Document Type : Research Paper

Authors

1 Master student of Environmental Climatology, Yazd University, Yazd, Iran

2 Associate Professor of Climatology, Department of Geography, Yazd University, Yazd, Iran

3 Master student of Environmental Hazards, Yazd University, Yazd, Iran

Abstract

Extended Abstract
Introduction
Replacing natural vegetation cover with impermeable urban surfaces) stone, cement, metal, etc.) has resulted in increased land surface temperature which is considered to be the most important problem of urban areas. Distinct temperature difference between the city and the surrounding areas is called heat island (Melkpour et al., 2018). Increased land surface temperature and resulting heat islands in urban areas built without proper preplanning (Khakpour et al., 2016) especially in developing countries such as Iran experiencing a rapid growth rate have resulted in widespread environmental problems. Heat islands mainly occur due to the presence of man-made surfaces which prevent the reflection of sunlight and result in temperature increase. In general, urban heat islands result in increased air and land surface temperature and thermal inversion (Gartland, 2012).
Methodology
The present study applies a statistical-analytical research method based upon statistical data received from meteorological stations and extracted from satellite images. Climatic data recorded from 1976 to 2020 in Yazd Meteorological Station were retrieved from the General Meteorological Department of Yazd Province and used to measure temperature changes. Urban climate studies mainly take advantage of long-term patterns and thus, the present study has applied the common Man-Kendall method to measure the trend of temperature changes in warm season (July, August, and September). Also, satellite images collected by Landsat 4-8 in a 33-year period, including four statistical periods with a time interval of 11 years (the average recorded in July, August and September of 1987, 1998, 2009 and 2020), have been used to extract heat islands of Yazd city in warm seasons. These images collected under clear weather conditions were retrieved from the United States Geological Survey website (http://glovis.usgs.gov/) in the WGS-1984 UTM image system. NDVI index was used to investigate the vegetation cover. Main land uses discussed in the present study included barren lands, urban areas, vegetation cover and roads. Sample land uses were collected from Google Earth and visually interpreted in ArcMap. Maximum likelihood algorithm was used for the classification process. Finally, Land Surface Temperature was extracted from satellite images and compared with air temperature trend using the Mann-Kendall test.
Results & Discussion
Results indicate that due to thicker vegetation cover in summer, there has been a negative relationship between the vegetation cover and land surface temperature. In other words, land surface temperature has increased with decreased vegetation cover and vice versa. Types of land use identified in satellite images collected from Yazd city have showed that the city has experienced a widespread physical expansion during the 33-year statistical period regardless of the season under investigation and thus, built-up urban land use class has expanded significantly. As a result, vegetation cover has experienced a negative trend and decreased. Land surface temperature extracted from thermal images of Yazd city has proved parts of northwest and south of the city to be the core of its heat islands. This is due to the presence of barren lands, lack of evapotranspiration mechanisms, high heat absorption capacity and low conduction capacity. Man-Kendall test has found a significant increasing trend for temperature especially in recent years in which the temperature has increased about 2.3 °C. This is most possibly due to the increasing trend of urban population in recent decades, followed by increased residential structures and resulting heat island phenomenon.
Conclusion
In general, classification of urban land use types in Yazd has shown a significant physical expansion of the city during the statistical period. This physical development has occurred in all directions; beginning from the central and northeast-southeast parts, and moving towards northwest-southwest parts. Maximum NDVI was observed in a strip along the central part of Yazd in which vegetation cover is thicker. Green spaces are also observed in some areas of the city. Color spectrum of the LST map has shown relative changes of the ambient temperature in various parts of the city. High and very high temperature (between 41.5 and 50 °C) show the location of the heat islands on LST maps. Also, areas with a deep red color and a temperature above 50 °C have formed hot clusters formed or strengthened between 2009 and 2020 in the west and southwest parts of the city. Satellite images and related graphs have showed that in 2020, Yazd have witnessed a sharp increase in temperature and a heat island.  Temperature data of Yazd Meteorological Station and Man-Kendall test have shown a significant increasing trend (about 2.3°C), especially in recent years. These are related to the urban population growth in recent decades, followed by increased urban structures (residential-commercial) and heat island phenomenon.

