بررسی جزیره حرارتی شهر مشهد با استفاده از تصاویر ماهواره ای و نظریه فرکتال

بررسي جزيره حرارتي شهر مشهد با استفاده از تصاوير ماهواره اي و نظريه فركتال

دكترمحمد موسوي بايگي

1 دانشيار هواشناسي، دانشگاه فردوسي مشهد، ايران

بتول اشرف دانشجوي دكتراي هواشناسي كشاورزي، دانشگاه فردوسي مشهد، ايران

دكتر عليرضا فريد حسيني استاديار منابع آب، دانشگاه فردوسي مشهد، ايران

آمنه ميان آبادي دانشجوي دكتراي هواشناسي كشاورزي، دانشگاه فردوسي مشهد، ايران

چكيده

رشد جمعيت و توسعه شهرنشيني يكي از عوامل مؤثر بر افزايش دماي هوا در نواحي شهري است كه و

موجب ايجاد جزيره حرارتي بر روي اين مناطق در مقايسه با محيط اطراف ميشود و اثرات ناشي از آن مي

تواند نقشي اساسي و مهم در كيفيت هوا داشته و به تبع آن، سلامت عمومي ايفا كند

. در اين پژوهش، تصاوير

ماهواره لندست هفت در تاريخ

6 اگوست ETM+ ماهواره لندست پنج در تاريخ 25 ژوئيه 1992 و TM

2002

براي بررسي جزيره حرارتي شهر مشهد مورد بررسي قرار گرفته و نقشه هاي دما و كاربري اراضي با

استفاده از آن ها تهيه شده است

. براي بررسي بهتر اين پديده، نيمرخهايي در جهت شمالي - جنوبي ، شرقي -

غربي و شمال غربي

- جنوب شرقي در نظر گرفته شده است. علاوه بر اين براي داشتن درك بهتري از رفتار

حرارتي پوششهاي مختلف و اثرات الگوي فضاي سبز بر دماي محيط، بعد فركتالي اين نيمرخها با استفاده از

روش تقسيم كننده، محاسبه گرديده است

. نتايج نشان داده دماي تابشي سطح مشهد به طور كلي در طي دهه

1992

تا 2002 افزايش داشته است و اين افزايش در مناطق مسكوني چشمگيرتر است . نقشه هاي كاربري

اراضي نيز نشان مي دهند مناطق مسكوني در سال

2002 نسبت به سال 1992 توسعه يافته و بسياري از

پوشش هاي گياهي از بين رفته و اين مطلب توسط بعد فركتالي محاسبه شده نيز مورد تأييد قرار گرفت ه است

نتايج همچنين نشان داده نيمرخ شمال غربي

- جنوب شرقي به علت گسترش بيشتر شهر و عدم يكنواختي

سطوح، نسبت به ساير نيمرخ ها بعد فركتالي بيشتري دارد

نقشه كاربري اراضي، بعد فركتالي، ،

ETM+ و TM كليدواژه ها: جزيره حرارتي، ماهواره لندست، تصاوير

روش تقسيم كننده

Email: [email protected]

-1 نويسنده مسوول: 09153167311

مجلّه جغرافيا و مخاطرات محيطي شماره اول

مقدمه

است

. اين « جزيره حرارتي » يكي از مخاطرات محيطي نوظهور، كه ناشي از گسترش شهرنشيني است، پديده

پديده هنگامي شكل ميگيرد كه درصد زيادي از پوششهاي طبيعي سطحي از بين مي روند و جاي خود را به

190 ).

اين مسئله باعث : ساختمانها، جادهها و ساير تأسيسات شهري ميدهند(موسوي بايگي و همكاران، 2010

مي شود تابش خورشيدي ورودي در طي روز در لابه لاي ساختار شهري به دام بيفتد و در هنگام شب بازتابش

شود، درنتيجه فرآيند سرد شدن طبيعي سطح زمين در طي شب با سرعت كمتري اتفاق مي افت د؛ بنابراين دماي

769 ) .

اين اختلاف :1973 ، هواي شهرها به طور معمول از دماي هوا در مناطق حومه شهر بالاتر خواهد بود (آكه 1

دما گاهي به

5 تا 6 درجه سلسيوس مي رسد و حتي در شب هاي آرام و صاف در شهرهاي بزرگ در حدود 6 تا 8

358 ).

بنابراين شدت جزيره حرارتي به :1987 ، درجه سلسيوس نيز گزارش شده است (باري 2 و چور لي 3

سيستم هاي هواشناسي حاكم بستگي داشته و در شب هاي آرام

(بدون باد) و صاف داراي بيشترين مقدار خود

3886

؛ مونتاوس 7 و همكاران، 2000 : 1999 ، 328 ؛ كلايسيك 5 و فورتونياك 6 : است (ياگ 4 و همكاران، 1991

(890:

، واژه جزيره حرارتي براي اولين بار حدود يك قرن قبل و در سال

1833 توسط هاوارد 8 مطرح شد (سولك 9

10 ).

