر با قدرت تفکیک های مختلف کاربرد فراوانی در مطالعه و پایش جزایر حرارتی شهری در مقیاس های مختلف قاره ای و منطقه ای پیدا کرده است. داده های فیزیکی کمّی که توسط ماهواره ها تولید می شود، موجب درک بیشتر ما از محیط های شهری و غیر شهری می شوند. به ویژه در طول دو دهه گذشته نیاز فراوان به اطلاعات دمای سطح زمین برای مطالعات محیطی و فعالیت های مدیریتی منابع زمینی، برآورد دمای سطح زمین توسط تکنولوژی سنجش از دور را به یکی از موضوعات جالب توجه علمی تبدیل کرده است(Sobrino, 2004).