Keywords

Main Subjects

1- آتشی، وحید، 1395، بررسی ارتباط تغییرات جزایر حرارتی سطحی و گسترش فیزیکی شهر شیراز با پردازش تصاویر ماهواره‌ای، خورشیددوست، علی محمد، پایان‌نامه کارشناسی ارشد دانشگاه تبریز، دانشکده جغرافیا و برنامه‌ریزی، گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی.
2- آروین، عباسعلی، 1397، بررسی جزیره‌ی حرارتی در ارتباط با آلودگی هوا در شهر اصفهان، فصلنامه جغرافیا و مخاطرات محیطی، 25، 129-115.
3- احمدی، عاشورلو، نارنگی­‌فرد؛ محمود، داوود، مهدی، 1391، تغییرات زمانی-مکانی الگوهای حرارتی و کاربری شهر شیراز با استفاده از داده‌های سنجنده TM و +ETM، نشریه سنجش از دور و GIS ایران، 4، 68-55.
4- ارسلانی، عزیزی، خوش‌­اخلاق؛ محسن، قاسم، فرامرز، 1391، بازسازی تغییرات دمای حداکثر استان کرمانشاه با استفاده از حلقه­‌های درختی، مجله جغرافیا و مخاطرات محیطی، 1، 110-97.
5- تقی­‌زاده، مزیدی؛ زهرا، احمد، 1398، بررسی تغییرپذیری مخاطره جزیره‌ی گرمایی با توجه به تغییرات کاربری ­اراضی و پوشش ­زمین در شهر اصفهان، نشریه تحلیل فضایی مخاطرات­ محیطی، 3، 120-103.
6- جمیلی‌­زاد، معصومه، 1392، ارزیابی اثرات محیط‌زیستی توسعه شهری با استفاده از مدل­‌سازی (مطالعه موردی: شهریزد)، ستوده، احد، پایان­‌نامه کارشناسی ­ارشد دانشگاه یزد، دانشکده منابع طبیعی و کویرشناسی.
7- جوادزرین، علوی­‌پناه؛ ایمان، کاظم، 1395، بررسی تغییرات الگوی حرارتی در بازه زمانی 30ساله با استفاده از باندهای حرارتی تصاویر ماهواره لندست (مطالعه‌­ی موردی: اراضی جنوبی جزیره آبادان)، اولین کنفرانس بین‌المللی مخاطرات طبیعی و بحران‌های زیست‌محیطی ایران، راهکارها و چالش‌­ها، اردبیل.
8- حسینی، فاطمه، 1389، تحلیل رابطه‌ی بین تغییرات کاربری ­زمین و جزیره‌ی­ گرمایی شهر با به­‌کارگیری تکنیک‌های سنجش‌­از­دور (مطالعه موردی: شهریزد و حومه)، مزیدی، احمد، پایان­‌نامه کارشناسی­ ارشد دانشگاه یزد، دانشکده علوم انسانی، گروه جغرافیا.
9- خاکپور، ولایتی، کیانژاد؛ براتعلی، سعدالله، قاسم، 1386، الگوی تغییر کاربری­ اراضی شهر بابل طی سال‌های 1378-1367، مجله جغرافیا و توسعه ناحیه‌­ای، 9، 64-45.
10- غضنفری ­مقدم، ناصری­ مقدم، میرزایی؛ محمدصادق، مهیار، ابراهیم، 1387، بررسی تأثیرات جزیره‌ی حرارتی مشهد بر روند تغییرات نزولات جوی، دومین همایش تخصصی مهندسی محیط زیست، تهران.
11- مؤمن­‌بیک، زهرا، 1396، ارزیابی اثرات تغییرات کاربری و پوشش ­زمین بر جزایرحرارتی در شهرکرد، شاطریان، محسن، پایان‌­نامه کارشناسی­ ارشد دانشگاه کاشان، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی.
12- مرادی، رضایی­ مقدم؛ ساجده، محمدحسین، 1399، تحلیل زمانی-مکانی جزیره‌ی حرارتی شهر ارومیه با استفاده از سنجش‌­ازدور و سیستم­ اطلاعات­ جغرافیایی، فصلنامه جغرافیا و مخاطرات­ محیطی، 34، 99-83.
13- مزیدی، حیدری؛ احمد، بتول، 1400، تحلیل و ارزیابی تغییر کاربری ­اراضی بر جزیره حرارتی در شهر کرمان، پنجمین کنگره‌­ی بین­‌المللی توسعه کشاورزی، منابع طبیعی، محیط زیست و گردشگری ایران، تبریز.
14- ملک‌­پور، طالعی، پیمان، محمد، 1389، مدل­‌سازی ارتباط کاربری پوشش ­اراضی و حرارت سطح زمین، با استفاده از داده‌های سنجنده‌­ی ASTER، مجله محیط­‌شناسی، 58، 42-29.
15- ناصحی، یاوری، صالحی؛ سعیده، احمدرضا، اسماعیل، 1401، بررسی ارتباط بین تغییرات مورفولوژی شهری با دمای سطح زمین به­‌منظور مدیریت جزیره حرارتی شهری (مطالعه‌ی موردی: شهر تهران). جغرافیا و پایداری محیط، 3، 130-107.
