جغرافیا  (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)

جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)

شناسایی و بررسی ارتباط میان تغییرات پوشش زمین و دمای سطح زمین در مناطق شهری و غیر شهری استان مازندران

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
گروه جغرافیا و برنامه ریزی شهری، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران.
چکیده
تغییر کاربری و پوشش زمین شامل تبدیل پوشش طبیعی زمین (گیاهی و شنی) به سطوح غیرقابل نفوذ (بتنی و آسفالت)، محصول رشد سریع شهرها و سکونتگاه‌های انسانی است. یکی از موضوعاتی که در سال‌های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است، تأثیر این تغییرات بر دمای سطح زمین به‌عنوان یک پارامتر حیاتی برای محیط‌زیست و زندگی انسان است. در این مطالعه، ارتباط بین روند تغییرات کاربری و پوشش زمین و دمای سطح زمین، با استفاده از فنون سنجش از دور و تصاویر ماهواره‌ای سنجنده‌ی مادیس با تمرکز بر استان مازندران مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور تحلیل داده‌ها، شاخص آماره‌ی موران و تحلیل نقاط داغ از سال 2012 تا 2022 میلادی مورد استفاده قرار گرفته است. یافته‌ها نشان می‌دهد که به دنبال تغییرات پوشش زمین در منطقه‌ی موردمطالعه، 46/1 درجه سانتی‌گراد دمای سطح زمین استان در طول یک دهه‌ی مورد بررسی افزایش یافته است. دمای شبانه‌ی استان در طول این دوره به میزان 02/1 درجه سانتی‌گراد و دمای روزانه‌ی آن به میزان 89/1 درجه سانتی‌گراد افزایش یافته است. همچنین بیش از 98 درصد از زمین‌های شهری که به‌عنوان گرم‌ترین نقاط استان به شمار می‌آیند، در خوشه‌های داغ قرار گرفته است. نتایج این مطالعه می‌تواند در برنامه‌ریزی بهتر توسعه‌ی منطقه‌ای استان مازندران و ایجاد محیط‌های سکونتی سالم‌تر نقشی مهم ایفا کند و اطلاعات بسیار مفیدی را برای کمک به مدیریت و برنامه‌ریزی توسعه‌ی زمین‌های مسکونی جهت دستیابی به پایداری محیط‌زیستی و توسعه پایدار فراهم کند. نتایج این مطالعه می‌تواند در برنامه‌ریزی بهتر توسعه‌ی منطقه‌ای استان مازندران و ایجاد محیط‌های سکونتی سالم‌تر نقشی مهم ایفا کند و اطلاعات بسیار مفیدی را برای کمک به مدیریت و برنامه‌ریزی توسعه‌ی زمین‌های مسکونی جهت دستیابی به پایداری محیط‌زیستی و توسعه پایدار فراهم کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Detecting and investigating the relationship between land cover changes and land surface temperature in urban and non-urban areas of Mazandaran province

نویسندگان English

Sedigheh Lotfi
Tohid Alizadeh
Department of Geography and Urban Planning, University of Mazandaran, Babolsar. Iran.
چکیده English

Extended Abstract
Introduction
Land use and land cover change includes the conversion of natural land cover to impermeable surfaces (concrete and asphalt), a product of the rapid growth of cities and human settlements. One of the topics that has attracted the attention of researchers in recent years is the impacts of these changes on the temperature of the earth's surface as a vital parameter for the environment and human life. The cities and settlements of Mazandaran province in Iran have struggled in recent years due to the significant increase in the arrival of tourists and migrants with the increase in environmental and human heat released due to changes in land use and land cover. The purpose of this study is to investigate the impacts of land use and land cover changes on the land surface temperature in Mazandaran province in a ten-year period. The results of this study can play an important role in better planning the regional development of Mazandaran province and create healthier residential environments and provide very useful information to help manage and plan the development of residential land to achieve environmental sustainability and development.
 
