Yüzey kentsel ısı adası yoğunluğu ve kırılganlığının araştırılması: İstanbul metropoliten bölgesi için çok boyutlu bir yaklaşım
Investigating surface urban heat island intensity and vulnerability: a multidimensional approach for istanbul metropolitan area
Yazar: YUSUF EMİNOĞLU
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN MURAT ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı / Şehir Planlama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Şehircilik ve Bölge Planlama = Urban and Regional Planning

Özet:
Dünya genelinde metropol bölgelerdeki hızlı kentleşme ve nüfus artışı, küresel iklim değişikliğinin etkilerini şiddetlendiren ve kentsel ortamların bozulmasına yol açan bir olgu olan yüzey kentsel ısı adalarının (SUHI) meydana gelmesine neden olmuştur. Bu yüksek lisans tezi, hızla büyümesi ve gelişmesi nedeniyle önemli çevresel sorunlarla karşı karşıya olan İstanbul Metropoliten Bölgesi'nde SUHI yoğunluğuna ve kırılganlığına katkıda bulunan faktörleri araştırmaktadır. Araştırma, SUHI'lerin olumsuz etkilerini anlamak ve azaltmak için çok boyutlu bir yaklaşım benimsemekte ve şehir planlamacıları, politika yapıcılar ve araştırmacılar için bir dizi önemli bilgiler sunmaktadır. 
Çalışma, araştırma kapsamını ve hedeflerini özetleyen kavramsal bir çerçeve, çalışma alanının ve veri setinin ayrıntılı bilgilendirilmesini sağlayan üçüncü bölümü, parametrelerin elde edilmesi ve verilerin detaylı istatistiksel analizlerini içeren dördüncü bölümü, bulguların kapsamlı analizlerini, görselleştirilmesini ve değerlenedirmelerini içeren beşinci bölümü ve son olarak sonuçlar ve öneriler dahil olmak üzere altı ana bölüm halinde düzenlenmiştir. Araştırma, SUHI'lerin oluşumunda kentsel morfoloji, arazi örtüsü ve arazi kullanım şekilleri ve meteorolojik faktörler arasındaki karmaşık ilişkileri ve artan kentsel ısı adası yoğunluğuyla ilişkili potansiyel risk ve kırılganlıkları anlamaya odaklanmaktadır. Bu kapsamda, arazi yüzey sıcaklığı, vejetasyon varlığı, yapı yoğunluğu ve sosyo-demografik veriler gibi parametreleri kapsayan 17 SUHI kırılganlık indikatörünün derinlemesine bir analizi yapılmıştır. Veriler uydu görüntüleri, açık veri portalları, İstanbul Büyükşehir Belediyesi (İBB) ve Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) olmak üzere çok sayıda kaynaktan elde edilmiştir. Jeouzamsal bağlamda çalışmada, İstanbul'da SUHI yoğunluğuna ve kırılganlığına katkıda bulunan temel faktörleri belirlemek için çoklu imaj işleme, mekansal regresyon analizi ve coğrafi bilgi sistemi (CBS) araçları gibi çeşitli istatistiksel ve coğrafi teknikler kullanılmıştır.
Bulgular, kentsel morfolojinin, özellikle de yapı yoğunluğu ve yeşil alan kapsamının, İstanbul'daki SUHI'ların yoğunluğunu ve kırılganlığını belirlemede önemli bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. Örneğin, yapı yoğunluğundaki %10'luk bir artışın arazi yüzeyi sıcaklığında 0,8°C'lik bir artışa katkıda bulunduğu tespit edilmiş ve kentsel formun kentsel ısı adası etkisini şekillendirmedeki kritik rolü vurgulanmıştır. Çalışma, yüksek yapı yoğunluğu, düşük vejetasyon varlığı ve düşük yüzey albedo değeri ile karakterize edilen yüksek SUHI yoğunluğuna sahip sıcak noktaları tanımlamaktadır. Bu alanlar ağırlıklı olarak şehir merkezinde ve yoğun nüfuslu bölgelerde yer almakta ve halk sağlığı, enerji tüketimi ve çevre kalitesi açısından önemli riskler oluşturmaktadır.
