دمای سطح زمین

افزایش فعالیت های انسانی باعث ایجاد اختلال در اکوسیستم ها و محیط زیست انسان در مقیاس های مختلف شده است. تکنیک های سنجش از دور برای تعیین کمیت و تشخیص تغییرات اکولوژیکی موثر تشخیص داده شده اند و می تواند به عنوان یک جایگزین برای پایش تغییرات مکانی در شرایط اکولوژیکی محیط مطرح باشد. امروزه استفاده از داد ه های سنجش از دور برای مطالعات مرتبط با کیفیت محیط زیست شهری نیز افزایش یافته است. در این پژوهش کیفیت اکولوژیکی محیط زیست شهرستان کرج با استفاده از تصاویر سری لندست در سال های 2010 و 2020 با استفاده از تحلیل مؤلفه های اصلی درجه سبز، رطوبت، خشکی و گرما برای تعیین چهار شاخص اکولوژیکی سنجش ازدور ارزیابی و تجزیه و تحلیل شد. شاخص های اکولوژیکی سنجش از دوری مورد استفاده در استخراج کیفیت محیط زیست شامل شامل LST، NDVI، NDBI و WET است. نتایج نشان داد که کیفیت محیط زیست شهرستان کرج از سال 2010 تا 2022 به طور کلی سیر نزولی داشته و میانگین RSEI از 59/0 25/0 کاهش یافته است که نشان از تخریب محیط زیست این شهرستان باتوجه به گسترده شدن بخش های مسکونی آن دارد. تغییرات محیط زیست در منطقه مورد مطالعه ارتباط تنگاتنگی با فعالیت های انسانی در قالب گسترش مکانی مناطق مسکونی و توسعه دارد که ناشی از مهاجرپذیری منطقه مورد مطالعه و مجاورت آن با شهر تهران است. شاخص مورد استفاده در پژوهش حاضر می تواند به طور مناسبی تغییرات مکانی کیفیت محیط زیست را از ابعاد مختلف منعکس نماید و یک روش موثر برای ارزیابی جامع کیفیت محیط زیست و شرایط اکولوژیکی در محیطهای شهری است.

خزش شهری، به عنوان یکی از الگوهای نامنظم رشد و توسعه شهرها شناخته می شود. این پدیده، پیامدهای مخربی در زمینه های اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی به همراه دارد. تحقیق حاضر به بررسی ارتباط رشد مناطق ساخت و ساز شده و افزایش جزایر گرمایی به عنوان یکی از پیامدهای پدیده خزش شهری می پردازد. به این منظور، با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست، نقشه های دما سطح زمین در هیوستون واقع در ایالات متحده، طی بازه زمانی 2017 تا 2023 تهیه می گردند. همچنین، نقشه های پوشش اراضی محدوده مطالعاتی با استفاده از الگوریتم یادگیری ماشین و با دقت %31/94 ایجاد می شوند. مقادیر آنتروپی شانون نرمال شده 0.9271 برای سال 2017 و 0.9314 برای سال 2023 نشان دهنده پراکندگی بالا مناطق ساخته شده و افزایش خزش شهری طی این دوره زمانی است. مقایسه نقشه های پوشش اراضی و دما سطح زمین، افزایش 3.84 درجه سلسیوسی دما در مناطق ساخته شده طی بازه زمانی مورد نظر را نشان می دهد. اختلاف دما 41/4 درجه سلسیوس مناطق ساخته شده و ساخته نشده مجاور، شدت جزایر گرمایی ایجاد شده بر اثر رشد ساخت و ساز را نمایان می سازد. افزایش چشمگیر دما در اثر رشد ساخت و ساز و تاثیر مناطق ساخته شده بر ایجاد جزایر گرمایی شهری، اهمیت مدیریت و برنامه ریزی صحیح در راستای مقابله با چالش های خزش شهری و توسعه پایدار را نشان می دهد.

