فهرست مطالب:

1-  فصل اول: کلیات تحقیق ………………………………………………….. 16

1-1- مقدمه……………………………………………………………………. 16

1-2- طرح مسئله و ضرورت تحقیق……………………………………………. 17

1-3- سوالات اصلی تحقیق………………………………………………….. 21

1-4- فرضیات تحقیق…………………………………………………………..21

1-5- اهداف تحقیق……………………………………………………………22

1-6- ساختار پایان نامه…………………………………………………… 22

2-  فصل دوم: منطقه مورد مطالعه و پیشینه تحقیق……………………. 25

2-1- منطقه مورد مطالعه…………………………………………………… 25

2-2- پیشینه تحقیقاتی……………………………………………………. 41

2-2-1-  پیشینه تحقیقاتی (منابع خارجی)………………………………. 41

2-2-2-  پیشینه تحقیقاتی در ایران……………………………………….. 45

2-3- جمع‌بندی………………………………………………………………. 47

3-  فصل سوم: مبانی نظری تحقیق……………………………………. 51

3-1- مقدمه……………………………………………………………….. 51

3-2- سنجش از دور حرارتی…………………………………………….. 51

3-3- سنجنده MODIS……………………………………………………….

3-4- شهرسازی و میکروکلیماتولوژی شهری…………………………….. 57

3-4-1-  فاکتورهای کنترل کننده اقلیم شهر………………………………. 58

3-4-2-  معادله توازن تابشی در شهر…………………………………….. 61

3-5- جزایر حرارتی شهری……………………………………………………. 65

3-5-1-  جزایر حرارتی شهری سطح زمین………………………………… 66

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-  روش‌های خوشه‌بندی……………………………………………….. 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 پوشش‌های مختلف با دمای سطح………………….. 90

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

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

5-1- نتایج هم‌مختصات‌سازی  و اصلاح داده‌ها ………………………………….93

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

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

5-4- بررسی رابطه پوشش‌های مختلف با دمای سطح……………………… 120

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

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

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

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

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

6-2- آزمون فرض‌ها ………………………………………………………………..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 می‌باشد. 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 می‌باشد. هدف از این تحقیق مطالعه گسترش جزایر حرارتی و ارتباط دمای سطح زمین با پوشش سطح در کلانشهر‌های اهواز، اصفهان، تبریز، تهران و مشهد به عنوان مهمترین مراکز جمعیتی و صنعتی ایران است.

جهت دسترسی به هدف فوق گسترش جزایر حرارتی در بازه‌ی زمانی سال 2007 تا سال 2011 و همچنین ارتباط دمای سطح با پوشش سطح با بهره گرفتن از تولیدات سنجنده MODIS در کلانشهرهای نامبرده شده بررسی شده است. بدین منظور با اعمال خوشه‌بندی 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 پوشش‌های مختلف بر دمای سطح با برازش جداگانه و همچنین برازش توام پوشش‌ها با دمای سطح زمین و همچنین استفاده از تولیدات شاخص‌های پوشش گیاهی MOD13A2 توسط مدل رگرسیونی توسعه‌یافته  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 داشته‌اند. مدل رگرسیونی توسعه‌یافته 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 می‌دهند. استفاده از اطلاعات دقیق پوشش و کاربری جهت مشخص کردن دقیق‌تر 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 و شهرک های صنعتی در 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، تولید هیدروکربن گیاهان 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 های هواشناسی هستند. 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 می‌توان 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 بهره گرفتن از داده های ماهواره ای، پوشش سطح زمین را نیز در نظر بگیرند (Yang et al. 2004). در سال‌های اخیر تکنولوژی سنجش از دور با ارائه‌ تصاویر با قدرت تفکیک‌های مختلف کاربرد فراوانی در مطالعه و پایش جزایر حرارتی شهری در مقیاس های مختلف قاره‌ای و منطقه ای پیدا کرده است. داده‌های 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).

