Kentsel mikro iklimin iyileştirilmesine yönelik kent dokularında ısı adası etki değerlendirme ve azaltım stratejileri geliştirme modeli: İstanbul örneği
The model of urban heat island impact assessment and mitigation strategies in urban fabric to improve urban microclimate: The case of İstanbul
Yazar: DENİZ ERDEM OKUMUŞ
Danışman: PROF. DR. FATİH TERZİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı / Şehir ve Bölge Planlama Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Şehircilik ve Bölge Planlama = Urban and Regional Planning
Dizin: Isı adası = Heat island ; Kent dokusu = Urban texture ; Kentsel tasarım = Urban design ; Ridge regresyon = Ridge regression ; Yüzey sıcaklığı = Surface temperature ; İstanbul = Istanbul

Özet:
Hızlı kentsel nüfus artışına bağlı kontrolsüz kentleşme ve modern yaşam faaliyetleri sonucu üretilen sera gazı salımlarının anormal seviyelere ulaşması ile ortaya çıkan küresel ısınma ve antropojenik iklim değişikliği, 21.yy.'da, canlı yaşamını tehdit eden küresel bir krize dönüşmüştür. Antropojenik iklimsel değişikliklerin başat faktörleri arasında değerlendirilen kentsel alanlar, bu küresel krizden yine en fazla etkilenen unsurlardır. Bugün, dünyanın birçok bölgesinde aşırı iklim olaylarına bağlı yıkıcı etkileri deneyimleyen kentler bulunmakta; aşırı iklim olaylarının şiddetlenmesi ile ekonomik ve sosyal problemlerin tetiklenmesi ve ulusal/uluslararası güvenlik problemlerinin oluşması güçlü bir olasılık olarak görülmektedir. Dolayısıyla, antropojenik iklim değişikliği olgusunun, ulus-üstü bir seviyede kolektif hareket gerektiren büyük bir küresel sorun olduğu söylenebilmektedir.
Küresel iklim sistemindeki değişimler beraberinde, yerel iklim sistemlerinde de kentsel aşırı ısınma eğilimine dayalı iklimsel anormalliklerin gözlemlenmesine yol açmaktadır. Kentlerdeki en belirgin termal fenomen olan kentsel ısı adası formasyonu, kentsel doku özelliklerinin, mikro iklim sistemindeki enerji dengesini bozması sebebiyle meydana gelmekte; küresel iklim değişikliğinin yerel iklimde yarattığı etkilerle, kentsel alanlardaki sıcaklık anomalileri yükselme eğilimine girerek kentsel aşırı ısınmaya sebep olmakta ve mikro iklimsel değişikliklerin daha da derinleşmesine yol açmaktadır. Nihayetinde kentler, bulundukları bölgenin doğal iklim özelliklerinden bağımsız, yeni oluşan mikro iklimsel koşullara maruz kalmaktadır. Kentsel alanda sıcaklık anomalisi yaratan olguları net bir şekilde anlama ve etkili müdahaleler ile kentsel ısınmanın azaltımını sağlama doğrultusunda ilerleyen tez çalışması, küresel iklim değişikliğine yönelik çözüm arayışlarını ve sürdürülebilir gelişme perspektifini yerelleştirmeye dair yeni bir paradigma çerçevesinde, kentsel aşırı ısınma ve yerel iklim değişikliğine dair giderek genişleyen gündeme katkı sunmaktadır. 
Kentsel planlama ve tasarım alanları, mikro iklimin iyileştirilmesine yönelik kentsel ısınma ve ısı adası olgusunun çok yönlü tartışmalarında öncelikli disiplinler arasında yer almakta; kent dokularında ortaya çıkan sıcaklık anomalileri ve kentsel doku bileşenleri arasındaki etkileşimin nicel bir anlayışıyla, bu tehlikeli aşırı ısınmayı azaltarak kentin, mikro iklimsel sorunlara karşı dayanıklılığını ve uyum kapasitesini yükseltme potansiyeline sahiptir. Bu doğrultuda, tezin amacı, kentsel doku ile ısı adası arasındaki ilişkiyi ortaya koyarak, kentsel dokularda ısı adası etki değerlendirme modeli geliştirmek ve kentsel doku temelli azaltım stratejileri önermektir. Söz konusu amaç doğrultusunda, kentlerdeki aşırı kentsel ısınma eğilimlerini anlamak, kentsel dokularda yerel dinamiklere bağlı ısı adası formasyonunu tespit etmek, kentsel ısı adası etkisi ve kentsel doku bileşenleri arasındaki kantitatif ilişkiyi ortaya koymak ve ısı adası tahmin modeli üretmek, kentsel ısı adası azaltımına yönelik kentsel dokunun iyileştirilmesine dayalı azaltım stratejileri ve tasarım standartları geliştirmek ve son olarak bilişim teknolojilerine dayalı planlama ve tasarım kararlarına yönelik bir karar destek mekanizması oluşturmak şeklinde hedefler belirlenmiştir.