افزایش دمای سطحی زمین و یا ایجاد جزایر حرارتی روی سطح شهرها یکی از عوامل زیست محیطی است که محققان در دهه های اخیر به آن توجه کرده اند. هدف از پژوهش حاضر تحلیل مکانی و زمانی دمای سطحی بخش شرقی استان قزوین در دو مرحله است. در مرحله اول پس از محاسبه دمای سطحی با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست ۸ در سال های 2016، 2019 و 2021 روند تغییرات دما در تابستان و زمستان مطالعه شد. هدف از مرحله دوم ارزیابی و تحلیل تأثیر برخی عوامل مختلف توپوگرافی و انسانی بر تغییرات دمای منطقه است. این ارتباط با روش آماری – مکانی نسبت فراوانی استخراج و تحلیل شد. نتایج نشان داد که در فصل تابستان وسعت نواحی با دمای بیش از 35 درجه از حدود 6600 کیلومتر مربع در سال 2016 به بیش از 9300 کیلومتر مربع در سال 2021 رسیده است. در مقابل، در فصل زمستان مساحت دمای زیر صفر درجه در سال 2016 از حدود 1330 کیلومتر مربع به حدود 890 کیلومتر مربع در سال 2021 رسیده است؛ بنابراین به طور کلی، دمای منطقه در طول دوره مد نظر افزایش داشته است. همچنین، از میان عوامل طبیعی انتخاب شده، ارقام محاسبه شده نسبت فراوانی لایه جهت شیب نشان دهنده تأثیرگذاری بیشتر این عامل نسبت به دیگر عوامل طبیعی بوده است. از طرف دیگر، پوشش اراضی بایر با رقم نسبت فراوانی 75/0 در کلاس دمایی بیش از 35 درجه سانتیگراد در فصل تابستان و پوشش برفی با رقم نسبت فراوانی 89/0 در کلاس دمایی زیر منفی 13 درجه در فصل زمستان نشان دهنده تأثیر نوع پوشش و کاربری زمین در تغییرات دمای محیط است. با استخراج چنین روابط مکانی – زمانی از منطقه مطالعه شده می توان اقدام های تأثیرگذاری را در زمینه مدیریت شهری، زیست محیطی و بحران انجام داد و سپس از پیامدهای منفی زیست محیطی بسیاری جلوگیری کرد.

سابقه و هدف : دمای سطح زمین یک متغییر کلیدی در برنامه ریزی ناحیه ای و منطقه ای می باشد باتوجه به اهمیت دمای سطح زمین در مطالعات تغییرات اقلیمی، مدل سازی هیدرولوژیکی ، نظارت بر پوشش گیاهی، جزیره گرمای شهری، توسعه ی شهری،گرمایش جهانی، شرایط کشاورزی و همچنین تأثیر آن بر نرخ و زمان رشد گیاهان پارامتر ورودی به اکثر مدل ها است؛ هرچه دقت تخمین این متغیر بالاتر باشد خروجی مدل نیز همراه با دقت بالاتری خواهد بود؛ بنابراین مطالعه بهینه و مناسب تغییرات مکانی و زمانی دمای سطح زمین در شرایط جوی و آب و هوایی متفاوت ضروری است.با توجه به محدودیت ایستگاه های هواشناسی، سنجش از دور می تواند به عنوان پایه و اساس بسیاری از داده های هواشناسی مورد استفاده قرار گیرد. دمای سطح زمین در تصاویر ماهواره ای شامل میانگین دمای پیکسلی است که پوشش دهنده بخشی از سطح زمین بوده و بر اساس انرژی رسیده به سنجنده (رادیانس) در باند حرارتی محاسبه می شود. از این رو عدم وجود قدرت تفکیک زمانی و مکانی بالا ی داده های ماهواره ای به طور