RESUMO
A temperatura de superfície é um importante parâmetro para examinar o ambiente térmico das cidades, com uma cobertura espacial contínua de grandes áreas. Por isso, o objetivo desta pesquisa foi de analisar as ilhas de calor urbanas de superfície (ICUS) no Oeste Goiano e propor equações baseadas na população, área urbana e IDH para estimar suas intensidades máximas. Para tanto, calculou-se a temperatura de superfície para 20 cidades da Região do oeste Goiano. Posteriormente, para o cálculo da ilha de calor urbana de superfície, foram elaborados dois buffers para cada cidade, um que representa a área urbana e o outro que representa a área rural circundante (500 m). Os resultados evidenciaram que a cidade de Iporá apresentou a maior temperatura da superfície, assim como a maior intensidade das ICUS das cidades estudadas. A equação proposta para estimar as intensidades máximas das ICUS, a partir da população, obteve melhor desempenho que as equações propostas por Oke (1973), Torok et al., (2001), Sun (2015) e Lee (1993). A equação final, proposta como modelo preditor das intensidades máximas das ICUS, para a Região do Oeste Goiano, utilizando as três variáveis (População, área urbana e IDH) obteve r2 de 0,6, com baixos valores do RMSE.
INTRODUÇÃO
A temperatura de superfície é um importante parâmetro para se analisar a Ilha de calor urbana (MA; KUANG; HUANG, 2010). A ilha de calor urbana é geralmente avaliada de duas formas. Tradicionalmente, a ICU tem sido mensurada pelas observações terrestres por meio de transectos móveis ou redes de estações meteorológicas (VOOGT; OKE, 2003), com o avanço de novas tecnologias geoespaciais, os pesquisadores tem utilizado, cada vez as imagens de satélite para a estimação da ilha de calor urbana de superfície (ALVES; BIUDES, 2013; LOPES et al., 2013).
Comparado ao método tradicional, o sensoriamento remoto por satélite fornece uma maneira direta e consistente para examinar o ambiente térmico das cidades, podendo se obter uma cobertura espacial contínua de grandes áreas (AMORIM; CARDOSO, 2015; XU; QIN; WAN, 2010), entretanto, conforme Alcoforado et al., (2007) e Lucena (2013) a ilha de calor urbana (ICU) difere da ilha de calor urbana de superfície (ICUS), pois a primeira se refere a diferença da temperatura do ar da área urbana em relação à rural, enquanto que a segunda se refere a temperatura da superfície.
A ICUS é afetada por vários fatores, incluindo o tamanho da cidade e a população (OKE, 1973), superfícies impermeáveis (baixo albedo, diminuição da evapotranspiração), topografia, liberação de calor antropogênico, população e as condições meteorológicas (COSEO; LARSEN, 2014; TAN; LI, 2015).
Diversos pesquisadores desenvolveram equações, com diferentes fatores, para se estimar a ilha de calor urbana, tais como: Coseo e Larsen ( 2014); Oke (1973), Souza et al., (2010); Tan e Li (2015); Torok et al., (2001).
Entretanto, não se tem registros de estudos que relacionaram o índice de desenvolvimento humano (IDH) com a ilha de calor urbana. No entanto, é importante observar se existe influência do IDH sobre a ICU e a ICUS. Primeiro porque pode contribuir para a modelagem climática, previsão do tempo e planejamento urbano. Segundo que estas questões são de particular interesse para os países que estão em fase de desenvolvimento ou rápida urbanização (TAN; LI, 2015; WU et al., 2014). Por isso, o objetivo desta pesquisa foi de propor equações baseadas na população, área urbana e IDH para estimar intensidades máximas das ilhas de calor urbanas de superfície para Região do oeste Goiano.
