Monthly and diurnal surface temperature variations in the vicinity of Kastamonu City

Year 2024, Volume: 2 Issue: 4, 187 - 222, 01.12.2024

Büşra Kırcı , Erkan Yilmaz

Abstract

In addition to the global temperature increase, the fact that urbanization activities continue unabated has caused attention to be focused on urban heat islands in recent years. Urban heat islands can be determined through satellite images as well as meteorological measurements. The thermal infrared bands of satellite imagery record the energy emitted from a city and provide continuous data on a surface. In this study, surface temperature models were created for an area encompassing Kastamonu city center and its immediate surroundings. Monthly models were derived from LANDSAT, and one-day models were obtained from LANDSAT-ASTER imagery. Monthly variations were reported at the neighborhood scale, and averages for the study area, total urban neighborhood area, and the urban area were calculated and compared. Diurnal variation was assessed in relation to land cover in 2 profiles oriented roughly N-S and E-W. Accordingly, the general conclusions are as follows: (1) In winter, the city center is cooler than its surroundings, (2) nevertheless, of the 2 similar areas, one urban and one naturally landscaped, the urban area is warmer throughout the year, (3) the largest diurnal differences are in urban components, while the smallest differences are in natural landscape components such as water bodies and forests, (4) as the surface heterogeneity increases, it is determined that the energy is evenly distributed and temperature differences become smaller. The urban/surface heat island effect starts to develop in April and May, becomes most severe in June and continues in a fading form until the beginning of October.

Keywords

satellite data, land surface temperature, urban heat island, surface heat island, diurnal variations

Ethical Statement

This study does not require ethics committee approval.

Supporting Institution

---

Thanks

---

Kastamonu şehri yakın çevresinde aylık ve günlük yüzey sıcaklık değişimleri

Abstract

Küresel sıcaklığın artışıyla birlikte şehirleşme faaliyetlerinin hız kesmeden devam ediyor olması son yıllarda şehir ısı adaları üzerine dikkatlerin yoğunlaşmasına neden olmuştur. Şehir ısı adası meteorolojik ölçümlerle belirlenebileceği gibi uydu görüntüleri vasıtasıyla da incelenebilir. Uydu görüntülerinin termal kızılötesi bantları bir şehirden yayılan enerjinin kaydını tutar ve bir yüzeye ait sürekli veri sunar. Bu çalışmada Kastamonu şehir merkezini ve yakın çevresini kapsayan bir alanda yüzey sıcaklık modelleri oluşturulmuştur. Aylık modeller LANDSAT ve bir günlük model LANDSAT-ASTER görüntülerinden türetilmiştir. Aylık değişimler mahalleler ölçeğinde aktarılmış, çalışma alanı, şehirsel mahallelerin toplam alanı ve şehirsel alan için ortalamalar hesaplanmış ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Günlük değişim (gündüz-gece), kabaca K-G ve D-B doğrultulu 2 profilde arazi örtüsüyle ilişkilendirilerek incelenmiştir. Buna göre ulaşılan genel hususlar şöyledir: (1) Kış mevsiminde şehir merkezi çevresine göre daha serindir, (2) bununla birlikte biri şehir diğeri doğal peyzajlı 2 aynı alandan, şehir olanı yıl boyunca daha sıcaktır, (3) gündüz-gece arasındaki en büyük sıcaklık farkları şehirsel bileşenlerde, en küçük farklar su kütlesi ve orman gibi doğal peyzaj bileşenlerindedir, (4) yüzey heterojenliği arttıkça enerjinin dengeli bir şekilde dağıldığı ve sıcaklık farklarının küçüldüğü belirlenir. Nisan ve mayısta gelişmeye başlayan şehir/yüzey ısı adası etkisi haziranda en şiddetli hale gelerek ekim başına kadar hafifleyerek devam eder.

Keywords

uydu görüntüsü, yüzey sıcaklığı, şehir ısı adası, yüzey ısı adası, günlük değişim

Ethical Statement

Bu çalışma etik kurul onayı gerektirmemektedir.