با بهره گرفتن از علم سنجش از راه دور خصوصیات فیزیکی مهمی که پارامترهای تعیین کننده مواد تشکیل دهنده و ترکیب و ساختار پوشش شهر هستند را برای بررسی بودجه انرژی سطح شهر و مشاهده اثر جزایر حرارتی شهری قابل  استخراج می‌باشند. علاوه بر آن تصاویر حرارتی سنجش از راه دور به خصوص تصاویر با قدرت تفکیک بالا توانایی تولید داده های حرارتی همزمان برای سراسر شهر و در یک پوشش ناحیه ای وسیع را دارند (Nichol, 1998).

از بین داده های ماهواره های مختلف، با توجه به مهم بودن قدرت تفکیک زمانی برای بررسی پدیده جزایر حرارتی، استفاده از سنجنده‌های با قدرت تفکیک زمانی بالا بیشتر مورد توجه هستند. در این تحقیق با توجه به قدرت تفکیک زمانی بالای سنجنده مودیس و همچنین پردازش‌های اولیه رادیومتریک و هندسی انجام شده بر تولیدات این سنجنده، از تولیدات حرارتی این سنجنده برای بررسی تغییرات مکانی زمانی جزایر حرارتی استفاده شد.

با توجه به اینکه جزایر حرارتی شهرها از عواملی نظیر آلودگی، تغییرات پوشش و ترافیک تاثیر می پذیرند که این عوامل در واحد زمان و مکان در حال تغییر می‌باشند، لذا نحوه‌ی گسترش جزایر حرارتی را می توان یک مساله مکانی زمانی در نظر گرفت. با این توضیح سوالی که مطرح می‌شود این است که الگوی تغییرات مکانی زمانی جزایر حرارتی در کلانشهرها چگونه است؟

پاسخ به این سوال برای بسیاری از موضوعات مربوط به علوم زمین (مانند اقلیم شهری، تغییرات محیطی جهانی و اثر متقابل محیط انسان) بسیار مهم و حیاتی است که منجر به بهبود فرایند های مدیریتی و برنامه ریزی می گردد. یکی از اهدافی اصلی ما در این تحقیق ارائه‌ پاسخی مناسب به این سوال است.

 دمای سطح زمین و ویژگی های بودجه انرژی شهری همچنین در ارتباط پوشش‌های مختلف سطح می باشد به نحوی که هر نوع پوشش زمین تاثیر خاصی بر دمای سطح زمین دارد. نحوه ی اثر گذاری پوشش های مختلف سطح بر دمای سطح زمین مساله مهم دیگریست که بررسی دقیق آن منجر آن مدیریت بهتر جهت کاهش اثرات نامطلوب جزایر حرارتی در شهر ها می شود.

 با توجه به اینکه امکان استخراج پوشش های مختلف اراضی در یک منطقه و همچنین دمای سطح با بهره گرفتن از تکنولوژی سنجش از دور وجود دارد، در این تحقیق ما به دنبال این بوده ایم که ضمن استخراج اطلاعات پوشش اراضی و نیز برآورد دمای سطح زمین، به بررسی نحوه ارتباط آنها با یکدیگر بپردازیم. در راستای نیل به این هدف، چگونگی اثر گذاری هر یک از کلاس های پوشش اراضی بر دمای سطح زمین، هم بصورت جداگانه و هم بصورت توأمان مورد بررسی قرار گرفت.

با توجه به مطالب فوق، در این مطالعه پدیده‌ جزایر حرارتی سطح زمین و رابطه آن با پوشش  اراضی در پنج کلان‌شهر تهران، تبریز، اصفهان، اهواز و مشهد با بهره گرفتن از تولیدات ماهواره‌ای سنجنده MODIS مورد بررسی قرار می‌گیرد.

3-1- سوالات اصلی تحقیق

سوالات این تحقیق عبارتند از:

الگوی توزیع تغییرات مکانی و زمانی جزایر حرارتی در شهرهای اهواز، اصفهان، مشهد، تبریز، تهران چگونه است؟