16- یوسفی، کاردل، رورده، محتسبی­ خلعتبری؛ یداله، فاطمه، همت­اله، مولود، 1396، بررسی پدیده جزیره حرارتی و اثر آن بر تغییرپذیری روز به روز دمای تابستان شهربابل، نشریه‌­ی پژوهش­‌های جغرافیای طبیعی، 3، 501-491.
17- Bassett, R, Janes-Bassett, V, Philipson, J, Young, P. J, & Blair, G. S. (2021). Climate driven trends in London’s urban heat island intensity reconstructed over 70 years using a generalized additive model. Urban Climate, 40, 100990.
18- Chander, G, Markham, B. L, & Helder, D. L. (2009). Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors. Remote sensing of environment, 113, (5): 893-903.
19- Eugenia, K, & Cai, M. (2003). Impact of Urbanization and Land-Use Change on Climate, Nature, 423, 528-531.
20- Gartland, L. (2012). Heat Islands: Understanding and Mitigating Heat In Urban Areas. Routledge. ISBN: 1849712980, 9781849712989, Published December 21, 2010 by Routledge, P: 214.
21- Kassa, A. (1990). Drought risk monitoring for Sudan using NDVI. Dissertation submitted to the University College London, 1982-1993.
22- Kok, T, Chooi, S. L, Hwee, M, Mohd, Zubir, & Khiruddin, A. (2010). Landsat data to evaluate urban expansion and determine land use/land cover changes in Penang Island, Malaysia. Environmental Earth Sciences 60, 7, 1509-1521.
23- Lettenmaier, D, Wood, E, & Wallis, J. (1994). Hydroclimatological trends in the continental United States, 1984-88. J. Climate, 7, 586-607.
24- Margarete, A,) 2020). Daily evolution of urban heat islands in a Brazilian tropical continental climate during dry and rainy periods. Urban Climate, 34, 107-115.
25- Pakarnseree, R, Chunkao, K, & Bualert, S. (2018). Physical characteristics of Bangkok and its urban heat island phenomenon. Building and Environment, 143, 561-569.
26- Sankey, J, Wallace, C, & Ravi, S. (2013). Phenology-based, remote sensing of postburn disturbance Windows in rangelands. Ecological indicators, 30, 35-44.
27- Sundarakumar, K, Harika, M, Begum, K, Aspiya, B, Yamini, S, & Balakrishna, K. (2012). Land Use and Land Cover Change Detection and Urban Sprawl Analysis of Vijayawada City Using a Landsat Data. Engineering Science & Technology, 4, 170-178.
28- UI Moazzam, M. F, Yang, H. D, Byung Gul, L. (2022). Impact of urbanization on land surface temperature and surface urban heat Island using optical remote sensing data: A case study of Jeju Island, Republic of Korea. Building and Environment, 222, 109368.
29-(USGS.2020. https://earthexplorer.usgs.gov).
30- Weimin, W, Kai, L, Rong, T, & Shudong, w. (2019). Remote sensing image-based analysis of the urban heat island effect in Shenzhen, China. Physics and Chemistry of the Earth, 110, 416-426.
31- (www.yazdmet.ir).
32- Xian, G, & Crane, M. (2006). An analysis of urban thermal characteristics and associated land cover in Tampa Bay and Las Vegas using Landsat satellite data. Remote Sensing of environment, 104t (2):147-156.
33- Xu, H, Chen, Y, Dan, S, & Qiu, W. (2011). Dynamical monitoring and evaluation methods to urban heat island effects based on RS&GIS. Procedia Environmental Sciences volume 10: 1228-1237.