Araştırma, soğutma için artan enerji tüketimi, daha yüksek kirletici konsantrasyonları nedeniyle azalan hava kalitesi ve özellikle yaşlılar, çocuklar ve düşük gelirli topluluklar gibi hassas nüfuslar için ısıya bağlı sağlık risklerinin artması gibi artan SUHI yoğunluğuyla ilişkili potansiyel riskleri ve kırılganlıkları vurgulamaktadır. Bununla birlikte çalışma, kentsel dayanıklılığı artırmaya yönelik hedefli müdahaleler ve politikalar geliştirmek için kritik önem taşıyan SUHI kırılganlığının sosyal ve çevresel boyutlarını anlamanın önemini de vurgulamaktadır. Bulgulara dayanarak tez, İstanbul'daki SUHI'lerin yoğunluğunu ve kırılganlığını azaltmak için bir dizi hafifletme stratejisi önermektedir. Bu stratejiler arasında yüksek yoğunluklu SUHI alanlarında yeşil alan kapsamının en az %20 oranında artırılması, enerji verimli bina tasarımı ve güçlendirmenin teşvik edilmesi ve kentsel yeşillendirme ve gölgeleme önlemlerinin benimsenmesi, karma kullanımlı gelişimin teşvik edilmesi ve mevcut yeşil koridorların korunması gibi SUHI'ların etkilerini dikkate alan sürdürülebilir kentsel planlama politikalarının uygulanması yer almaktadır. Çalışma ayrıca, İstanbul Metropoliten Alanı'nın iklim değişikliğinin olumsuz etkilerine karşı uzun vadeli dayanıklılığını sağlamak için SUHI azaltım stratejilerinin kentsel planlama ve politika oluşturma süreçlerine entegre edilmesini önermektedir.
Araştırma, SUHI ile ilgili zorlukları ele almak için yerel yönetimler, şehir planlamacıları ve toplum kuruluşları gibi birden fazla paydaşın dahil olduğu işbirlikçi ve entegre bir yaklaşıma duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Bu multidisipliner yaklaşım, kentsel ısı adalarının karmaşık dinamikleri ve bunların kentsel dayanıklılık ve sürdürülebilirlik üzerindeki etkileri hakkında kapsamlı bir anlayış geliştirmek için gereklidir. Çalışma, önerilen azaltım stratejilerine ek olarak, SUHI müdahalelerinin etkinliğinin zaman içinde izlenmesi ve değerlendirilmesinin önemini vurgulamaktadır. Bu sürekli değerlendirme, değişen kentsel koşullara ve ortaya çıkan zorluklara yanıt vermek üzere stratejilerin uyarlanması ve iyileştirilmesi için çok önemlidir. Ayrıca araştırma, SUHI olgusunun ve kentsel çevreler üzerindeki etkilerinin anlaşılması ve farkındalığının artırılması için paydaşlar arasında kapasite geliştirme ve bilgi paylaşımına duyulan ihtiyacın altını çizmektedir.
Tez, SUHI azaltım önlemleri ile sera gazı emisyonlarının azaltılması, hava kalitesinin iyileştirilmesi ve sosyal eşitliğin teşvik edilmesi gibi diğer kentsel sürdürülebilirlik hedefleri arasındaki potansiyel sinerji ve ödünleşimlerin araştırılması da dahil olmak üzere gelecekteki araştırmalar için çeşitli alanlar da tanımlamaktadır. Bununla birlikte gelecekteki araştırmalar, SUHI ile ilgili risklerin ve kırılganlıkların izlenmesinde ve yönetilmesinde kentsel dijital ikizler, uzaktan algılama ve makine öğrenimi gibi yenilikçi teknolojilerin ve yaklaşımların rolünü keşfedebilir.