Altı ana bölümden oluşan tez çalışmasının birinci bölümünde, benimsenen amaç ve hedefler doğrultusunda, çalışmanın kapsamı, hipotezler ve araştırma soruları belirtilmekte; çalışma kapsamında kullanılan metodolojik yaklaşım genel hatlarıyla açıklanmaktadır. Çalışmanın ikinci bölümünde, küresel ısınma, antropojenik iklim değişikliği ve mikro iklimsel etkileri detaylı bir şekilde ele alınmaktadır. Kent ekosistemi içerisinde iklimsel etkileşimler değerlendirilmekte; oluşum süreçlerinde etkili olan kentsel dinamikler ortaya koyulmakta; kentsel aşırı ısınma olgusu, kentsel ısı adası etkisi ve küresel ısınmanın yerel iklim üzerindeki etkilerinin birleşik etkisi ile ortaya çıkan bir kriz olarak tanımlanmaktadır. Küresel ve mikro iklim sorunları ile mücadeleye yönelik uluslararası, ulusal ve yerel gündeme ilişkin politika belgeleri değerlendirilmektedir.
Üçüncü bölüm kapsamında, kentsel ısı adası olgusuna ilişkin bağlamsal tartışmalara ve fizyolojik oluşum mekanizmalarına yer verilmekte, kentsel ısı adası türleri ve ölçümüne ilişkin yaklaşımlar ele alınmakta, ısı adasının oluşumunda etkili kentsel doku bileşenleri değerlendirilmektedir. Bu kapsamda, ısı adası türlerinden, tez çalışmasının da temelini oluşturan yüzey kentsel ısı adasına (SUHI) odaklanılmaktadır. Bunun yanı sıra, kentsel doku temelli ısı formasyonunun analizine yönelik analitik modeller incelenmekte; ısı adası etkisi azaltımında kentsel doku modifikasyonuna dayalı yaklaşımlar, minör iyileştirmeler ve yapısal müdahaleler olarak sınıflandırılarak aktarılmaktadır. Söz konusu yaklaşımların uygulamalarına yönelik kentsel yenileme ve dönüşüm temelli müdahale biçimleri değerlendirilmektedir.  
Çalışmanın dördüncü bölümünde, Kentsel Dokuda Isı Adası Etki Değerlendirme ve Azaltım Stratejileri Geliştirme Modeli kapsamında geliştirilen iki alt model ve bir uygulama aracına ilişkin metodolojik detaylara yer verilmektedir. Bu doğrultuda, model değişkenleri tanımlanarak, örneklem seçim prosedürleri açıklanmış; SUHI tespiti, değişkenlerin ölçümü ve kentsel doku-SUHI arasındaki ilişkiyi belirleyen istatistiki analizlerin yöntem detayları aktarılmıştır. SUHI etki değerlendirme ve tahmin modelinin coğrafi bilgi teknolojileri (CBT) tabanlı SEET (SUHI Effect Evaluation Tool) uygulama aracı geliştirilmiş ve çalışma prensipleri sunulmuştur.
Beşinci bölümde ise, ilgili modelin İstanbul örneklemi üzerinde uygulamasından elde edilen bulgular sunulmakta; kentsel doku bileşenleri ve sıcaklık anomalileri arasındaki etkileşim ortaya koyularak, ısı adası azaltım potansiyelleri, stratejileri ve tasarım standartları belirtilmektedir. Bu doğrultuda, kentte belirgin bir ısınma eğilimi tespit edilmiş; 2013-2021 arası dörder yıllık periyotlar halinde incelendiğinde, sıcaklıkların minimum ve maksimum düzeylerde artış gösterdiği gözlenmiştir. 25 Temmuz 2017 tarihine ait yüzey sıcaklıkları üzerinden yapılan detaylı incelemelerde, SUHI formasyonunun 4.29 °C düzeyinde olduğu, ızgara hücre tabanlı kentsel dokular özelinde ise sıcaklık anomalilerinin yaklaşık 5 °C'ye kadar yükseldiği belirlenmiştir. Yüksek sıcaklık düzeyi ve 'son derece yüksek' SUHI etkisine sahip İstanbul kentsel alanında, SUHI etkisini azaltmak ve hatta minimize etmek için planlama ve tasarım stratejilerine dayalı bütünsel bir yaklaşıma ihtiyaç olduğu nicel olarak anlaşılmıştır.