پس از آن پژوهش هاي متعددي در شهرهاي بزرگ و صنعتي جهان انجام گرفت كه نتايج آنها بيانگر : 2004

اين است كه شهرنشيني موجب ايجاد تغييرات قابل ملاحظه بر روي پارامترهاي هواشناسي و ويژگيهاي سطح

1069: 1974 ، زمين شده و به تبع آن تغييرات زيادي در وضع هوا و اقليم محلي به وجود آورده است. (آتواتر 10

475

؛ تومانوف 16 و همكاران، : 1997 ، 191 ؛ بايك 14 و چان 15 : 1995 ، 89 ؛ كاتن 12 و پيلك 13 : 1981 ، چانون 11

.(4180: 1999

1 Oke

2 Barry

3 Chorely

4 Yague

5 Klysik

6 Fortuniak

7 Montaves

8 Haward

9 Solecke

10 Atwater

11 Changnon

12 Cotton

13 Pielke

14 Baik

15 Chun

16 Tumanov

سال اول بررسي جزيره حرارتي شهر مشهد با استفاده از تصاوير ماهوار هاي

... 37

20 )

در مطالعات خود به اين نتيجه رسيد كه اثر جزيره حرارتي بر روي دما بيش از ساير كميت - : آكه ( 1982

هاي هواشناسي است

. وي همچنين بيان كرد كه در يك آسمان صاف، وزش باد ضعيف و وجود يك واچرخند،

ميتواند شرايط مناسبي را براي ايجاد يك جزيره حرارتي نسبتاً شديد ايجادكند

. در مطالعه اي كه در لندن طي

سالهاي

1931 تا 1960 انجام شد، تغييرات سالانه دماي هوا مورد بررسي قرار گرفت و ميانگين سالانه دماي

درجه سلسيوس گزارش شد كه اين / 10 و در نواحي روستايي اطراف 6 / هواي اين شهر 11 ، دماي حومه شهر 3

358 ).

در مطالعه ديگري كه : تفاوت دما وقوع جزيره حرارتي را در اين شهر اثبات نمود (باري و چورلي، 1987

ماهواره لندست 3 استخراج شد و TM در پكن چين انجام شد، مقادير دماي تابش سطح زمين 1 از يك تصوير

1738 )

با تحليل : 2006) 22 ). ولازكوز 5 : 2002 ، ايجاد جزيره حرارتي در اين شهر مورد تأييد قرار گرفت (ژائو 4

تفاوت دماي هواي شهر ساحلي سن ژوان

6 در پورتوريكو 7 و اطراف آن، نشان داد جزيره حرارتي اين منطقه از 40

درجه سلسيوس افزايش يافته / 0 درجه سلسيوس در سال و در مجموع 40 سال 4 / 40 سال گذشته با سرعت 06

197 )

با استفاده از داده هاي دما و ازن سطحي در يك دوره آماري : است. موسوي بايگي و همكاران ( 2010

بلندمدت، وقوع جزيره حرارتي را در كلان شهر تهران مورد بررسي قرار دادند

. نتايج مطالعات آ نها نشان داد ميزان

ازن و نيز دماي هوا در تهران داراي روند افزايشي بوده و ميزان افزايش دماي كمينه نسبت به ميزان افزايش دماي

ماهواره لندست در دوره ETM+ و TM 144 ) از تصا وير : بيشينه، بيشتر است. ژائولينگ 8 و همكاران ( 2006

زماني

1990 تا 2000 براي بررسي پوشش گياهي يكي از كلان شهرهاي چين استفاده كرده و وقوع پديده جزيره

حرارتي را در منطقه مورد مطالعه به اثبات رساندند

. در مطالعهاي كه در يك منطقه خشك و نيمه گرمسيري آمريكا انجام

مورد بررسي قرار گرفت و نتايج نشاندهنده شدت بيشتر آن

ASTER شد، اين پديده با استفاده از تصاوير ماهوارهاي

198 ).

تحقيقات محققين ديگر در شهرهاي آريزونا 11 و : در طول شب نسبت به روز بود (هارتز 10 و همكاران، 2006

توسان

12 آمريكا نشان داد بادهاي محلي ترازهاي پايين جو به طور چشمگيري اثر اين پديده را از بين مي برند و همچنين

1 Surface Radiation Temperature

2 Thermatic Mapper Image

3 Landsat

4 Xiao

5 Velazquez

6 San Juan

7 Puerto Rico

8 Xiao-Ling

9 Enhanced Thermatic Mapper Plus Image

Hartz

11 Arizona

12 Tucson

مجلّه جغرافيا و مخاطرات محيطي شماره اول

(428: 2000 ، در صورت ريزش هواي سرد از دره هاي مجاور، امكان ايجاد جزيره حرارتي وجود ندارد (كامري 1

مطالعات صورت گرفته در شهر سئول نشان داد بيشترين مقدار جزيره حرارتي در پاييز و زمستان و كمترين مقدار آن در

657 ).