MATERIAIS E MÉTODOS
A primeira etapa foi o cálculo da temperatura da superfície, computada a partir na banda termal (banda 10) do Landsat – 8, com resolução espacial de 100 m, porém processadas para 30 m, com comprimento de onda de 10.6 µm a 11.19 µm. Para o processamento das imagens foram desenvolvidos modelos matemáticos por meio da ferramenta Model Maker do software Erdas Imagine 11. Na Figura 1 está o fluxograma, com as etapas do processamento das imagens para obtenção das anomalias térmicas.
Foram utilizadas as imagens do dia 16/09/2014, por se tratar de um período de pouca cobertura de nuvens, além disso, nos outros anos, não foram possíveis a obtenção simultânea das imagens para toda a área de estudo. Foram necessárias seis imagens para cobrir toda a Região do Oeste Goiano. Posteriormente, para o cálculo da ilha de calor urbana de superfície, foram elaborados dois buffers para cada cidade, um que representa a área urbana e o outro que representa a área rural circundante (550 m), conforme a Figura 2.
De posse dos buffers da temperatura de superfície, seguindo a definição da intensidade da ilha de calor urbana de superfície, como sendo a diferença da temperatura entre a área mais aquecida da cidade e o seu subúrbio (OKE, 1973), calculou-se a ICUS de acordo com a Equação 1.
Em que ?TS?_C é o valor máximo da temperatura da superfície dentro da área urbana e ?TS?_R o valor médio da temperatura de superfície no buffer de 500 m a partir do limite urbano (Figura 2).
A região do Oeste Goiano possui 43 munícipios, que representam 17,5% dos municípios e 15,5% da área territorial do estado de Goiás (SEPIN, 2010). Destas 43 cidades foram selecionadas 20 (Tabela 1). O critério para escolha de cada cidade baseou-se em três características (População, Área Urbana e IDH), na qual se procurou selecionar cidades com características diferentes.
A localização das cidades selecionadas do Oeste Goiano pode ser observada na Figura 2, assim como os limites estabelecidos para o cálculo da intensidade da ICUS.
De posse da intensidade da ilha de calor urbana de superfície das 20 cidades, utilizou-se da técnica de regressão linear múltipla passo-a-passo, nas quais as variáveis: população, área urbana e IDH, foram inseridas no modelo quando o p-value fosse menor que 0,05. Utilizou-se o root mean square error (RMSE) para se analisar os erros da estimativa. RMSE é a medida da magnitude média dos erros estimados, tem valor sempre positivo e quanto mais próximo de zero, maior a qualidade dos valores medidos ou estimados (ALVES; VECCHIA, 2011), pode ser calculado pela Equação 2.
Em que E_i e O_i são os valores estimados e observados (medidos), respectivamente, e n é o número de observações. O RMSE tem sido utilizado como estatista padrão para mensurar a desempenho dos modelos em meteorologia (CHAI; DRAXLER, 2014).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A temperatura da superfície nas cidades do Oeste Goiano variou de 25,3°C em Palmeiras de Goiás (valor mínimo) a 38,8°C em Iporá (valor máximo), portanto, amplitude de 13,5°C (Figura 3). A menor média da temperatura da superfície foi observada em Jandaia (29,9°C) e a maior média foi verificada na cidade de Bom Jardim de Goiás com 34,8°C. Além disso, o conjunto de dados da temperatura de superfície, correspondente a 50%, foram os mais elevados em Bom Jardim de Goiás, enquanto que a cidade de Jandaia apresentou o conjunto de dados com menores valores do Oeste Goiano (Figura 3).
As diferenças da temperatura de superfície do limite urbano e do buffer de 500 m, neste trabalho, denominada de ICUS (Ilha de Calor Urbana de Superfície), foram maiores nas cidades de Aragarças e Iporá, com 5,4°C e 5,8°C, respectivamente (Figura 5). Iporá possui a maior população (31274 habitantes), assim como a maior área territorial urbana (12,6 km2) das cidades analisadas. As menores intensidades ocorreram em Israelândia (ICUS = 1,6°C), Americano do Brasil (ICUS = 1,7°C) e Doverlândia (ICUS = 1,7°C), cidades nas quais possuem baixa população (2888, 5508 e 7892 habitantes, respectivamente) e pequena área territorial urbana (0,88, 1,6 e 2,5 km2, respectivamente). Iporá e Israelândia possuem contraste muito acentuado em diversos aspectos, conforme descrito, destaca-se a população, a área urbana e o uso e ocupação do solo (Figura 6).