 
Method
Mazandaran province with an area of 23756 square kilometers, located in the southern part of the Caspian Sea. According to the last general census in 2016, the population of the province was 3283582 with 1084798 households. In terms of geomorphological situation, Mazandaran province can be divided into three main units: plains, foothills and mountains. The processed images of the Madis sensor on the Google Earth Engine platform have been used to prepare images related to the land cover and surface temperature of Mazandaran province in a 10-year period (2012-2022). Detection of land use and land cover changes based on the land cover classification scheme by the International Geosphere-Biosphere Program (IGBP) with a resolution of 500 meters and daily and nighttime surface temperature data and by recalling and processing Madis sensor images with a resolution of 1km were obtained. In order to analyze the spatial distribution of earth surface temperature data, Moran's statistic index was calculated using Moran's spatial autocorrelation analysis tool in ArcGIS. Also, hot spot analysis tool was used in ArcGIS, which is used to discover spatial cluster arrangements in land surface temperature data.
 
Result and discussion
The findings of the land cover classification have shown that the urban lands of Mazandaran province have increased by 1244 hectares during the 10 years, which shows the increase in constructions and the expansion of urban and rural areas. The results of calculation of night and day surface temperature changes show lower temperature at high altitudes and higher temperature at lower altitudes. Urban lands, settlements and peripheral parts of the main communication axes have higher temperatures than other parts of the province. In general, from 2012 to 2022, the night temperature of the province has increased by 1.02 degrees Celsius, the daily temperature by 1.89 degrees Celsius, and the day and night temperature by 1.46 degrees Celsius. In 2022, urban lands with an average temperature of 21.04 degrees Celsius were the hottest parts of the province. The findings of the Moran's statistic index, calculated using the Moran's spatial autocorrelation analysis tool, showed a cluster pattern for the province's night and day land surface temperature data. Also, the findings of analysis of hot spots (Getis-Ord Gi*) based on day and night temperature data showed the accumulation of
 
hot clusters in urban areas, especially in plains. What is most important is that more than 98% of urban land is in hot clusters and the area of hot clusters of urban land has also had an upward rate during the studied period in terms of land cover area.
 
Conclusion
The article focused on identifying the changes in land cover and surface temperature of Mazandaran province using remote sensing and GIS techniques, the relationship between them has been investigated using Moran's index and hot spot analysis from 2012 to 2022. According to the findings, in addition to the increase in the day and night temperature of the province by 1.46 degrees Celsius, more than 98% of urban land is located in hot clusters, which confirms the existence of the phenomenon of urban heat islands in the cities of Mazandaran province, and these areas introduced as one of the main factors in increasing the temperature of the earth's surface. The high population density of the province, the influx of migrants which accompanied by construction of seasonal and monsoon houses, have threatened the environment friendly land covers into urban and residential covers that minimized the possibility of surface water infiltration, contributed to increasing the surface temperature of the province. So that the area of hot clusters of urban land has had an upward rate during the studied period in terms of land cover area. Considering this destructive trend, it is necessary for urban planners and decision-makers to direct the development plans of urban and rural areas for the future to minimize the increase in the temperature of the earth's surface and the threats caused by climate change.