Hülasa, bu yüksek lisans tezi, İstanbul'da SUHI yoğunluğuna ve kırılganlığına katkıda bulunan faktörlerin kapsamlı bir incelemesini sunmakta ve SUHI'lerin kentsel çevreler üzerindeki olumsuz etkilerini azaltmak için çok boyutlu bir yaklaşım önermektedir. Bu çalışmanın bulguları ve önerileri, hızla büyüyen kentsel bölgelerde SUHI'lerin ve iklim değişikliğinin yarattığı zorlukların üstesinden gelmek için etkili stratejiler ve müdahaleler geliştirmek isteyen şehir planlamacıları, politika yapıcılar ve araştırmacılar için önemli bilgiler sağlayarak, metropol alanlarda kentsel sürdürülebilirlik ve iklim direncine ilişkin daha kapsamlı söylemlere katkıda bulunmaktadır.

Abstract:
Surface Urban Heat Islands (SUHIs) are a critical phenomenon that have emerged as a consequence of rapid urbanization and population growth in metropolitan areas across the globe. These heat islands not only exacerbate the effects of global climate change, but also significantly degrade urban environments, posing threats to public health, energy consumption, and environmental quality. This master's thesis offers a comprehensive investigation of the factors contributing to the intensity and vulnerability of SUHIs in the Istanbul Metropolitan Region, a rapidly growing and developing area facing substantial environmental challenges. By adopting a multidimensional approach, the research provides valuable insights and recommendations for urban planners, policymakers, and researchers, with the aim of understanding and mitigating the adverse impacts of SUHIs on urban resilience and sustainability.
The structure of the thesis comprises six main chapters, beginning with a conceptual framework that delineates the research scope and objectives. The third chapter offers an in-depth description of the study area and dataset, while the fourth chapter focuses on the derivation of parameters and a detailed statistical analysis of the data. In the fifth chapter, the findings are comprehensively analyzed, visualized, and evaluated. Finally, the sixth chapter presents conclusions and recommendations based on the study's outcomes.
At the core of the research is the exploration of the intricate relationships between urban morphology, land cover and land use patterns, and meteorological factors that contribute to the formation of SUHIs. The potential risks and vulnerabilities arising from increased urban heat island intensity are also investigated. To this end, an exhaustive analysis of 17 SUHI vulnerability indicators, encompassing parameters such as land surface temperature, vegetation presence, building density, and socio-demographic data, is conducted. Data is gathered from multiple sources, including satellite imagery, open data portals, the Istanbul Metropolitan Municipality (IBB), and the Turkish Statistical Institute (TurkStat). Employing various statistical and geospatial techniques, such as multiple image processing, spatial regression analysis, and geographic information system (GIS) tools, the study identifies key factors contributing to SUHI intensity and vulnerability in Istanbul.
SUHI-VI maps are used to determine the vulnerability of a given region to Surface Urban Heat Island (SUHI) impacts. The application in Istanbul consists of four main steps. In the first step, the 17 identified indicator values are standardized and converted into z-values. These z-values are adjusted to increase the total SUHI-VI impact of each indicator. In the second step, these z-values are converted into SUHI-VI scores according to a specified range. In the third step, the SUHI-VI scores are weighted using four different methods: Unweighted SUHI-VI, Simplified SUHI-VI, PCA SUHI-VI and Weighted overlay SUHI-VI. Each of these methods weights the SUHI-VI values in a specific way to accurately represent site-specific vulnerability to urban heat island effects. In the fourth and final step, maps are created using the total SUHI-VI values. These maps provide a visual summary of each region's vulnerability to surface urban heat islands.
In the application in Istanbul, Sultangazi, Gaziosmanpaşa and Zeytinburnu districts have the highest vulnerability index values when using the Unweighted SUHI-VI method. These districts are located in the central and western parts of Istanbul and show a higher vulnerability to surface urban heat islands. This vulnerability is mainly due to factors such as high population density, high impervious surfaces and lack of green areas. On the other hand, Silivri, Çatalca and Beykoz districts are located on the periphery of the city and have lower vulnerability to surface urban heat islands. This is generally due to lower population density, more natural landscapes and better access to green spaces in these regions.
The unweighted SUHI-VI map highlights the vulnerability to surface urban heatwaves in the central and western parts of Istanbul. It also reveals the need to increase green areas, improve building designs to reduce the heat island effect and more sustainable urban planning in these areas. Maps can also be created for smaller-scale regions or even neighborhoods. This can help determine the vulnerability of a given area to surface urban heat islands. This information can also help in the development and implementation of potential policies and strategies aimed at reducing vulnerability.