Peterson (2003), nos Estados Unidos, analisou a relação da população com os desvios de temperatura e afirmou que cidades com população de até 10000 habitantes não requer ajuste para urbanização, pois não foi observada diferença significativa dos valores na área urbana com a área rural. Entretanto, Oke (1973) em estudo nas cidades da América do Norte e na Europa e Torok et al., (2001) em estudo no sudeste da Austrália, mostraram que até mesmo cidades com população de 1000 pessoas têm aquecimento urbano de 2,2°C em comparação com a área rural próxima.
Nestes estudos, Oke (1973) e Torok et al., (2001) encontraram evidências de que a ilha de calor urbana máxima aumenta com o aumento da população (P) de forma logarítmica para a América do Norte, Europa e Sudeste da Austrália, conforme, respectivamente a Equação 3 com r2 = 0,96, Equação 4 com r2 = 0,74 e Equação 5 com r2 = 0,99.
Em cidades de Taiwan, Sun (2015) encontrou a Equação 6, com r2 = 0,9 para a ilha de calor média. Para as cidades da Coréia do Sul com população inferior a 300000, Lee (1993) verificou a relação da Equação 7 com r2 = 0,5.
O coeficiente a varia de acordo com a população da cidade, mais detalhes em Karl e Williams (1987).
Para as cidades do Oeste Goiano também foi calculada essa relação, entretanto, a melhor regressão observada foi a linear, conforme a Figura 7. Na Equação 9 tem-se a equação obtida para se estimar a ICUS a partir da população, com r2 de 0,46.
Afim de verificar se as equações propostas por Oke (1973), Torok et al., (2001), Sun (2015) e Lee (1993), para estimar as ilhas de calor urbanas máximas nas cidades da América do Norte, Europa, Sudeste da Austrália, Taiwan e Coréia do Sul a partir da população das mesmas, conseguiriam estimar, satisfatoriamente, as intensidades máximas das ICUS da Região do Oeste Goiano, elaborou a Figura 8. Nota-se que os valores das ICUS estimadas pela Equação 3 (cidades da América do Norte) e Equação 6 (Cidades de Taiwan) foram muito discrepantes das intensidades das ICUS observadas.
A Equação 9, proposta nesta pesquisa, estimou as ICUS com maior exatidão em relação às outras equações. A Equação 5, proposta para cidades do sudeste da Austrália, foi a segunda melhor.
Os RMSE das estimativas das equações (Tabela 2) demostram que a equação proposta para se estimar as ilhas de calor urbanas de superfície máximas para a Região do Oeste Goiano apresentou a menor média (0,68) e o menor total (15,17) dos RMSE.
As relações entre a ICU ou ICUS e o tamanho das áreas urbanas têm sido debatidas por algum tempo (ATKINSON, 2003). A questão chave é se a intensidade da ilha de calor varia com o tamanho da área urbana. À medida que as cidades crescem, suas ilhas de calor também crescem, não só na sua dimensão horizontal, mas também em sua intensidade (ATKINSON, 2003; DEBBAGE; SHEPHERD, 2015). Isto foi demonstrado por Mitchell (1961) e Landsberg 1979) e fortemente inferida a partir de evidências indiretas por Yague; Zurita; Martinez (1991) e Shun djen (1992).
Em alguns casos, como no estudo de Atkinson (2003) foi observada, apenas, pequena sensibilidade da intensidade da ilha de calor para o tamanho da cidade. Para as cidades do Oeste Goiano notou-se que existe uma relação linear de aumento da intensidade da ilha de calor urbana de superfície com o aumento da área urbana (Figura 9), com r2 expressivo de 0,58, a equação obtida pela regressão linear pode ser observada na Equação 10.
