Evaluating the Relationship between Heat Island and Atmospheric Pollutants (Case Study: Tehran Metropolis)

Subject Areas :

Bromand Salahi ^{1 *} , Mahdi Frotan ²

1 - Professor of Climatology, Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
2 - Ph.D. Student of Climatology, Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.

Received: 2024-06-04 Accepted : 2024-11-11 Published : 2024-12-21

Keywords: NDVI Index, Pollutants, Tehran City, Urban Heat Islands.,

Abstract :

An urban heat island is an area where the temperature has increased significantly and has many negative consequences. This study aimed to investigate the relationship between the heat island of Tehran and atmospheric pollutants in the period 2019 to 2024. To display the heat island, land surface temperature data from the MODIS Terra satellite was used on the Google Earth Engine platform. In this context, the land use status of the study area was also analyzed, and the NDVI index was calculated using Landsat 8 satellite images to obtain a view of the vegetation status of the area. Then, the status of atmospheric pollutants affecting the intensity and spread of the heat island, including water vapor, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, methane, ozone, and aerosol optical depth, was extracted and processed from Sentinel 5 satellite data. In order to evaluate the relationship of these variables with land surface temperature, the coefficient of determination and correlation were calculated for 500 random points. The results showed that the average surface temperature of the earth increased from west to east of Tehran, and a heat halo with an average temperature of over 16 degrees Celsius has formed in the center and southeast of the city. The high density of residential areas and pollution from transportation in the eastern and southern areas are the main factors in the formation and intensification of this phenomenon. Among the factors studied, water vapor, with a positive and significant correlation coefficient of 0.648, had the greatest impact on the increase in local temperature, and sulfur dioxide and nitrogen dioxide also showed significant effects on temperature. In contrast, vegetation played an important role in moderating temperature. Also, the study of other pollutants such as aerosols, methane, and ozone showed that these gases have a lesser impact on local temperature.

References:

1. احمدی، محمود؛ داداشی رودباری، عباسعلی (1396). شناسایی جزایر حرارتی شهری مبتنی بر رویکرد زیست‌محیطی، مطالعه موردی (کلان‌شهر اصفهان). جغرافيا و برنامه‌ريزي محيطي. 28 (3)، 1-20. https://doi.org/10.22108/gep.2017.98318.0
2. اسکانی کزازی، غلامحسین؛ لاله سیاه پیرانی، میترا (1389). تحلیل سینوپتیکی آلودگی هوای شهر تهران. فصلنامه علمی پژوهشی جغرافیا. 4 (12)، 135-161.
3. آروین، عباسعلی (1397). بررسی جزیره حرارتی در ارتباط با آلودگی هوا در شهر اصفهان. جغرافیا و مخاطرات محیطی. 7 (25)، 115-129. https://doi.org/10.22067/geo.v7i1.64590
4. پور‌امین، کتایون؛ خاتمی، سید‌مهدی؛ شمس‌الدینی، علی (1399). عوامل مؤثر بر شکل‌گیری جزایر حرارتی شهری؛ با تأکید بر ویژگی‌ها و چالش‌های طراحی شهری. سامانه نشریات دانشگاه تربیت مدرس. 1 (1)، 69-83. http://udd.modares.ac.ir/article-40-35601-fa.html
5. حلبیان، امیر‌حسین؛ سلطانی، زهرا (1399). واکاوی تغییرات فضایی- زمانی جزایر گرمایی شهری و کاربری اراضی با رویکرد زیست‌محیطی در شیراز. فصلنامه علمی مطالعات ساختار و کارکرد شهری. 7 (24)، 73-97. 10.22080/usfs.2020.15874.1736
6. فدایی، هادی (1399). بررسی جزایر گرمایی شهر تهران با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای. فصلنامه علمی‌-‌پژوهشی اطلاعات جغرافیایی. 29 (116)، 130-119. https://www.doi.org/10.22131/sepehr.2021.242864
7. کارکن سیستانی، مرضیه؛ دوستان، رضا (1394). جزیره گرمایی کلان‌شهر مشهد. جغرافیا و توسعه فضای شهری. 2 (2)، 123-138. https://doi.org/10.22067/gusd.v2i2.47438
8. محمدی، مجتبی؛ عفیفی، محمد‌ابراهیم (1400). بررسی وقوع پدیده جزیره حرارتی شهری با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای ASTER (منطقه مورد مطالعه: شهر شیراز). جغرافیا و مطالعات محیطی. 10 (37)، 44-21.
9. محمود‌زاده، حسن؛ نقدبیشی، افسانه؛ مؤمنی، سحر (1397). تأثیر کاربری‌های شهری در ایجاد جزایر حرارتی (مطالعه موردی: شهر مشهد). جغرافیا و مخاطرات محیطی. 7 (3)، 105-119. https://doi.org/10.22067/geo.v0i0.68150
10. منتظری، مجید؛ کفایت‌مطلق، امید‌رضا (1397). واکاوی میانگین بلندمدت پوشش گیاهی ایران به کمک نمایه NDVI. جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی. 29 (3)، 1-14. https://doi.org/10.22108/gep.2018.98301.0
11. یوسفی، یداله و ديگران (1396). بررسی پدیده جزیره حرارتی و اثر آن بر تغییرپذیری روز به روز دمای تابستان شهر بابل. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی. 49 (3)، 491-501. https://doi.org/10.22059/jphgr.2017.213105.1006913
12. Brandsma, T. & Wolters, D. (2012). Measurement and statistical modeling of the urban heat island of the city of Utrecht (the Netherlands). Journal of Applied Meteorology and Climatology. 51 (6), 1046-1060. https://doi.org/10.1175/JAMC-D-11-0206.1
13. Dewan, A. et al (2021). Surface urban heat island intensity in five major cities of Bangladesh: Patterns. Drivers and Trends. 71, 102926. https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.102926
14. Giannaros, T. & Melas, D. (2012). Study of the urban heat island in a coastal Mediterranean City: The case study of Thessaloniki, Greece. Atmospheric Research. 18, 103-120. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2012.06.006
15. Lokoshchenko, M.A. (2014). Urban ‘heat island’ in Moscow. Urban Climate. 10 (3), 550-562. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2014.01.008
16. Marando, F. et al (2022). Urban heat island mitigation by green infrastructure in European Functional Urban Areas. Sustainable Cities and Society. 77, 103564. https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.103564
17. Morabito, M. et al (2021). Surface urban heat islands in Italian metropolitan cities: Tree cover and impervious surface influences. Science of The Total Environment. 751, 142334. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142334
18. Rizvi, Sh.; Alam, Kh. & Iqbal, M. (2019). Spatio -temporal variations in urban heat island and its interaction with heat wave. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 185, 50-57. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.02.001
19. Sangiorgio, V.; Fiorito, F. & Santamouris, M. (2020). Development of a holistic urban heat island evaluation methodology. Scientific Reports. 10, 17913. https://doi.org/10.1038/s41598-020-75018-4
20. Simwanda, M. et al (2019). Spatial analysis of surface urban heat islands in four rapidly growing African cities. Remote Sens. 11 (14), 1645. https://doi.org/10.3390/rs11141645
21. Zhou, B.; Rybski, D. & Kropp, J. (2017). The role of city size and urban form in the surface urban heat island,. Cientific Reports. 7 (4791), 1-9.