İstatistiki analizler, kentsel doku metriklerinin, SUHI oluşumundan sorumlu sıcaklık anomalileri ile yaklaşık %71 oranında ilişkili olduğunu göstermiştir. Özellikle bitki örtüsü indeksi (NDVI) ve taban alanı katsayısı (TAKS), sıcaklık anomalileri (LSTa) üzerinde en fazla etki gösteren metrikler olmuş; NDVI oranındaki artışın LSTa'da güçlü bir azalma eğilimi, TAKS değerindeki artışın ise LSTa'da belli oranlarda artış eğilimi yarattığı anlaşılmıştır. Bulgular aynı zamanda, kentsel dokuya ilişkin metriklerin modifikasyonu yoluyla ısı adası azaltım potansiyelini ortaya koymakta; özellikle kentsel bitki örtüsü yoğunluğunu temsil eden NDVI değerinin arttırılması ve kentsel dokulardaki yatay yoğunluk seviyesini gösteren TAKS değerinin azaltılması ile sıcaklık anomalilerinin kent ortalamasına indirilebileceği kantitatif olarak anlaşılmıştır.
Etki değerlendirme modelinin çıktılarından biri de, kentsel doku metriklerinin, İstanbul'a özgü, yerel etki değerlerini içeren ısı adası formasyonu tahmin denklemidir. Amaç fonksiyonu olarak da adlandırılabilecek bu denklem, İstanbul'un mevcut kentleşme dinamiklerinden hareketle, hem mevcut hem de öneri kentsel dokularda, modele dahil kentsel doku bileşenleri doğrultusunda, ısı adası formasyonunu ve seviyesini belirlemek yönünde katkı sağlamaktadır. Nitekim, ısı adası azaltım stratejileri geliştirme modeli kapsamında da, etki değerlendirme aşamasından elde edilen amaç fonksiyonundan faydalanılmış; tez çalışması kapsamında önerilen kentsel yoğunluk matrisine ait doku tipolojileri (9 adet) bazında ısı adası tahminleri yapılarak azaltım ve SUHI minimizasyon stratejileri geliştirilmiştir. İstanbul'da kentsel yoğunluk tipolojilerinin mekânsal çözümlemesinde, yedi adet tipolojiye rastlanmış; tipolojilerinin sıcaklık varyasyonları incelendiğinde, en yüksek sıcaklık düzeyi HCMR (yüksek TAKS-orta katlı bina) tipolojisinde, en düşük sıcaklık düzeyi ise LCHR (düşük TAKS-yüksek katlı bina) tipolojisinde görülmüştür. Amaç fonksiyonu yardımıyla, her bir yoğunluk tipolojisi özelinde seçilen örnek alanlarda, model değişkenlerinin parametrik değerleri üzerinden azaltım stratejileri uygulanmış, stratejilerin azaltım etkinliği tartışılmıştır.
Tez çalışmasının altıncı ve son bölümünde ise, araştırmaya ilişkin genel sonuçlar paylaşılmakta; kentsel dokuda ısı adası etkilerinin azaltılmasına yönelik öneriler ve kentsel tasarım standartları sunulmaktadır. Bu kapsamda, yeşil alanlar ve/veya yeşil unsurlar ile kentsel dokudaki bitki örtüsü oranının arttırılması, kentsel dokuda zemin seviyesindeki bina yoğunluğunun kontrol edilmesi, kentsel dokuda gökyüzü görünürlüğünün arttırılması, kent dokusunda karmaşık şekilli bina zarfları oluşturmaktan kaçınılması, kentsel doku metriklerinin parametrik değerleri arasında denge gözetilmesi, sürdürülebilir kentsel tasarıma doğru, bilişim teknolojilerine dayalı SEET yaklaşımının kent planlama sürecine entegrasyonunun sağlanması, kentsel yoğunluk politikaları ve mekânsal dağılımlarının yeniden düzenlenmesi, kentsel aşırı ısınma olgusuna duyarlı stratejik mekânsal planlama anlayışının benimsenmesi ve SUHI azaltım stratejilerinin kentsel yenileme/dönüşüm gibi müdahale biçimlerinin gündemine alınmasına dair stratejiler belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, araştırma yöntem ve bulgularının akademiye ve uygulama alanına olan katkıları aktarılmakta; geleceğe dönük stratejik vizyon ortaya koyulmaktadır.