کلیدواژه‌ها English

Land use and land cover changes
Land surface temperature
Moran I index
Hot spots analysis
Remote sensing
  1. حجازی زاده، زهرا؛ ضیائیان، پرویز؛ شیرخانی، علیرضا (1392). مقایسه تخمین دمای سطح با استفاده از داده های باند حرارتی،جغرافیا (فصلنامه علمی انجمن جغرافیایی ایران)، 11(38)، 33-50. https://mag.iga.ir/article_705201.html?lang=fa
  2. خالدی، شهریار؛ کیخسروی، قاسم؛ احمدی براتی، فرزانه (1401). بررسی اثر تغییرات پوشش زمین بر دمای رویه سطحی زمین با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای سنجنده مودیس - مطالعه موردی: شمال شرق ایران. فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی «سپهر», 31(123), 179-197. https://doi.org/10.22131/sepehr.2022.699921
  3. خسروی، یونس؛ حیدری، محمد علی؛ توکلی، آزاده؛ زمانی، عباسعلی (1396). بررسی رابطه تغییرات زمانی دمای سطح زمین و الگوی فضایی تغییرات کاربری اراضی (مطالعه موردی: شهر زنجان). آمایش فضا و ژئوماتیک. ۲۱ (۳) :۱۱۹-۱۴۴. http://hsmsp.modares.ac.ir/article-21-4560-fa.html
  4. ریگی، منصور؛ پیری صحراگرد، حسین؛ دهمرده، محمدرضا؛ شهرکی، ابراهیم (1397). ارزیابی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از داده های سنجش از دور (مطالعه موردی: حوزه آبخیز نوک‌آباد، شهرستان خاش)، جغرافیا ( فصلنامه علمی انجمن جغرافیایی ایران)، 16 (59)، 191-202. https://mag.iga.ir/article_248654.html?lang=fa
  5. سالنامه آماری مازندران (1400). سالنامه آماری استان مازندران، معاونت آمار و اطلاعات، سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی استان مازندران، سازمان برنامه و بودجه کشور، ایران. https://mazandaran.mporg.ir/Portal/View/Page.aspx?PageId=fe9be606-e0c1-4d1f-9e9b-6eba993803e8
  6. صفرراد، طاهر؛ یوسفی، یداله؛ رضایی طالعی، عاطفه (1400). واکاوی تغییرات سطوح نفوذناپذیر و دمای سطح زمین در قائم‌شهر. تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی (علوم جغرافیایی)، 21(62 )، 183-199. http://dx.doi.org/10.52547/jgs.21.62.183
  7. ضیائیان، پرویز؛ ربیعی، حمیدرضا؛ علیمحمدی، عباس (1384). کشف و بازیابی تغییرات کاربری و پوشش اراضی شهر اصفهان به کمک سنجش‌ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی. آمایش فضا و ژئوماتیک. ۹ (۲) :۴۱-۵۴. http://hsmsp.modares.ac.ir/article-21-6077-fa.html
  8. کاکه ممی، آزاد؛ قربانی، اردوان؛ اصغری سراسکانرود، صیاد؛ قلعه، احسان؛ غفاری، سحر (1399). بررسی رابطه تغییرات کاربری اراضی و پوشش گیاهی با دمای سطح زمین در شهرستان نمین. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی ( کاربرد سنجش‌ازدور و GISدر علوم منابع طبیعی )، 11(2 (پیاپی 39))، 27-48. https://doi.org/10.30495/girs.2020.674652
  9. لطفی، صدیقه؛ علی زاده, توحید (1402). شناسایی و پایش تغییرات رشد و گسترش شهری با استفاده از اختلاط‌زدایی طیفی تصاویر سنجش‌ازدور و فنون سامانه اطلاعات جغرافیایی در سطح خرد (مطالعه موردی شهر آمل). نشریه سنجش‌ازدور و GIS ایران. https://doi.org/10.48308/gisj.2023.103727
  10. منصوری، سحر؛ خالدی، شهریار؛ برنا، رضا؛ اسدیان، فریده (1398). اثر تغییرات کاربری و کاهش فضای سبز شهری برتشدید جزیره گرمایی و آلودگی شهرتهران (مطالعه موردی: منطقه یک)، جغرافیا ( فصلنامه علمی انجمن جغرافیایی ایران)، 17(63)، 114-129. https://mag.iga.ir/article_246008.html
  11. مهندسین مشاور مازندطرح (1388)، مطالعات آمایش استان مازندران، سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی استان مازندران، سازمان برنامه و بودجه کشور.
  12. Carlson, T. N., & Arthur, S. T. (2000). The impact of land use—Land cover changes due to urbanization on surface microclimate and hydrology: A satellite perspective. Global and Planetary Change, 25, 49–65. https://doi.org/10.1016/s0921-8181(00)00021-7
  13. Chen, X.-L., Zhao, H.-M., Li, P.-X., & Yin, Z.-Y. (2006). Remote sensing image-based analysis of the relationship between urban heat island and land use/cover changes. Remote Sensing of Environment, 104, 133–146. https://doi.org/10.1016/j.rse.2005.11.016
  14. ESRI (2021). ArcGIS Desktop Help 10.8.
  15. Friedl, M., Sulla-Menashe, D. (2022). MODIS/Terra+Aqua Land Cover Type Yearly L3 Global 500m SIN Grid V061 [Data set]. NASA EOSDIS Land Processes Distributed Active Archive Center. Accessed 2023-12-30.