Supporting Institution

---

Thanks

---

References

• Acar, D. (2005). Bursa’da şehirleşmenin yağış ve sıcaklık üzerine etkisi [Yüksek Lisans Tezi]. Ankara Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü.
• Almeida, C. R. de, Teodoro, A. C., & Gonçalves, A. (2021). Study of the Urban Heat Island (UHI) using remote sensing data/techniques: A systematic review. Environments, 8(10), 105. https://doi.org/10.3390/environments8100105
• Bottyán, Z., Kircsi, A., Szegedi, S., & Unger, J. (2005). The relationship between built-up areas and the spatial development of the mean maximum urban heat island in Debrecen, Hungary. International Journal of Climatology, 25(3), 405-418. https://doi.org/10.1002/joc.1138
• Bozdogan Sert, E., Kaya, E., Adiguzel, F., Cetin, M., Gungor, S., Zeren Cetin, I., & Dinc, Y. (2021). Effect of the surface temperature of surface materials on thermal comfort: a case study of Iskenderun (Hatay, Turkey). Theoretical and Applied Climatology, 144(1-2), 103-113. https://doi.org/10.1007/s00704-021-03524-0
• Buccolieri, R., Carlo, O. S., Rivas, E., Santiago, J. L., Salizzoni, P., & Siddiqui, M. S. (2022). Obstacles influence on existing urban canyon ventilation and air pollutant concentration: A review of potential measures. Building and Environment, 214, 108905. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.108905
• Canan, F. (2017). Kent geometrisine bağlı olarak kentsel ısı adası etkisinin belirlenmesi: Konya örneği. Çukurova Üniversitesi Mimarlık Mühendislik Fakültesi Dergisi, 32(3), 69-80.
• Chen, Q., Cheng, Q., Chen, Y., Li, K., Wang, D., & Cao, S. (2021). The influence of sky view factor on daytime and nighttime urban land surface temperature in different spatial-temporal scales: A case study of Beijing. Remote Sensing, 13(20), 4117. https://doi.org/10.3390/rs13204117
• Chen, Y., Amani-Beni, M., Chen, C., Liang, Y., Li, J., & Yang, L. (2023). Projection of urban land surface temperature: An inter- and intra-annual modeling approach. Urban Climate, 51, 101637. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2023.101637 Cheval, S., Dumitrescu, A., & Bell, A. (2009). The urban heat island of Bucharest during the extreme high temperatures of July 2007. Theoretical and Applied Climatology, 97(3-4), 391-401. https://doi.org/10.1007/s00704-008-0088-3
• Copernicus. (2023). CORINE Land Cover. https://land.copernicus.eu/en/products/corine-land-cover
• Coşkun, S. (2021). Küre Dağlarının Kastamonu iklimi üzerindeki etkileri. Türk Coğrafya Dergisi, 77, 37-52. https://doi.org/10.17211/tcd.833701
• Çiçek, İ. (2005). Ankara’da şehir ve kırsal sıcaklık farklarındaki değişiklikler (1970-2002). Fırat Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 15(2), 1-16.
• Çiçek, İ., & Doğan, U. (2005). Ankara’da şehir ısı adasının incelenmesi. Coğrafi Bilimler Dergisi, 3(1), 57-72.
• Çiçek, İ., & Türkoğlu, N. (2007). Konya’da şehirleşmeye bağlı bağıl nem ve su buharı basıncı değişiklikleri. Coğrafi Bilimler Dergisi, 5(2), 13-25. Çiçek, İ., & Türkoğlu, N. (2009). The effects of urbanization on water vapour pressure in a semi-arid climate. Theoretical and Applied Climatology, 95(1-2), 125-134. https://doi.org/10.1007/s00704-007-0363-8
• Çiçek, İ., Yılmaz, E., Türkoğlu, N., & Çalışkan, O. (2013). Ankara şehrinde yüzey sıcaklıklarının arazi örtüsüne göre mevsimsel değişimi. International Journal of Human Sciences, 10(1), 621-640.
• Çirkin, D. A., Yilmaz, E., & Özcanlı, M. (2024). Şanlıurfa Şehir Isı Adası’nın zamansal ve mekânsal özellikleri. Van İnsani ve Sosyal Bilimler Dergisi, 7, 66-95. https://doi.org/10.62068/visbid.1481455
• Çoban, A., & Aydınözü, D. (2016). Ilıca Şelalesi (Kastamonu-Pınarbaşı). Journal of Turkish Studies, 11(8), 43-43. https://doi.org/10.7827/TurkishStudies.9955
• DePaul, F. T., & Sheih, C. M. (1986). Measurements of wind velocities in a street canyon. Atmospheric Environment (1967), 20(3), 455-459. https://doi.org/10.1016/0004-6981(86)90085-5
• Dian, C., Pongrácz, R., Dezső, Z., & Bartholy, J. (2020). Annual and monthly analysis of surface urban heat island intensity with respect to the local climate zones in Budapest. Urban Climate, 31, 100573. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2019.100573