همزمان یک چالش اساسی در بررسی و تخمین متغیر دما مطرح می گردد. مواد و روش ها : در این مطالعه سعی شد با استفاده از روش یادگیری عمیق و یادگیری ماشین، از تصاویر ماهواره ای MODIS، VIIRS و ECOSTRESS استفاده و نقشه های روزانه دمای سطح زمین سنجنده ی ECOSTRESS با قدرت تفکیک مکانی 70 متر در زمان های فاقد داده در آبخیز بار-اریه نیشابور استان خراسان رضوی و آبخیز سد لتیان در استان تهران تولید گردد. مدل های مورد استفاده در پژوهش شامل مدل SVR به عنوان یک مدل محبوب یادگیری ماشین در زمینه های پیش بینی و رگرسیون و مدل LSTM یکی از قوی ترین مدل های یادگیری عمیق در حوزه پردازش سری های زمانی می باشند. برای این منظور سه جفت تاریخ برای هرحوضه (شش تاریخ) انتخاب شد. تصاویر هر جفت داده به طور همزمان دراختیار مدل ها قرار گرفتند. درنهایت با استفاده از آماره های RMSE، و NRMSE عملکرد هر مدل در هر تاریخ مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج و بحث : بررسی ضرایب RMSE ،  و NRSME مربوط به مدل LSTM و SVR برای هر دو منطقه نشان دهنده ی برتری عملکرد مدل LSTM بود. بهترین نتیجه RMSE ،  و NRMSE حاصل از مدل LSTM برای آبخیز بار-اریه در تاریخ های 17 ژوئن 2020 به ترتیب 81/1 درجه سانتی گراد، 66/0 و 94/11 درصد و در حوزه آبخیز لتیان برای تاریخ 28 ژوئن 2019 به ترتیب حدود 61/1 درجه سانتی گراد، 83/0 و 65/8 درصد بود. مدل LSTM با توجه به ساختار، ویژگی های خود و به عنوان یک مدل یادگیری عمیق قوی با استخراج ویژگی از درون داده های خام با درنظر گرفتن ماهیت سری زمانی بودن داده ها توانست بر پیچیدگی های فرآیند تحت مدل سازی غلبه نماید.ذکر این نکته ضروری است که با درنظرگرفتن پیچیدگی فرآیند و متنوع بودن عوامل موثر بر دمای سطح زمین نتایج به دست آمده از دقت و صحت قابل قبولی برخوردار هستند. بازسازی و پیش بینی دمای سطح زمین برای 3 الی4 روز بعد انجام شده است (با توجه به فاصله زمانی بین دو تصویر متوالی ECOSTRESS). تنوع و جزئیات رویدادهایی که در این زمان می تواند رخ دهد گواهی دیگر بر مناسب بودن نتایج و کارایی مدل LSTM است. نتیجه گیری : بررسی نتایج و مقادیر  به عنوان یک معیار استاندارد برای ارزیابی تحلیل های رگرسیون، و نیز مقادیر RMSE و NRMSE نشان از برتری مدل LSTM در بازسازی مقادیر دمای سطح زمین ECOSTRESS می باشد. با توجه به دامنه تغییرات و مولفه های موثر، دمای سطح زمین در تاریخ های مورد بازسازی بین صفر تا بعضا نزدیک به 35 درجه سانتیگراد تغییر نمود، مقدار RMSE (نشان دهنده متوسط خطای مدل ) برای مدل LSTM بین حدود 1.5 تا 3 درجه سانتیگراد بوده که قابل قبول و مناسب به نظر می رسد. مقادیر نرمال شده RMSE یا همان NRMSE نیز در اغلب تاریخ ها بین 8 تا 17 درصد بوده که در مدل سازی های محیطی با توجه به پیچیدگی های بالای فرآیندها مقادیر قابل قبولی می باشند.