One of the main findings of the research is the significant role of urban morphology, specifically building density and green space coverage, in determining the intensity and vulnerability of SUHIs in Istanbul. For instance, the study reveals that a 10% increase in building density contributes to a 0.8°C increase in land surface temperature, which underscores the critical role of urban form in shaping the urban heat island effect. High-intensity SUHI hotspots, characterized by high building density, low vegetation presence, and low surface albedo, are primarily located in urban centers and densely populated areas. These hotspots pose considerable risks to public health, energy consumption, and environmental quality. The study also illuminates the potential risks and vulnerabilities associated with increased SUHI intensity. These include heightened energy consumption for cooling purposes, diminished air quality due to elevated pollutant concentrations, and increased heat-related health risks, particularly for vulnerable populations such as the elderly, children, and low-income communities. Moreover, the research highlights the importance of understanding the social and environmental dimensions of SUHI vulnerability, which is crucial for devising targeted interventions and policies to bolster urban resilience.
Based on the findings, the thesis proposes a set of mitigation strategies aimed at reducing the intensity and vulnerability of SUHIs in Istanbul. These strategies encompass increasing green space coverage by at least 20% in high-density SUHI areas, promoting energy-efficient building design and retrofitting, and implementing sustainable urban planning policies that consider the impacts of SUHIs. Examples of such policies include adopting urban greening and shading measures, encouraging mixed-use development, and preserving existing green corridors. The study also recommends integrating SUHI mitigation strategies into urban planning and policymaking processes to ensure the long-term resilience of the Istanbul Metropolitan Area to the adverse impacts of climate change.
A key aspect of the research is the emphasis on a collaborative and integrated approach, which entails the involvement of multiple stakeholders such as local governments, urban planners, and community organizations, to address the challenges associated with SUHI. This multidisciplinary approach is essential for developing a comprehensive understanding of the complex dynamics of urban heat islands and their impacts on urban resilience and sustainability. In addition to the recommended mitigation strategies, the study highlights the importance of monitoring and evaluating the effectiveness of SUHI interventions over time. This continuous evaluation is crucial for adapting and refining strategies in response to changing urban conditions and emerging challenges. Furthermore, the research underlines the need for capacity building and knowledge sharing among stakeholders to increase understanding and awareness of the SUHI phenomenon and its impacts on urban environments. The thesis also identifies several areas for future research, such as investigating potential synergies and trade-offs between SUHI mitigation measures and other urban sustainability goals, including reducing greenhouse gas emissions, improving air quality, and promoting social equity. Additionally, future research could explore the role of innovative technologies and approaches, such as urban digital twins, remote sensing, and machine learning, in monitoring and managing SUHI-related risks and vulnerabilities.
In conclusion, this master's thesis presents a comprehensive examination of the factors contributing to SUHI intensity and vulnerability in Istanbul, and proposes a multidimensional approach to mitigate the negative impacts of SUHIs on urban environments. The findings and recommendations of this study contribute to broader discourses on urban sustainability and climate resilience in metropolitan areas, providing valuable insights for urban planners, policymakers, and researchers seeking to develop effective strategies and interventions to address the challenges posed by SUHIs and climate change in rapidly growing urban areas. Through the meticulous investigation of SUHI vulnerability indicators, the adoption of a collaborative and integrated approach, and the exploration of future research avenues, this thesis aims to make a meaningful contribution to the global effort to enhance urban resilience and sustainability in the face of climate change and its associated challenges.
The structure of the thesis comprises six main chapters, beginning with a conceptual framework that delineates the research scope and objectives. The third chapter offers an in-depth description of the study area and dataset, while the fourth chapter focuses on the derivation of parameters and a detailed statistical analysis of the data. In the fifth chapter, the findings are comprehensively analyzed, visualized, and evaluated. Finally, the sixth chapter presents conclusions and recommendations based on the study's outcomes.