• Díaz-Chávez, L., Melendez-Surmay, R., & Arregocés, H. A. (2024). Urban heat island intensity in coastal cities of northern Colombia using Landsat data and WRF/UCM model. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 9, 100617. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2024.100617
• Duman Yüksel, Ü., & Yılmaz, O. (2008). Ankara kentinde kentsel ısı adası etkisinin yaz aylarında uzaktan algılama ve meteorolojik gözlemlere dayalı olarak saptanması ve değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23(4), 937-952.
• ECMWF. (2024). 2023 was the hottest year on record, Copernicus data show. https://www.ecmwf.int/en/about/media-centre/news/2024/2023-was-hottest-year-record-copernicus-data-show
• Eljadid, A. G. (1992). Urban Heat İsland Effect in Istanbul City [Master Thesis]. Istanbul Technical University.
• Eminoğlu, Y. (2023). Yüzey Kentsel Isı Adası Yoğunluğu ve Kırılganlığının Araştırılması: İstanbul Metropoliten Bölgesi İçin Çok Boyutlu Bir Yaklaşım [Yüksek Lisans Tezi]. İstanbul Teknik Üniversitesi.
• Fu, P., & Weng, Q. (2018). Variability in annual temperature cycle in the urban areas of the United States as revealed by MODIS imagery. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 146, 65-73. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2018.09.003
• Güneş, C., Pekkan, E., & Tün, M. (2021). Eskişehir kent merkezinde yer alan üniversite kampüslerindeki kentsel ısı adası etkilerinin LANDSAT-8 uydu görüntüleri üzerinden araştırılması. Ulusal Çevre Bilimleri Araştırma Dergisi, 4(1), 22-32.
• Huang, F., Zhan, W., Voogt, J., Hu, L., Wang, Z., Quan, J., Ju, W., & Guo, Z. (2016). Temporal upscaling of surface urban heat island by incorporating an annual temperature cycle model: A tale of two cities. Remote Sensing of Environment, 186, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.rse.2016.08.009
• Janković, V. (2013). A historical review of urban climatology and the atmospheres of the industrialized world. WIREs Climate Change, 4(6), 539-553. https://doi.org/10.1002/wcc.244
• Johnson, G. T., & Hunter, L. J. (1999). Some insights into typical urban canyon airflows. Atmospheric Environment, 33, 3991-3999.
• Karaca, M., Anteplioğlu, Ü., & Karsan, H. (1995). Detection of urban heat island in Istanbul, Turkey. Il Nuovo Cimento C, 18(1), 49-55. https://doi.org/10.1007/BF02561458
• Karaca, M., Tayanç, M., & Toros, H. (1995). Effects of urbanization on climate of İstanbul and Ankara. Atmospheric Environment, 29(23), 3411-3421. https://doi.org/10.1016/1352-2310(95)00085-D
• Kastamonu Valiliği. (2023). Kastamonu merkez ilçe mahalle sayısı. http://www.kastamonu.gov.tr/muhtar-iletisim-bilgileri
• Kikon, N., Singh, P., Singh, S. K., & Vyas, A. (2016). Assessment of urban heat islands (UHI) of Noida City, India using multi-temporal satellite data. Sustainable Cities and Society, 22, 19-28. https://doi.org/10.1016/j.scs.2016.01.005
• Kim, J., Lee, D.-K., Brown, R. D., Kim, S., Kim, J.-H., & Sung, S. (2022). The effect of extremely low sky view factor on land surface temperatures in urban residential areas. Sustainable Cities and Society, 80, 103799. https://doi.org/10.1016/j.scs.2022.103799
• Klok, L., Zwart, S., Verhagen, H., & Mauri, E. (2012). The surface heat island of Rotterdam and its relationship with urban surface characteristics. Resources, Conservation and Recycling, 64, 23-29. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2012.01.009
• Kum, G. (2006). Göztepe, Kandilli ve Şile Sıcaklık Verileri Kullanılarak İstanbul’da Şehir Isı Adası Etüdü [Yüksek Lisans Tezi]. İstanbul Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü.
• Liang, L., & Gong, P. (2020). Urban and air pollution: a multi-city study of long-term effects of urban landscape patterns on air quality trends. Scientific Reports, 10(1), 18618. https://doi.org/10.1038/s41598-020-74524-9
• Liu, L., & Zhang, Y. (2011). Urban heat island analysis using the Landsat TM data and ASTER data: A case study in Hong Kong. Remote Sensing, 3(7), 1535-1552. https://doi.org/10.3390/rs3071535