  16. Grimmond, C. S. B. (2006). Progress in measuring and observing the urban atmosphere. Theoretical and Applied Climatology, 84, 3-22. https://doi.org/10.1007/s00704-005-0140-5
  17. Guha, S., & Govil, H. (2020). An assessment on the relationship between land surface temperature and normalized difference vegetation index. Environmental Development and Sustainability, 23, 1944–1963. https://doi.org/10.1007/s10668-020-00657-6
  18. hejazizadeh, Z., zeyaeean, P., & shirkhani, A. (2013). Comparison of surface temperature estimation using thermal band data. Geography, 11(38), 33-50. [Persian] https://mag.iga.ir/article_705201.html?lang=en
  19. Islam, S., & Ma, M. (2018). Geospatial monitoring of land surface temperature effects on vegetation dynamics in the Southeastern Region of Bangladesh from 2001 to 2016. ISPRS International Journal of Geo-Information, 7, 486. https://doi.org/10.3390/ijgi7120486
  20. Jamei, Y., Seyedmahmoudian, M., Jamei, E., Horan, B., Mekhilef, S., & Stojcevski, A. (2022). Investigating the Relationship between Land Use/Land Cover Change and Land Surface Temperature Using Google Earth Engine; Case Study: Melbourne, Australia. Sustainability, 14(22), 14868. https://doi.org/10.3390/su142214868
  21. Kakeh Mami, A.; Ghorbani, A.; Asghari S., Sayyad; Ghaleh, E.; Ghafari, S. (2020). Investigating the relationship between land use changes and vegetation cover with land surface temperature in Namin county. Remote Sensing and Geographic Information System in Natural Resources (Application of Remote Sensing and GIS in Natural Resource Sciences), 11(2), 27-48. [Persian] https://doi.org/10.30495/girs.2020.674652
  22. Khaledi, Sh.; Keykhosravi, Gh.; Ahmadi Barati, F. (2022). Investigating the effect of land cover changes on land surface temperature using MODIS satellite imagery - A case study in northeastern Iran. Geographical Information Journal “Sepehr”, 31(123), 179-197. [Persian] https://doi.org/10.22131/sepehr.2022.699921
  23. Khosravi, Y.; Heydari, M.; Tavakoli, A.; Zamani, A. (2017). Analyzing of the Relationship Between Land Surface Temperature Temporal Changes and Spatial Pattern of Land Use changes. MJSP 2017; 21 (3) :119-144. [Persian] http://hsmsp.modares.ac.ir/article-21-4560-fa.html
  24. Li, X., Wang, Y., Li, J., & Lei, B. (2016). Physical and socioeconomic driving forces of land-use and land-cover changes: A Case Study of Wuhan City, China. Discrete Dynamics in Nature and Society. https://doi.org/10.1155/2016/8061069
  25. Liping, C., Yujun, S., & Saeed, S. (2018). Monitoring and predicting land use and land cover changes using remote sensing and GIS techniques—A case study of a hilly area, Jiangle, China. PloS one, 13(7), e0200493. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0200493
  26. Lotfi, S.; Alizadeh, T. (2024). Identification and monitoring of urban growth and expansion using spectral unmixing of remote sensing images and geographic information system techniques at a local level (case study: Amol city). Iranian Journal of Remote Sensing and GIS. 16 (3): 147-164. [Persian] https://doi.org/10.48308/gisj.2023.103727
  27. Mansouri, S., Khaledi, S., Borna, R., & Asadian, F. (2020). Effect of Land Use Change and Reduction of Urban Green Space on Intensification of Heat Island and Pollution in Tehran (Case Study: Region One). Geography, 17(63), 114-129 [Persian]. https://mag.iga.ir/article_246008.html
  28. Mansourmoghaddam, M., Rousta, I., Cabral, P., Ali, A. A., Olafsson, H., Zhang, H., & Krzyszczak, J. (2023). Investigation and Prediction of the Land Use/Land Cover (LU/LC) and Land Surface Temperature (LST) Changes for Mashhad City in Iran during 1990–2030. Atmosphere, 14(4), 741. https://doi.org/10.3390/atmos14040741
  29. Mazandtarh Consulting Engineers (2009). Studies on the development of Mazandaran province, Organization for Management and Planning of Mazandaran province, National Budget and Planning Organization. [Persian]