دمای سطح زمین یکی از پارامترهای مهم برای درک تغییرات فضایی و فرآیندهای سطح زمین است که به ارزیابی واقعی از وضعیت محیطی در مقیاس های محلی تا جهانی کمک می کند. ﺳﻨﺠﻨﺪه مودیس دمای سطح زﻣیﻦ را ﺑه ﻄﻮر پیوسته در ﻣﻘیﺎﺳی ﺟﻬﺎﻧی و ﺑﺎ ﻗﺪرت ﺗﻔکیک ﻣکﺎﻧی مناسب ﺗﻮﻟیﺪ و در اختیار پژوهشگران ﻗﺮار می دهد. در این پژوهش برای بررسی روند دمای سطح کویر درانجیر، ابتدا داده های روزانه دمای سطح زمین در محدوده حوضه آبریز کویر درانجیر در بازه زمانی سال های 2003 تا 2022 با تفکیک مکانی 1000 متری از وبگاه ناسا استخراج شد. پس از پردازش های لازم، میانگین بلندمدت روزانه (بیشینه) و شبانه (کمینه) دمای سطح کویر درانجیر در مقیاس فصلی و سالانه محاسبه شد. نتایج میانگین دمای سطح زمین در مقیاس فصلی نشان داد که بالاترین دمای سطح در نواحی پست به ویژه چاله بافق است که  اثر ارتفاع کم بر دمای سطح حوضه کویر درانجیر را نشان می دهند. علاوه بر این نتایج گویای آن است که اختلاف شبانه روزی دمای سطح کویر درانجیر در دوره گرم سال(فصول بهار و تابستان) بیش از دوره سرد سال(فصول پاییز و زمستان) است. در مقیاس سالانه نیز نشان داد که میانگین دمای روزانه سطح 40 درجه سلسیوس و میانگین دمای شبانه 9 درجه سلسیوس است که در این صورت اختلاف شبانه روزی دمای سطح 31 درجه خواهد بود. این اختلاف چشم گیر دمای شبانه روزی سطح می تواند چالش هایی را ایجاد کند.

تحلیل روند دمای سطح زمین و شناسایی عوامل مؤثر بر آن، به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک، از اهمیت بالایی در مدیریت محیطی و برنامه ریزی منابع طبیعی برخوردار است. این پژوهش با هدف بررسی تغییرات دمای سطح زمین و ارتباط آن با تغییرات پوشش گیاهی و سطح آب دریاچه ها در حوضه آبریز بختگان–مهارلو طی دوره ی زمانی 2020-1990 انجام شد. برای دستیابی به این هدف، داده های ماهواره ای لندست ۵ و ۸ مورد استفاده قرار گرفته و شاخص های NDVI ، NDWI و LST ، استخراج شدند. در کنار آن، روند ۳۰ ساله بارندگی در ایستگاه های منتخب با استفاده از آزمون من–کندال و شیب سن تحلیل شد تا تغییرات دمایی در ارتباط با روندهای بارش ارزیابی شود. همچنین، تحلیل لکه های داغ(*Gi) برای شناسایی نواحی دارای تمرکز بالای دمایی انجام شد. یافته ها نشان داد که در سه دهه اخیر، کاهش بارندگی در جنوب و جنوب شرقی حوضه منجر به کاهش قابل توجه منابع آبی و تخریب پوشش گیاهی در این نواحی شده است. شاخص NDWI روند کاهشی شدیدی را در سطح دریاچه های طشک، بختگان و مهارلو داشته و شاخص NDVI نیز در مناطق پیرامون این پهنه ها، کاهش محسوس پوشش گیاهی را نشان داد. همزمان، نقشه های دمای سطح زمین گویای انتقال طبقات دمایی از بازه های معتدل (25 – 15 درجه سلسیوس) به بازه های بالاتر (58 – 45 درجه سلسیوس) در جنوب و مرکز حوضه بوده اند، که نشان دهنده ی تشدید گرمایش سطحی است. تمرکز این گرمایش در مناطقی است که کاهش منابع آبی و پوشش گیاهی به صورت هم زمان رخ داده اند. نتایج تحلیل لکه های داغ نشان داد که خوشه های حرارتی با شدت بالا عمدتاً در جنوب و جنوب شرق حوضه متمرکز شده اند؛ این تمرکز مکانی دماهای بالا با نواحی دارای بیشترین افت بارندگی، کاهش منابع آبی و تخریب پوشش گیاهی انطباق دارد، که نشان دهنده ی همپوشانی فضایی و تعامل منفی بین این مؤلفه ها در فرآیند گرم شدگی سطح زمین است.