Harlan et al., (2006) elaboraram um índice de conforto térmico humano para alguns bairros de uma grande cidade norte-americana. A aplicação do índice mostrou que bairroshabitados por minorias étnicas e com baixos indicadores socioeconômicos comumente vivem em bairros mais quentes e estão mais expostos a estresse térmico. Os resultados do trabalho de Velho e Fonseca (2015) também mostraram essa tendência para Porto Alegre, porque além dos valores de renda familiar mensal descreverem a diferença entre os dois grupos de bairros analisados, as temperaturas de superfície mostraram-se diferentes para bairros de renda alta e de baixa renda.
Contudo, não se verificou na literatura trabalhos científicos que relacionem, especificamente, a ilha de calor urbana com o índice de desenvolvimento humano. Entretanto, este índice pode ajudar a explicar a variação da intensidade da ilha de calor urbana , pois o mesmo considera três aspectos: 1 – Uma vida longa e saudável (Expectativa de vida ao nascer); 2 – O acesso ao conhecimento (Anos Médios de Estudo e Anos Esperados de Escolaridade) e 3 – Um padrão de vida decente (PIB per capita). Conforme a Figura 10, observou-se relação linear de aumento da ICUS com o aumento do índice de desenvolvimento humano. Esta relação pode ser verificada na Equação 11, que possui r2 de 0,32.
Com o objetivo de aperfeiçoar o modelo preditor da ilha de calor urbana de superfície para a Região do Oeste Goiano utilizou-se as três variáveis (População, área urbana e IDH), para tanto, foi necessária a utilização da regressão linear múltipla. Na Equação 12 pode-se se observar a equação resultante da regressão linear múltipla, na qual possui r2 de 0,6. Com esta equação é possível estimar a máxima intensidade da ilha de calor urbana de superfície para as cidades da região do Oeste Goiano.
ICUS=-1,024-(0,0000218×P)+(0,348×Ar)+
(4,226×IDH) Equação 12
Em que P é a população, Ar a área urbana em km2 e IDH o índice de desenvolvimento humano.
Em nove cidades (Bom Jardim de Goiás, Córrego do Ouro, Iporá, Itapirapuã, Jandaia, Jussara, Palmeiras de Goiás, Piranhas e São Luis de Montes Belos) os valores da ICUS observados e os valores estimados pela Equação 12 estiveram muito próximos, com RMSE abaixo de 0,5°C. O maior valor do RMSE foi verificado na estimativa da ICUS para a cidade de Montes Claros de Goiás (RMSE = 1,52), conforme Figura 11.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
1 – Na cidade de Iporá foi verificada a maior temperatura da superfície das cidades do Oeste Goiano. A cidade de Jandaia apresentou entre os conjuntos de dados, os menores valores do Oeste Goiano.
2 – As cidades de Aragarças e Iporá tiveram as maiores intensidades das ilhas de calor urbanas de superfície, com 5,4°C e 5,8°C, respectivamente. Enquanto que As menores intensidades ocorreram em Israelândia (ICUS = 1,6°C), Americano do Brasil (ICUS = 1,7°C) e Doverlândia (ICUS = 1,7°C).
3 – A equação proposta para estimar as intensidades máximas das ICUS nas cidades do Oeste Goiano, a partir da população, obteve melhor desempenho que as equações propostas por Oke (1973), Torok et al., (2001), Sun (2015) e Lee (1993).
4 – A relação linear entre a ICUS e o tamanho da área urbana apresentou o melhor coeficiente de determinação (r2 = 0,58), ou seja, com o aumento da área urbana a intensidade da ilha de calor urbana de superfície tende a ser mais elevada.
. 4 – A equação final, proposta como modelo preditor da intensidade máxima da ilha de calor urbana de superfície para a Região do Oeste Goiano, utilizou as três variáveis (População, área urbana e IDH) e obteve r2 de 0,6, com baixos valores do RMSE.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela bolsa n° 2012/10450-0.
REFERÊNCIAS
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