در سنگاپور نيز تحقيقي درباره اثر فضاي سبز و پوشش گياهي : 2001 ، بهار و تابستان رخ ميدهد (كيم 2 و بايك 3

.(556 : 2005

، گياهي براي كاهش اثرات اين پديده انجام شد (وانگ 4 و يو 5

هدف از اين پژوهش، با توجه به اهميت جزيره حرارتي و اثرات زيانبار آن بر روي محيط زيست و سلامت عموم ،

بررسي وقوع اين پديده در شهر مشهد به عنوان يكي از كلان شهرهاي ايران، است

. به اين منظور در اين پژوهش از

تصاوير ماهواره اي و نظريه فركتالها استفاده شده است

. تغييرات با فركانس بالا در سطوح مكاني، ناشي از خصوصيات

طيفي مختلف پوششهاي متفاوت زمين است

. انتشار تابش از سطح زمين، كه توسط حسگرهاي مادون قرمز حرارتي

.(189: 1990

، (شامل حسگرهاي توپوگرافيكي و غير توپوگرافيكي) ثبت مي گردد، اين تغييرات را نشان مي دهد (لام 6

بنابراين سطوح مكاني توصيف شده به وسيله تصاوير مادون قرمز حرارتي داراي ويژگي هايي فركتالي هستند كه فركانس

هاي توپوگرافيكي و غير توپوگرافيكي را تركيب ميكند

. به اين ترتيب استفاده از فركتال ها براي تحليل تصاوير مادون قرمز

حرارتي، به خوبي ميتواند رفتار حرارتي انواع پوششهاي مختلف زمين و اثر الگوي فضاي سبز بر فرآيندهاي حرارتي

محيط را نشان دهد

. تحقيقات بسياري درزمينه استفاده از فركتالها براي بررسي پيچيدگي پوششهاي مختلف سطح زمين

لندست انجام شده است كه همه آنها به اين نتيجه رسيدند در مناطق شهري بعد فركتالي، بالاتر از

TM با استفاده از تصاوير

؛ كيو 9 و همكاران، 1999 : 194 ؛ امرسون 8 و همكاران، 1999 : 608 ؛ لام، 1990 : 1989 ، مناطق حومه شهر است (دكولا 7

.(560: 2003

، 69 ؛ ونگ 10 : 1999

مواد و روشها

شمالي 59 شرقي و״ 45 ׳ 17 منطقه مورد مطالعه در اين پژوهش كلان شهر مشهد با مختصات جغرافيايي״ 43 ׳ 36

است

. شكل ( 1) موقعيت مشهد را نشان مي دهد.

1 Comrie

2 Kim

3 Baik

4 Wong

5 Yu

6 Lam

7 De Cola

8 Emerson

9 Qiu

10 Weng

سال اول بررسي جزيره حرارتي شهر مشهد با استفاده از تصاوير ماهوار هاي

... 39

شكل

1 موقعيت شهر ستان مشهد در ايران و خراسان رضوي

اين شهر به دليل قرار گرفتن در مسير توده هاي مختلف آب و هوايي داراي شرايط اقليمي خاصي بوده و تنوع اقليمي

درجه / 257 ميليمتر و 1 / ويژهاي دارد. با وجود اين امر و با توجه به ميانگين بارش و دماي سالانه مشهد (به ترتيب 5

سلسيوس

)، اقليم اين منطقه به روش طبقهبندي اقليمي دومارتن، در گروه مناطق نيمه خشك قرار مي گيرد.

بر اساس اطلاعات آمار سرشماري نفوس و مسكن

1385 (مركز آمار ايران، 1386 )، مشهد به عنوان دومين كلان شهر

ايران داراي جمعيتي بالغ بر

2410800 نفر است. ساخت و سازهاي بي رويه ناشي از افزايش جمعيت كه در سال ها ي

اخير با شدت بيشتري صورت گرفته، باعث شده است امروزه بسياري از مناطق حومه شهر مسكوني شده و ساختمان هاي

بسياري جايگزين اراضي طبيعي شود

براي بررسي جزيره حرارتي به طور كلي دو روش وجود دارد

: 1 - استفاده از داده هاي دماي اندازه گيري شده در

ايستگاه هاي هواشناسي؛

2 - استفاده از باند حرارتي تصاوير ماهواره اي. اين دو روش اگرچه هر كدام داراي معايبي هستند،