در مطالعات تغییر اقلیم، مقیاس کاهی و تبدیل داده های مدل های گردش کلی (GCMs) از سلول های بزرگ مقیاس به واحدهای کوچک تر و یا نقطه ای بسیار حائز اهمیت است. در این پژوهش روشی برای مقیاس کاهی داده های بزرگ مقیاس دمای ماهانه مدل های گردش کلی CMIP6 ارائه گردیده است که در آن، از رابطه بین دمای هوای استان یزد با دمای سطح زمین (LST) به عنوان یکی از محصولات تصاویر سنجنده مودیس استفاده گردید تا داده های دمایی سه مدل گردش کلی TaiESM1، ACCESS-CM2 و CanESM5 با دقت های مکانی 105*118 کیلومترمربع، 138*175 کیلومترمربع و 310*270 کیلومترمربع را به نقشه های دمای ماهانه استان یزد با دقت مکانی 1*1 کیلومترمربع بهبود دهد. نتایج حاصله نشان داد که روش پیشنهادی برای مقیاس کاهی دما، کارآیی مناسب تری نسبت به روش های پیشین نظیر روش دلتا داشته و در مدل های مختلف گردش کلی با دقت های مکانی مختلف دارای کارایی های متفاوتی بوده است؛ به طوری که دقت این روش در مدل Can-ESM5 نسبت به مدل های Access-CM2 و Tai-ESM2 بیشتر بود. در ادامه، اقدام به شبیه سازی میانگین دمای ماهانه و سالانه استان یزد به کمک مدل های TaiESM1، ACCESS-CM2 و CanESM5 تحت سه سناریوی SSP1-2.6، SSP2-4.5 و SSP5-8.5 در دهه های آتی (2100-2015 میلادی) شد. بر اساس نتایج به دست آمده از محدوده مطالعاتی استان یزد، میانگین دمای سالانه دهه های آتی استان یزد دارای روند افزایشی بوده و این مدل ها افزایش دمای 15 تا 35 درصد (میانگین 22 درصد) نسبت به دوره پایه را پیش نگری می کند. در بین سه مدل گردش کلی مذکور، بیشترین افزایش دما توسط CanESM5 پیش نگری شده و در بین سه سناریوی SSP بیشترین افزایش دما توسط سناریوی SSP5-8.5 پیش نگری شده است.

سنجش از دور طیف مادون قرمز حرارتی، یک تکنیک نوظهور برای تعیین ناهنجاریهای حرارتی در مناطق آتشفشانی به شمار می رود. در این تحقیق به بررسی پتانسیل تصویربرداری مادون قرمز حرارتی در تغییرات دمایی سطح آتشفشان سبلان پرداخته شده است. بخش های وسیعی از این آتشفشان در منطقه ای صعب العبور قرار دارد که توسط ارتفاعات احاطه شده است. لذا برای بررسی تغییرات پوشش گیاهی و دمای سطح زمین نواحی آتشفشانی در بازه زمانی 2018 تا 2023 از سنجنده های زمین عملیاتی OLI و سنجنده مادون قرمز حرارتی TIRS ماهواره لندست 8 استفاده شد. ترکیبی از نسبت های باندی بین باندهای 5/7، 4/5 و 7/6 به طور موثری دگرسانی معدنی نواحی آتشفشانی را نشان می دهند. در سمت شمالی کوه سبلان تغییرات حرارتی بالایی به وقوع پیوسته است. این فرایند، پتانسیل زمین گرمایی آتشفشان سبلان را نشان می دهد. آخرین داده های تصاویر سنجنده های OLI و TIRS نشان دهنده تغییرات حرارتی از صفر تا 47 درجه سانتیگراد در سال 2021 بوده است. نتایج بررسی ها، الگوهای ناهنجاری حرارتی را از سال 2018 تا 2023 در چندین نقطه نشان می دهد. توزیع این ناهنجاری ها مطابق با داده های LST در ماهواره لندست 8 می باشد. مقادیر NDVI در مکان های بالقوه زمین گرمایی با کاهش همراه بوده است. بررسی ها نشان می دهد که پهنه هایی با بیشترین پوشش گیاهی رو به کاهش بوده است به طوری که از 7/70 کیلومتر مربع در سال 2018 به 1/41 کیلومتر مربع در سال 2023 کاهش یافته است. یافته های حاصل از دمای سطح زمین نیز حاکی از این است که چشمه های آبگرم قوتورسوئی، موئیل و ایلاندو در پهنه های حرارتی بالایی قرار گرفته اند.