Городские “острова”

В исследованиях тепловых характеристик городских территорий чаще всего упоминаются “острова тепла”. Рассмотрим, что это такое, и какие именно “острова” можно выявить по спутниковым снимкам.

Городской остров тепла (Urban Heat Island, UHI) — метеорологическое явление, заключающееся в повышении температуры городского пространства относительно прилегающих к городу территорий. Как правило, наблюдается в крупных городах, где разность температур между островом тепла и предместьями может доходить до 10–15°C.

Итак, городской остров тепла — это про увеличение температуры в городе по сравнению с окружающей его местностью.

Тип городского острова тепла зависит от того, какая температура используется для его определения — температура воздуха или температура поверхности.

Температура воздуха измеряется в приземном слое воздуха на высоте 2 м. Температура воздуха устанавливается под влиянием нескольких механизмов передачи тепла: контактного теплообмена между поверхностью и приземным слоем воздуха, конвективного теплообмена через перемешивание теплых и холодных слоев воздуха в атмосфере (ветер), а также теплообмена излучением.

Нагретое тело, в том числе поверхность Земли, испускает электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне (тепловое излучение). Известен физический закон (закон Планка), позволяющий определить температуру тела по величине испускаемой им энергии для заданной длины волны излучения. Таким образом можно установить температуру земной поверхности (Land Surface Temperature, LST).* Подробнее об этом смотрите здесь.

Если для выделения острова тепла служит температура воздуха, то говорят просто об острове тепла. Если же измеряется температура поверхности, то остров тепла называют поверхностным (Surface Urban Heat Island, SUHI).

Спутниковые радиометры измеряют температуру поверхности суши или воды, по принятому от этих поверхностей электромагнитному излучению. Поэтому спутниковыми (дистанционными) методами изучаются только поверхностные острова тепла. Их можно рассматривать как приближение к обычным островам тепла, а можно — как отдельный объект исследований. Надо только иметь в виду, что это хоть и близкие, но разные вещи.

У городских островов тепла есть двойник — городские острова холода. Для температуры поверхности это — Surface Urban Cool Island (SUCI). Внимания в литературе им уделяют гораздо меньше. чем островам тепла. Но они не менее важны, особенно в наших широтах.

Часто, когда говорят о городских островах тепла или холода, на самом деле имеют в виду участки, особенно нагретые или охлажденные по сравнению с остальной городской территорией, а не с пригородами. Такие участки лучше называть городскими тепловыми аномалиями — положительными или отрицательными. И снова — дистанционными методами изучаются только поверхностные тепловые аномалии.

Летом положительные тепловые аномалии доставляют неудобства, но зимой могут быть полезны и приятны. То же самое касается отрицательных тепловых аномалий. Восприятие аномалий и их роль в городской среде меняются в течение года. Для стран со стабильно жарким климатом окраска домов в белый цвет полезна, так как обеспечивает максимальное отражение энергии. Но этот рецепт точно не подойдет там, где полгода стоят морозы.

В целом, городские тепловые аномалии — это про энергию. Собственную энергию, как у промышленных предприятий, или отраженную — как у открытых парковок. Для создания комфортной городской среды эту энергию нужно грамотно перераспределять, но это уже совсем другая история.


*Простого перехода от температуры поверхности к температуре воздуха (и наоборот) не существует.

#основы #LST #город

Исследование городских территорий по тепловым снимкам

Вот и завершился цикл публикаций, посвященный городским тепловым аномалиям

1. Подготовка
2. Выделение аномалий
3. Сезонные различия
4. Временные ряды

Все ссылки будут в “шапке”, в разделе Проекты и примеры кода.

Мы описали подготовку к научным исследованиям: набор инструментов + минимум теории. Немного больше теории вы найдете в:

* Использование космических снимков в тепловом инфракрасном диапазоне для географических исследований. Пособие не новое, но оно — о принципах, которые с момента создания пособия не изменились. К сожалению, не слишком изменились и спутниковые данные, разве что добавился ECOSTRESS.

Что касается техники обработки снимков, то сейчас данные Landsat 8 и 9 Level 2, Collection 2, Tier 1 дают температуру поверхности практически в готовом виде. Но так было не всегда*. Более того, когда появится новый спутник с данными о температуре поверхности, то, скорее всего, это будут данные первого уровня обработки. Техника доводки этих данных “до готовности” будет похожа на технику обработки данных Landsat:

- Young N. E. et al. A survival guide to Landsat preprocessing. — об основных этапах обработки данных Landsat.
- Avdan U., Jovanovska G. Algorithm for Automated Mapping of Land Surface Temperature Using LANDSAT 8 Satellite Data. Journal of Sensors, 2016, Article ID 1480307. http://dx.doi.org/10.1155/2016/1480307 — простой и рабочий алгоритм определения температуры поверхности по данным Landsat. Вообще таких алгоритмов существует очень и очень много.

Все. Ставьте перед собой цель исследований и удачи вам в ее достижении!

Вопросы, критика и комплементы: @sputnikDZZ_bot

*При желании, можно получить данные Landsat Level 1 (TOA) или даже Level 0 (Raw) с того же Google Earth Engine, и самостоятельно их обработать.

#основы #LST #город