اما مي توان براي بررسي پديده جزيره حرارتي از همپوشاني آن ها استفاده كرد

. بنابراين در اين تحقيق ابتدا از دادههاي سه

ساعته دماي كمينه و دماي بيشينه ايستگاه همديدي مشهد در سال هاي

1992 تا 2002 جهت مشاهده نحوه تغييرات دما و

بررسي وقوع يا عدم وقوع جزيره حرارتي در طي اين سال ها استفاده شده است

. بدين منظور ابتدا دماي متوسط هوا با

محاسبه شده و سپس نمودارهاي ماهانه

(شكل 2، الف Excel استفاده از اين دادهها در ساعات سينوپتيكي، توسط نرم افزار

و ب

) و سالانه (شكل 2، ج) رسم شده است. لازم به ذكر است از آن جا كه دادههاي مناسبي براي بررسي نحوه تغييرات

دماي حومه شهر و مقايسه آن با شكل

( 2) جهت تأييد وقوع اين پديده موجود نبود، از تصاوير ماهوار هاي و همچنين نظريه

مجلّه جغرافيا و مخاطرات محيطي شماره اول

فركتال را اين امر استفاده شد

. هندسه فركتالي براي اولين بار در سال 1977 مندلبروت 1 ب راي مدل كردن پديده هاي طبيعي

مطرح كرد

. اشياء فراكتالي عموماً خودمتشابه 2 هستند؛ به اين معنا كه الگويي مشابه در اجزاء مختلف اين اشياء به چشم

مي خورد

. بر اساس ميزان تشابه موجود در بين اجزاي گوناگون اين اشيا كه ميتواند از صددرصد خود متشابه بودن يا

متشابه بودن قطعي

3 آغاز شده و به درجات كوچكتري از تشابه (تشابه تصادفي يا آماري 4 ) ختم گردد، روش هاي مختلفي

مختلفي براي تحليل رياضي آنها پديد آمده است

. فركتالهاي تصادفي را معمولاً خودآفين 5 نيز ميگويند كه بيشتر براي

293 ).

تغيير پوشش حاصل از گسترش شهرنشيني : مدل كردن توپوگرافي سطح زمين به كار ميروند (مدلبروت، 1983

باعث افزايش پيچيدگي توپوگرافي و در نتيجه تغيير بعد فركتالي آن ميشود

. بنابراين، محاسبه بعد فركتال تصاوير ماهواره اي

به عنوان نماينده تغييرات مكاني مي تواند به تاييد وقوع پديده جزيره حرارتي كمك كند

ماهواره لندست پنج در تاريخ

25 ژوئيه 1992 و TM تصاوير ماهواره اي استفاده شده در اين مطالعه، شامل تصوير

ماهواره لندست هفت در تاريخ

6 اگوست 2002 است. اگرچه دانستن تفاوت دما در هر دو مقياس روزانه ETM+ تصوير

و شبانه، براي تأييد وقوع اين پديده بسيار مطلوب است، اما به دليل اين كه تصاوير فوق دماي شب را پوشش نمي دهند،

از معادله

1 استفاده ،TM تنها به داده هاي روزانه اكتفا شده است. براي محاسبه دماي تابش سطح زمين با استفاده از تصوير

.(1410:

شد (مالارت 6 و همكاران، 1985

(1)

شماره باند (باند 6 يا باند حرارتي) مربوطه است . اين معادله DN دماي تابش سطح زمين و T(k) در اين معادله

(ε) معرف دماي سطح، براي يك جسم سياه است؛ بنابراين بايد با توجه به پوشش سطح زمين و ضريب انتشار

0/ 1228 )

براي مناطق داراي پوشش گياهي 95 : 1994) تصحيحاتي در آن اعمال شود. مقدار ضريب انتشار توسط نيكول 9

تعيين شده است. به اين ترتيب براي تعيين مناطق داراي پوشش و يا بدون / و براي مناطق بدون پوشش گياهي 92

استفاده

بررسی جزیره حرارتی شهر مشهد با استفاده از تصاویر ماهواره ای و نظریه فرکتال

مطالب مشابه :

باران زیبای کیش

بررسی جزیره حرارتی شهر مشهد با استفاده از تصاویر ماهواره ای و نظریه فرکتال

خارگ، ركورد دار بارندگي استان بوشهر

بارندگي امروز در استان؛ بيشترين بارش در آبپخش- كمترين بوشهر

جزر و مد

هواشناسي بوشهر: رطوبت هوا كاهش و گرما افزايش مي يابد

صفایی مدیر عامل شرکت ملی نفتکش ایران شد

طالقان به تنكابن

سازمان هواشناسي در ارتباط با توفان حاره‌اي هشدار داد

مهاجمان‌ صحرا