Urban Heat Islands in kaart brengen met gecombineerde Sentinel-2 en Sentinel-3 observaties
Later dit jaar wordt de Sentinel-3 Land Surface Temperature (LST) data via Terrascope ter beschikking gesteld. Hier vind u alvast een voorbeeldtoepassing die deze Sentinel-3 LST gegevens combineert met Sentinel-2 reflectantiedata om de 1 km LST te verbeteren tot 20 m resolutie. Deze data leveren waardevolle informatie over het Urban Heat Island effect en draagt bij tot het modelleren van evapotranspiratie. Ontdek meer over deze hoge resolutie LST data, met een voorbeeld van Brussel op 19 juli 2022 toen extreme hitte werd waargenomen.
Land Surface Temperature in stedelijk gebied
Het afleiden van Land Surface Temperature (LST) met thermische satellietobservaties wordt al sinds enkele tientallen jaren gedaan (bijvoorbeeld op basis van Landsat en MODIS) en wordt voornamelijk binnen de landbouw toegepast, bijvoorbeeld voor het schatten van evapotranspiratie (ET) en het vroegtijdig kunnen bepalen van vochttekort in gewassen om hiermee tijdiger en nauwkeuriger te irrigeren. Een andere interessante toepassing is het verkrijgen van inzicht in de dag- en nachtevolutie van LST in stedelijke gebieden.
Als gevolg van de toegenomen hittegolf-frequentie in het veranderende klimaat worden zowel overdag als ‘s nachts deze stedelijke gebieden gevoeliger voor extreme temperaturen. Dit leidt tot gezondheidsproblemen, zoals slaaptekort, oververhitting en luchtwegproblemen (vooral in combinatie met slechte luchtkwaliteit). Hoge resolutie LST-data bevatten waardevolle informatie voor stedenbouwkundigen en klimaatmodelleurs om inzicht te krijgen in welke stadsdelen het meest gevoelig zijn voor extreme temperatuur en hoe deze effecten te matigen.
Urban Heat Islands (UHIs) worden veroorzaakt door de grote hoeveelheden betonnen wegen, trottoirs en gebouwen. Deze absorberen de inkomende zonnestraling meer dan zij reflecteren. Restwarmte als gevolg van menselijke activiteiten draagt dan verder bij aan de hitte. In tegenstelling tot steden bevatten de omliggende landelijke gebieden veel vegetatie, welke niet alleen minder inkomende zonnestraling absorbeert, maar ook de lucht afkoelt door verdamping.
Als gevolg hiervan kan de temperatuur in een binnenstad zowel overdag als ‘s nachts vele graden hoger liggen dan omliggende gebieden (zie de figuur rechts) en dit kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen tijdens zeer warme zomerdagen, vooral als de hitte meerdere dagen aanhoudt en er geen wind van betekenis is.
Land Surface Temperature-data verschaffen waardevolle informatie voor stedenbouwkundingen en klimaatmodelleerders
Gebruik van Sentinel-2 oppervlaktereflectanties om de Sentinel-3 LST-resolutie te verhogen
Verhogen van de LST-resolutie
De basis voor het verbeteren van de LST-resolutie is een methode ontwikkeld door Gao et al. (2012), waarin Landsat visuele (VIS) en nabij-infrarode (NIR) reflectanties werden gebruikt om de ruimtelijke resolutie te verbeteren van 90 m naar 15 m. Hun methode genereert lineaire reflectantie versus brightness temperature regressies voor verschillende spectrale kanalen. Deze regressies, in combinatie met kijk- en belichtingshoeken en Digital Elevation Model (DEM) data, worden vervolgens gebruikt om de hoge resolutie LST te verkrijgen.
Sentinel-2 oppervlaktereflectantie
In onze aanpak gebruikten we Sentinel-2 oppervlaktereflectanties gemeten tussen blauwe en Short-Wave Infrared (SWIR) golflengtes. Als eerste werden 10-daagse wolkenvrije Sentinel-2 composieten van oppervlaktereflectantie geproduceerd, welke werden gebruikt voor het genereren van de lineaire oppervlaktereflectantie versus LST regressies. Vervolgens werd de methode van Gao et al. (2012) gebruikt om de originele 1 km Sentinel-3 LST te verscherpen naar 20 m.
Sentinel-3 LST op 20 m
De 20 m Sentinel-3 LST is een belangrijke invoerparameter voor ET-modellen, omdat met deze fijnmazige LST-schatting een meer gedetailleerde ET-modelinitialisatie qua turbulente fluxberekeningen mogelijk wordt. Verder maakt de hogeresolutie LST andere interessante toepassingen mogelijk, zoals UHI-analyses.
Hieronder tonen we de eerste resultaten van hoge resolutie LST over het Brussels grootstedelijk gebied tijdens de extreme hitte van 19 juli 2022, waarop maximumtemperaturen in Nederland en België 40oC benaderden en het in het VK, Frankrijk en Spanje zelfs nog enkele graden warmer werd.