• Louka, P., Belcher, S. E., & Harrison, R. G. (1998). Modified street canyon flow. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 74-76, 485-493. https://doi.org/10.1016/S0167-6105(98)00044-0
• Mahmoud, S. H., & Gan, T. Y. (2018). Long-term impact of rapid urbanization on urban climate and human thermal comfort in hot-arid environment. Building and Environment, 142, 83-100. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.06.007
• Masson, V., Lemonsu, A., Hidalgo, J., & Voogt, J. (2020). Urban climates and climate change. Annual Review of Environment and Resources, 45(1), 411-444. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-012320-083623
• Mayer, H., & Höppe, P. (1987). Thermal comfort of man in different urban environments. Theoretical and Applied Climatology, 38(1), 43-49. https://doi.org/10.1007/BF00866252
• Memon, R. A., Leung, D. Y. C., & Liu, C.-H. (2010). Effects of building aspect ratio and wind speed on air temperatures in urban-like street canyons. Building and Environment, 45(1), 176-188. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2009.05.015
• Mercan, Ç. (2020). Yer yüzey sıcaklığının termal uzaktan algılama görüntüleri ile araştırılması: Muş ili örneği. Türkiye Uzaktan Algılama Dergisi, 2(2), 42-49.
• MGM. (2023, Nisan 19). Türkiye 2022 Yılı İklim Verileri Haber Bülteni. https://mgm.gov.tr/FILES/resmi-istatistikler/haberBulteni/2022-iklim-verileri.pdf
• MGM. (2024). İllere Ait Mevsim Normalleri (1991-2020). Resmi İklim İstatistikleri. https://www.mgm.gov.tr/Veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=H&m=KASTAMONU
• NASA. (2023a). About Terra. https://terra.nasa.gov/about
• NASA. (2023b). ASTER. https://terra.nasa.gov/about/terra-instruments/aster
• NOAA. (2024). 2023 was the warmest year in the modern temperature record. https://www.climate.gov/news-features/featured-images/2023-was-warmest-year-modern-temperature-record#:~:text=Details,decade%20(2014%E2%80%932023
• Nunez, M., & Oke, T. R. (1976). Long-wave radiative flux divergence and nocturnal cooling of the urban atmosphere. Boundary-Layer Meteorology, 10(2), 121-135. https://doi.org/10.1007/BF00229280
• Nunez, M., & Oke, T. R. (1977). The energy balance of an urban canyon. Journal of Applied Meteorology, 16(1), 11-19. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1977)016<0011:TEBOAU>2.0.CO;2
• Oke, T. R., & Maxwell, G. B. (1975). Urban heat island dynamics in Montreal and Vancouver. Atmospheric Environment (1967), 9(2), 191-200. https://doi.org/10.1016/0004-6981(75)90067-0
• Orhan, O. (2021). Mersin ilindeki kentsel büyümenin yer yüzey sıcaklığı üzerine etkisinin araştırılması. Geomatik Dergisi, 6(1).
• Orhan, O., Dadaser Çelik, F., & Ekercin, S. (2019). Investigating land surface temperature changes using Landsat-5 data and real-time infrared thermometer measurements at Konya Closed Basin in Turkey. International Journal of Engineering and Geosciences, 4(1), 16-27. https://doi.org/10.26833/ijeg.417151
• Sakınç, E., & Şerefhanoğlu Sözen, M. (2012). The effect of tall buildings on solar access of the environment, İstanbul Levent as case. METU Journal of the faculty of architecture. https://doi.org/10.4305/METU.JFA.2012.1.5
• Scarano, M., & Sobrino, J. A. (2015). On the relationship between the sky view factor and the land surface temperature derived by Landsat-8 images in Bari, Italy. International Journal of Remote Sensing, 36(19-20), 4820-4835. https://doi.org/10.1080/01431161.2015.1070325
• Si, M., Li, Z.-L., Nerry, F., Tang, B.-H., Leng, P., Wu, H., Zhang, X., & Shang, G. (2022). Spatiotemporal pattern and long-term trend of global surface urban heat islands characterized by dynamic urban-extent method and MODIS data. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 183, 321-335. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2021.11.017
• Stone, B. (2008). Urban sprawl and air quality in large US cities. Journal of Environmental Management, 86(4), 688-698. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2006.12.034