Sonuç olarak, Birleşmiş Milletler tarafından belirlenen küresel sürdürülebilir gelişme hedeflerinden, sürdürülebilir şehirler ve topluluklar (SDG.11) ve iklim eylemi (SDG.13) hedefleri çerçevesinde, İstanbul'daki kentsel aşırı ısınma eğilimini ve SUHI-kentsel doku ilişkisini açıklayarak, ısı adası azaltımı yoluyla mikro iklimin iyileştirilmesine yönelik bir yol haritası arayışı içerisinde olan tez çalışması, kentsel iklim ve kentsel tasarım arasındaki sinerjinin önemini vurgulamakta; iklime duyarlı kent formlarının üretimine yönelik akademik ve kurumsal kapasitenin geliştirilmesine katkı sunmaktadır.

Abstract:
Rapid urban population growth, uncontrolled urbanization and energy sponge-like modern living activities have led to abnormal levels of greenhouse gas emissions and have created a global crisis in the 21st century; global warming and anthropogenic climate change. As well as urban areas being considered among the dominant factors of anthropogenic climate changes, they are also the factors most affected by this global crisis. As a matter of fact that there are many cities that have already been experiencing the devastating effects of extreme climate events caused by anthropogenic climate change, around the world. If the sources of climate change like greenhouse gas and heat emissions have continued to rise, the exacerbation of extreme climate events is strongly expected to trigger economic and social issues and the formation of national/international security problems. Therefore, the phenomenon of global warming and anthropogenic climate change should be admitted as a major global problem that requires collective action at a supranational level.
Furthermore, changes in the global climate system have led to climatic anomalies based on the urban overheating tendency in local climate systems. The urban heat island formation, the most prominent thermal phenomenon in cities, has been caused by the morphological features of the urban fabric and disrupting the energy balance in the microclimate system. Besides that, through the effects of global climate change on the local climate, temperature anomalies in urban areas tend to increase, further deepening urban overheating and microclimatic changes. Ultimately, urban areas are exposed to newly formed microclimatic conditions differentiating from the natural climatic characteristics of the region. The dissertation follows the path of clearly understanding the phenomena that create temperature anomalies in the urban area and minimizing urban warming with effective urban interventions. It contributes to the ever-expanding agenda on urban overheating and local climate change, within the framework of a new paradigm of localizing the strategies to overcome global climate change and the sustainable development perspective.
Urban planning and design fields are among the indispensable disciplines in the multifaceted discussions of urban warming and heat island phenomena for the improvement of urban microclimate. These two intertwined disciplines have the potential to increase the adaptation capacity of urban areas by reducing overheating, with a quantitative understanding of the interaction between temperature anomalies and urban fabric. Accordingly, the dissertation aims to develop a heat island impact assessment model by revealing the relationship between the urban fabric and heat island and to propose urban fabric-based mitigation strategies. Tracing the extreme urban warming trends in cities, identifying the heat island formation due to local dynamics in urban fabrics, producing an objective function by revealing the quantitative relationship between the urban heat island effect and urban fabric, developing urban heat island mitigation/minimisation strategies and developing a decision support mechanism for planning and design processes based on urban information technologies are among the main targets. 
In the first chapter of the dissertation, which consists of six main parts, the scope of the study, hypotheses and research questions are stated and the methodological approach used in the study is explained in general terms. In the second chapter of the dissertation, global warming, anthropogenic climate change and microclimatic effects are discussed in detail. Climatic interactions within the urban ecosystem, and urban dynamics that are effective in the formation processes of climatic changes are evaluated. The phenomenon of urban overheating is defined as a crisis produced by the combined impact of the urban heat island effect and the effects of global warming on the local climate. Policy documents on international, national and local agendas to overcome global and microclimate problems are also evaluated in this chapter of the dissertation.