At the core of the research is the exploration of the intricate relationships between urban morphology, land cover and land use patterns, and meteorological factors that contribute to the formation of SUHIs. The potential risks and vulnerabilities arising from increased urban heat island intensity are also investigated. To this end, an exhaustive analysis of 17 SUHI vulnerability indicators, encompassing parameters such as land surface temperature, vegetation presence, building density, and socio-demographic data, is conducted. Data is gathered from multiple sources, including satellite imagery, open data portals, the Istanbul Metropolitan Municipality (IBB), and the Turkish Statistical Institute (TurkStat). Employing various statistical and geospatial techniques, such as multiple image processing, spatial regression analysis, and geographic information system (GIS) tools, the study identifies key factors contributing to SUHI intensity and vulnerability in Istanbul.
One of the main findings of the research is the significant role of urban morphology, specifically building density and green space coverage, in determining the intensity and vulnerability of SUHIs in Istanbul. For instance, the study reveals that a 10% increase in building density contributes to a 0.8°C increase in land surface temperature, which underscores the critical role of urban form in shaping the urban heat island effect. High-intensity SUHI hotspots, characterized by high building density, low vegetation presence, and low surface albedo, are primarily located in urban centers and densely populated areas. These hotspots pose considerable risks to public health, energy consumption, and environmental quality. The study also illuminates the potential risks and vulnerabilities associated with increased SUHI intensity. These include heightened energy consumption for cooling purposes, diminished air quality due to elevated pollutant concentrations, and increased heat-related health risks, particularly for vulnerable populations such as the elderly, children, and low-income communities. Moreover, the research highlights the importance of understanding the social and environmental dimensions of SUHI vulnerability, which is crucial for devising targeted interventions and policies to bolster urban resilience.
Based on the findings, the thesis proposes a set of mitigation strategies aimed at reducing the intensity and vulnerability of SUHIs in Istanbul. These strategies encompass increasing green space coverage by at least 20% in high-density SUHI areas, promoting energy-efficient building design and retrofitting, and implementing sustainable urban planning policies that consider the impacts of SUHIs. Examples of such policies include adopting urban greening and shading measures, encouraging mixed-use development, and preserving existing green corridors. The study also recommends integrating SUHI mitigation strategies into urban planning and policymaking processes to ensure the long-term resilience of the Istanbul Metropolitan Area to the adverse impacts of climate change.
A key aspect of the research is the emphasis on a collaborative and integrated approach, which entails the involvement of multiple stakeholders such as local governments, urban planners, and community organizations, to address the challenges associated with SUHI. This multidisciplinary approach is essential for developing a comprehensive understanding of the complex dynamics of urban heat islands and their impacts on urban resilience and sustainability. In addition to the recommended mitigation strategies, the study highlights the importance of monitoring and evaluating the effectiveness of SUHI interventions over time. This continuous evaluation is crucial for adapting and refining strategies in response to changing urban conditions and emerging challenges. Furthermore, the research underlines the need for capacity building and knowledge sharing among stakeholders to increase understanding and awareness of the SUHI phenomenon and its impacts on urban environments. The thesis also identifies several areas for future research, such as investigating potential synergies and trade-offs between SUHI mitigation measures and other urban sustainability goals, including reducing greenhouse gas emissions, improving air quality, and promoting social equity. Additionally, future research could explore the role of innovative technologies and approaches, such as urban digital twins, remote sensing, and machine learning, in monitoring and managing SUHI-related risks and vulnerabilities.
In conclusion, this master's thesis presents a comprehensive examination of the factors contributing to SUHI intensity and vulnerability in Istanbul, and proposes a multidimensional approach to mitigate the negative impacts of SUHIs on urban environments. The findings and recommendations of this study contribute to broader discourses on urban sustainability and climate resilience in metropolitan areas, providing valuable insights for urban planners, policymakers, and researchers seeking to develop effective strategies and interventions to address the challenges posed by SUHIs and climate change in rapidly growing urban areas. Through the meticulous investigation of SUHI vulnerability indicators, the adoption of a collaborative and integrated approach, and the exploration of future research avenues, this thesis aims to make a meaningful contribution to the global effort to enhance urban resilience and sustainability in the face of climate change and its associated challenges.