Assessment of Spatial Temporal Variability of Urban Heat Island Effect: a Case Study in the Central Districts of İzmir

Abstract

The rapid increase in urban population leads to changes in land use/land cover (LULC) and environmental problems such as Urban Heat Islands. Temperatures in cities being higher than their rural surroundings is a climatic phenomenon known as Urban Heat Island (UHI). Besides direct measurements of air temperature, Land Surface Temperature (LST) that characterizes Surface Urban Heat Island (SUHI) is widely used to determine the impact of UHI. This study aims to determine the spatial/temporal variability of the SUHI effect in the central districts of İzmir for the years 1990, 2000, 2006, 2012, and 2018. Landsat satellite images were used for LST, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI), Normalized Difference Building Index (NDBI), Urban Index (UI), and albedo, while the CORINE land cover dataset was used for LULC maps. In the study, the relationship between LST and LULC, and spectral indices was analyzed using zonal statistics, correlation, and regression analyses. In 2018, the highest LST values were observed for pastures, industry, commercial areas, transportation units, and mines, respectively. There is a high positive correlation between LST and NDBI, UI, Albedo, and a negative correlation with NDVI, respectively, while there is a moderate positive correlation with NDWI. In the regression model, 60.4% of the variability of the dependent variable is explained by NDBI and NDVI. NDBI (71.3%) and NDVI (7.6%) indices were the most effective factors on SUHI formation. The SUHI effect was more comprehensively evaluated across five different regions adding built-up indices into the variable set. It is concluded that the changes in LST values, together with the built environment indices, are largely influenced by changes in LULC.

Kentsel nüfusun hızla artması arazi kullanımı/arazi örtüsünde (AK/AÖ) değişikliklere ve Kentsel Isı Adaları gibi çevresel sorunlara neden olmaktadır. Şehirlerdeki sıcaklıkların kırsal çevrelerden daha yüksek olması, Kentsel Isı Adası (KIA) olarak bilinen bir iklim olgusudur. Hava sıcaklığının doğrudan ölçümlerinin yanı sıra, Yüzey Isı Adasını (YIA) karakterize eden Yer Yüzey Sıcaklığı (YYS), KIA'nın etkisini belirlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma, İzmir'in merkez ilçelerindeki YIA etkisinin mekânsal/zamansal değişkenliğini 1990, 2000, 2006, 2012 ve 2018 yılları üzerinden belirlemeyi amaçlamaktadır. Landsat uydu görüntülerinin termal verileri kullanılarak; YYS, Normalize Edilmiş Fark Bitki Örtüsü İndeksi (NDVI), Normalize Edilmiş Fark Su İndeksi (NDWI), Normalize Edilmiş Yerleşim Alanı İndeksi (NDBI), Kent İndeksi (UI) ve Albedo, CORINE arazi örtüsü veri seti kullanılarak ise AK/AÖ haritaları oluşturuldu. Çalışmada YYS ile AK/AÖ ve spectral indeksler arasındaki ilişki zonal istatistik, korelasyon ve regresyon analizleri ile incelendi. 2018 yılındaki en yüksek YYS değerleri sırasıyla meralar, sanayi, ticari alanlarda, ulaşım birimlerinde ve maden ocaklarında gözlendi. YYS ile sırasıyla NDBI, UI, Albedo arasında yüksek düzeyde pozitif bir ilişki ve NDVI ile negatif bir ilişki bulunurken, NDWI ile arasında orta düzeyde pozitif bir ilişki vardır. Regresyon modelinde bağımlı değişkendeki değişimin %60,4'ü NDBI ve NDVI tarafından açıklandı. NDBI (%71,3) ve NDVI (%7,6) endeksleri SUHI oluşumunda en etkili faktörlerdir. YIA etkisi, değişken setine yapılaşma indeksleri eklenerek beş farklı bölgede daha kapsamlı bir şekilde değerlendirildi. YYS değerlerindeki değişikliklerin, yapılı çevre indeksleri ile birlikte büyük ölçüde AK/AÖ'deki değişimlerden etkilediği sonucuna varıldı.