Contextual discussions about the urban heat island phenomenon and formation mechanisms are presented in the third chapter of the dissertation. Types of urban heat islands and particular methods for measurements are examined, and the components of urban fabric that are effective in the formation of the heat island are evaluated. In this context, the focus is on the surface urban heat island (SUHI),  which forms the basis of the thesis. In addition, the analytical models for the analysis of urban fabric-based heat formation are investigated by focusing on the biased estimation models in the supervised machine learning algorithms, more specifically the ridge regression model. Also, the urban heat island mitigation approaches based on urban fabric modification are assessed by classifying them as minor improvements and structural interventions. Urban interventions based on urban renovation and regeneration are evaluated for the formal applications of such mitigation approaches.
In the fourth chapter of the dissertation, the methodological details of The Model of Urban Heat Island Impact Assessment and Mitigation Strategiıes in Urban Fabric to Improve Urban Microclimate are explained through the procedures of variable selection, sample selection, the procedures of statistical analyses examining the relationship between urban fabric and SUHI. The principles of geographical information technologies based SEET (SUHI Effect Evaluation Tool) application tool of the SUHI impact assessment model are clarified. In addition, along with the mitigation strategies development model in the urban fabric, an urban design matrix (KYM), including the taxonomies of horizontal and vertical urban density phenomena, is proposed to evaluate the mitigation efficiency based on KYM typologies.
Through the fifth chapter of the dissertation, the findings of the Model for the case of Istanbul are evaluated by revealing the interaction between urban texture components and temperature anomalies, heat island reduction potentials, mitigation strategies and design standards. Accordingly, a significant warming trend was detected in the city through the four-year periods between 2013-2021. It was observed that temperatures increased at both minimum and maximum levels. According to the detailed examinations of the surface temperatures on 25 July 2017,  while SUHI formation the city-wide was at the level of 4.29 °C, the temperature anomalies in the grid cell-based urban fabrics approached 5 °C. It has been quantitatively understood that a holistic approach based on planning and design strategies is needed to reduce or even minimize the SUHI effect in the urban area of Istanbul, which has a high-temperature level and an 'extremely high' SUHI effect.
Statistical analyses showed that urban metrics are responsible for 71% of temperature anomalies responsible for the formation of SUHI in Istanbul. In particular, vegetation index (NDVI) and building coverage ratio (TAKS) have the greatest impact on temperature anomalies (LSTa). The increase in the NDVI creates a strong downtrend in LSTa, while the increase in the TAKS value makes a certain increasing trend in LSTa. Accordingly, the findings also revealed the potential for heat island mitigation through the modification of urban metrics such as increasing the vegetation coverage and reducing the ground level urban density (TAKS).
Another important output of the impact assessment model is the objective function for the heat island estimation in Istanbul, which includes the local impact values of urban metrics. The objective function helps to predict temperature anomalies, by evaluating existing and proposed urban fabrics, based on local urbanization dynamics. As a matter of fact that the heat island mitigation strategies in the dissertation were developed through the objective function on the basis of the typologies (9 classes) of the urban density matrix. In Istanbul, there are seven density classes of KYM, and while the highest temperature level has occurred in the HCMR (high TAKS-mid-rise building) typology, the lowest temperature level has been seen in the LCHR (low TAKS-high-rise building) typology. With the help of the objective function, mitigation strategies were applied over the parametric values of the urban metrics for each density typology, and we discussed the mitigation efficiency of the strategies.
In the sixth chapter of the dissertation,  within the context of the SUHI mitigation strategies in the urban fabric, these urban design standards are adopted towards sustainable urban design; increasing the green elements and vegetation coverage, controlling the ground level building density, increasing the sky visibility, avoiding the complex-shaped building envelopes, keeping a balance between the parametric values of the urban metrics. Moreover, the chapter highlights the integration of the SEET approach into the urban planning processes, the rethinking of the urban density policies and spatial distributions, and the inclusion of SUHI reduction strategies on the agenda of intervention forms such as urban renovation/transformation. In addition, besides the contributions of research methods and findings to the theoretical and operational fields of urban planning and design are conveyed, a strategic vision for the future is revealed in this chapter. 
As a result, within the framework of global sustainable development goals determined by the United Nations, more specifically sustainable cities and communities (SDG.11) and climate action (SDG.13) targets, the dissertation is in the search for a roadmap to improve the urban microclimate through mitigation of urban overheating in Istanbul. It contributes to the enhancement of academic and institutional capacity for the generation of climate-sensitive urban forms by highlighting the importance of synergy between urban climate and urban design.