  30. Ord, J. K., & Getis, A. (1995). Local spatial autocorrelation statistics: distributional issues and an application. Geographical analysis, 27(4), 286-306. https://doi.org/10.1111/j.1538-4632.1995.tb00912.x
  31. Patel, S., Indraganti, M., & Jawarneh, R. N. (2023). A comprehensive systematic review: Impact of Land Use/Land Cover (LULC) on Land Surface Temperatures (LST) and outdoor thermal comfort. Building and Environment, 111130. https://doi.org/10.2139/ssrn.4565518
  32. Piringer, M., Grimmond, C. S. B., Joffre, S. M., Mestayer, P., Middleton, D. R., Rotach, M. W., ... & Tombrou, M. (2002). Investigating the surface energy balance in urban areas–recent advances and future needs. Water, Air and Soil Pollution: Focus, 2, 1-16. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0312-4_1
  33. Rigi, M., Piri Sahragard, H., Dahmarde, M., & Shahraki, E. (2019). Evaluation of land use changes using remote sensing data (Case study: Nokabad watershed, Khash city). Geography, 16(59), 191-202. [Persian] https://mag.iga.ir/article_248654.html?lang=en
  34. Rousta, I., Olafsson, H., Moniruzzaman, M., Ardö, J., Zhang, H., Mushore, T. D., Shahin, S., & Azim, S. (2020). The 2000–2017 drought risk assessment of the western and southwestern basins in Iran. Modeling Earth Systems and Environment, 6, 1201–1221. https://doi.org/10.1007/s40808-020-00751-8
  35. Rousta, I., Sarif, M. O., Gupta, R. D., Olafsson, H., Ranagalage, M., Murayama, Y., Zhang, H., & Mushore, T. D. (2018). Spatiotemporal analysis of land use/land cover and its effects on surface urban heat island using Landsat data: A case study of Metropolitan City Tehran (1988–2018). Sustainability, 10, 4433.
  36. Safarrad, T.; Yousefi, Y.; Rezaei Tale’i, A. (2021). Investigating impermeable surface changes and land surface temperature in Qaemshahr. Applied Research in Geographic Sciences, 21(62), 183-199. [Persian] http://dx.doi.org/10.52547/jgs.21.62.183
  37. Statistical Yearbook of Mazandaran (2021). Statistical yearbook of Mazandaran province, Statistics and Information Deputy, Organization for Management and Planning of Mazandaran province, National Budget and Planning Organization, Iran. [Persian] https://mazandaran.mporg.ir/Portal/View/Page.aspx?PageId=fe9be606-e0c1-4d1f-9e9b-6eba993803e8
  38. Tran, D. X., Pla, F., Latorre-Carmona, P., Myint, S. W., Caetano, M., & Kieu, H. V. (2017). Characterizing the relationship between land use land cover change and land surface temperature. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 124, 119-132. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2017.01.001
  39. Wang, P., Yu, P., Lu, J., & Zhang, Y. (2022). The mediation effect of land surface temperature in the relationship between land use-cover change and energy consumption under seasonal variations. Journal of Cleaner Production, 340, 130804. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130804
  40. Weng, Q., Lu, D., & Schubring, J. (2004). Estimation of land surface temperature–vegetation abundance relationship for urban heat island studies. Remote Sensing of Environment, 89, 467–483. https://doi.org/10.1016/j.rse.2003.11.005
  41. Wu, D., Zhao, X., Liang, S., Zhou, T., Huang, K., Tang, B., & Zhao, W. (2015). Time-lag effects of global vegetation responses to climate change. Global Change Biology, 21, 3520–3531. https://doi.org/10.1111/gcb.12945
  42. Yang, J., Fu, L. Y., Zhang, Y., & Han, T. (2022). Temperature-and pressure-dependent pore microstructures using static and dynamic moduli and their correlation. Rock Mechanics and Rock Engineering, 55(7), 4073-4092. https://doi.org/10.1007/s00603-022-02829-4
  43. Zeaiean, P.; Rabiei, H. R.; Alimohamadi, A.; (2006). Detection of Land Use/Cover Changes of Isfahan by Agricultural Lands Around Urban Area Using Remote Sensing and GIS Technologies. MJSP 2006; 9 (2) :41-54. [Persian] http://hsmsp.modares.ac.ir/article-21-6077-fa.html