Het Brussels grootstedelijk gebied op 19 juli 2022
De figuur hieronder toont de originele 1 km Sentinel-3 LST (links) en de hoge resolutie LST op 20 m (rechts) in het Brussels grootstedelijk gebied op 19 juli 2022 om 11:58 en 23:21 Midden-Europese Zomertijd (MEZT). Witte gebieden bevatten wolken in de originele LST-data. Dit voorbeeld toont dat het gebruik van Sentinel-2 oppervlaktereflectanties om de originele Sentinel-3 LST-beelden te verscherpen veel meer detail en kleinschalige LST-verschillen tussen gebieden zichtbaar maakt.
Verder is het temperatuurverschil tussen de stad en het omliggende gebied opvallend. Om 11:58 MEZT is de LST in verschillende delen van het stadscentrum al hoger dan 45oC, terwijl in het Zoniënwoud ten zuiden van Brussel de LST relatief koel is met 30o – 35oC. Merk op dat de Sentinel-3-observaties 4 – 5 uur voordat de maximumtemperatuur werd bereikt zijn uitgevoerd (weerstation Ukkel registreerde 38.1oC op 1.5 meter hoogte), dus op sommige locaties in Brussel zou de LST uiteindelijk 50oC overschreden kunnen hebben. In de avond (~1.5 uur na zonsondergang) heeft het grootste deel van Brussel nog LST’s dicht bij 30oC, terwijl in het buitengebied de LST al gedaald is naar 20o – 25oC
Hoge resolutie LST-data zijn van toegevoegde waarde voor stedelijke klimaatmodelleurs en stedenbouwkundigen voor het valideren van klimaatmodellen en om gedetailleerde informatie over de meest hittegevoelige stadsgebieden te krijgen, om uiteindelijk objectieve beslissingen om Urban Heat Island-effecten te matigen.
Matigen van gezondheidseffecten door extreme hitte
Een algemeen geaccepteerde methode om hittestress bij mensen te schatten is de zogeheten Discomfort Index (DI, Thom, 1959). Deze is gebaseerd op de gemeten 1.5 m temperatuur (in oC) en relatieve vochtigheid (RV, in %). Deze index is aangepast om de 1.5 m temperatuur te vervangen door LST. Een DI < 21 duidt op geen hittestress, terwijl DI > 32 een zeer grote mate van hittestress voor iedereen wijst (‘medical emergency’). De figuren hieronder tonen de DI op 19 juli 2022 om 11:58 en 23:21 MEZT, gebaseerd op de 20 m LST en RV-waarden zoals waargenomen op weerstation Ukkel in het zuiden van Brussel. Op 19 juli 2022 overdag is de DI in Brussel 30 – 33, wat aangeeft dat iedereen op zijn minst ernstige hittestress ervaart, terwijl in de buitengebieden DI-waarden 24 – 28 waren, met de laagste waarden in het Zoniënwoud. In de avond waren de DI-waarden gedaald naar 24 – 26 (meer dan 50% van de mensen ervaart hittestress) in Brussel en naar 19 – 22 (geen of vrijwel geen hittestress) in de omliggende gebieden. De DI-waarden in de avond waren op deze dag niet extreme, omdat een westenwind geleidelijk koelere lucht aanvoerde (het nachtelijk minimum in Ukkel was 17.3oC), maar nachttemperaturen ruim boven 20oC zouden hogere DI en dus meer hittestress aangeven.
De hoge resolutie LST-data zijn erg waardevol voor stedenbouwkundigen om negatieve gezondheidseffecten als gevolg van extreme hitte te matigen. De data verschaffen inzicht in stedelijke hitte-eilanden en moeten leiden tot actie, bijvoorbeeld door het aanplanten van vegetatie in stadsdelen met overvloedige betonbedekking. Verder kunnen klimaatmodelleurs deze data gebruiken zowel voor validatie als verbeterde modelinitialisatie.
Aanvullend aan de hier gedemonstreerde Sentinel-3 LST-data wordt het aanbod uitgebreid met LST-bepalingen op ~50 m resolutie, zoals van NASA’s ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS, zie een recent nieuwsbericht over de Europese hittegolf van juni 2022), ESA’s geplande Land Surface Temperature Mission (LSTM, verwachte lancering in 2029) en van verschillende geplande micro-satellietconstellaties. Dit alles zal gedetailleerde LST-analyses op (sub)dagelijkse schaal mogelijk maken, om zo nauwkeuriger UHI en ET te kunnen opvolgen en modelleren.
Producten en diensten
Sentinel-2
Sentinel-2 oppervlaktereflectantiedata zijn gebruikt om de Sentinel-3 LST-resolutie te verbeteren naar 20 m.
Sentinel-3
Sentinel-3 Land Surface Temperature-data zijn gebruikt als brondata.
Virtual Machines
Terrascope Virtual Machines zijn gebruikt om de verscherpingsmethode benodigd voor het genereren van de hoge resolutie LST-kaarten te implementeren.