• Şekertekin, A. İ., & Marangoz, A. M. (2019). Zonguldak metropolitan alanındaki arazi kullanımı arazi örtüsünün yer yüzey sıcaklığına etkisi. Geomatik Dergisi, 4(2), 101-111. https://doi.org/10.29128/geomatik.497051
• Şenlik, Y. F., & Yılmaz, E. (2023). MODIS verilerine göre İzmir ve Manisa şehirleri ve çevresinde yüzey sıcaklık dağılışı ve eğilimleri. Ege Coğrafya Dergisi, 32(1), 51-68. https://doi.org/10.51800/ecd.1223028
• Tan, M., & Li, X. (2015). Quantifying the effects of settlement size on urban heat islands in fairly uniform geographic areas. Habitat International, 49, 100-106. https://doi.org/10.1016/j.habitatint.2015.05.013
• Tanrıkulu, M. (2006). İzmir’de Şehirleşmenin Sıcaklık ve Yağış üzerine Etkisi [Yüksek Lisans Tezi]. Ankara Üniversitesi.
• Tayanç, M., Karaca, M., & Yenigün, O. (1997). Annual and seasonal air temperature trend patterns of climate change and urbanization effects in relation to air pollutants in Turkey. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 102(D2), 1909-1919. https://doi.org/10.1029/96JD02108
• Tayanç, M., & Toros, H. (1997). Urbanization effects on regional climate change in the case of four large cities of Turkey. Climatic Change, 35(4), 501-524. https://doi.org/10.1023/A:1005357915441
• Tran, H., Uchihama, D., Ochi, S., & Yasuoka, Y. (2006). Assessment with satellite data of the urban heat island effects in Asian mega cities. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 8(1), 34-48. https://doi.org/10.1016/j.jag.2005.05.003
• UN. (2018). Percentage of Population at Mid-Year Residing in Urban Areas by region, subegion and country, 1950-2050. World Urbanization Prospects. https://population.un.org/wup/
• USGS. (2023a). LANDSAT 8. https://www.usgs.gov/landsat-missions/landsat-8
• USGS. (2023b, Mart 4). LANDSAT 9. https://www.usgs.gov/landsat-missions/landsat-9 Xian, G., Shi, H., Auch, R., Gallo, K., Zhou, Q., Wu, Z., & Kolian, M. (2021). The effects of urban land cover dynamics on urban heat island intensity and temporal trends. GIScience & Remote Sensing, 58(4), 501-515. https://doi.org/10.1080/15481603.2021.1903282
• Yalçın, T., & Yetemen, Ö. (2009). Local warming of groundwaters caused by the urban heat island effect in Istanbul, Turkey. Hydrogeology Journal, 17(5), 1247-1255. https://doi.org/10.1007/s10040-009-0474-7
• Yılmaz, E. (2013). Ankara Şehrinde Isı Adası Oluşumu [Doktora Tezi]. Ankara Üniversitesi sosyal Bilimler Enstitüsü.
• Yılmaz, E. (2015). Landsat görüntüleri ile Adana yüzey ısı adası. Coğrafi Bilimler Dergisi, 13(2), 115-138.
• Yılmaz, E. (2017). Türkiye’nin bazı şehirlerinde ısı adası özellikleri. F. Arslan (Ed.), Türkiye Coğrafyası Araştırmaları içinde, ss. 177-204. Pegem Akademi Yayıncılık. https://doi.org/10.14527/9786053188858
• Yılmaz, E., Aydın, O., & Çiçek, İ. (2019). Klimatoloji çalışmalarında CBS kullanımı. E. Akköprü & M. F. Döker (Ed.), Coğrafya Araştırmalarında Coğrafi Bilgi Sistemleri Uygulamaları içinde, ss. 29-57. Pegem Akademi Yayıncılık. https://doi.org/10.14527/9786052419878
• Yılmaz, E., & Özcanlı, M. (2021). Van şehir gelişimi ile şehir ısı adası arasındaki ilişkiler ve sıcaklık değişimleri. Van İnsani ve Sosyal Bilimler Dergisi, 1(1), 40-60.
• Yue, W., Fan, P., Wei, Y. D., & Qi, J. (2014). Economic development, urban expansion, and sustainable development in Shanghai. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 28(4), 783-799. https://doi.org/10.1007/s00477-012-0623-8
• Zajic, D., Fernando, H. J. S., Calhoun, R., Princevac, M., Brown, M. J., & Pardyjak, E. R. (2011). Flow and turbulence in an urban canyon. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 50(1), 203-223. https://doi.org/10.1175/2010JAMC2525.1
• Zhou, B., Rybski, D., & Kropp, J. P. (2017). The role of city size and urban form in the surface urban heat island. Scientific Reports, 7(1), 4791. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04242-2
• Zhou, J., Chen, Y., Zhang, X., & Zhan, W. (2013). Modelling the diurnal variations of urban heat islands with multi-source satellite data. International Journal of Remote Sensing, 34(21), 7568-7588. https://doi.org/10.1080/01431161.2013.821576