Exploring the influence of impervious surface density and shape on urban heat islands in the northeast United States using MODIS and Landsat

Abstract

Impervious surface area (ISA) from the National Land Cover Database 2001 and land surface skin temperature from MODIS averaged over three annual cycles (2003–2005) are used in a spatial analysis to assess the surface urban heat island (UHI) signature and its relationship to settlement size and shape, development intensity distribution, and land cover composition for 42 urban settlements embedded in forest biomes in the northeastern United States. Development intensity zones, based on percent ISA, are defined for each urban area emanating outward from the urban core to nearby rural areas and are used to stratify land surface temperature. The stratification is further constrained by biome type and elevation to ensure objective intercomparisons between urban zones within an urban settlement and between settlements. Stratification based on ISA allows the definition of hierarchically ordered urban zones that are consistent across urban settlements and scales. For cities within the northeastern US temperate mixed forest biome, we found that settlement size, shape, and development intensity significantly influenced the amplitude of summer daytime UHI. Our study indicates that for cities of similar size, the ISA density distribution within the urban area and the shape of the urbanized area as measured by area to perimeter ratio are significant modulators of UHI magnitude. Our results indicate that remotely sensed satellite data provide a consistent characterization of the UHI magnitude as well as its major drivers across regional scales.

L'aire de la surface imperméable (ISA) déterminée depuis la base de données de la couverture terrestre nationale 2001 et la température de surface terrestre de MODIS, moyennées sur trois cycles annuels (2003–2005), sont utilisées dans une analyse spatiale pour évaluer la signature de l’îlot de chaleur urbain (UHI) et sa relation à la taille et la forme des espaces urbains, la distribution de l'intensité d'urbanisation, et la composition de la couverture du sol environnante pour 42 agglomérations urbaines intégrées dans des biomes forestiers dans le nord-est des États-Unis. Des zones d'intensité urbaines, basées sur la fraction ISA, sont définies pour chaque zone urbaine émanant vers l'extérieur du noyau urbain aux zones rurales de proximité, sont utilisées pour stratifier la température de surface. La stratification est aussi limitée par type de biome et par l’élévation topographique pour assurer des comparaisons objectives entre les zones urbaines au sein d'un développement urbain et entre les développements. La stratification basée sur l'ISA nous permet de définir des zones urbaines hiérarchiquement structurées et qui sont compatibles à travers agglomérations urbaines et échelles spatiales. Pour les villes au sein de la forêt mixte tempérée du nord-est des États-Unis, nous constatons que la taille du développement urbain, sa forme et son intensité d'urbanisation influencent de façon significative l'amplitude de l'UHI pendant les journées d’été. Notre étude indique que pour les villes de taille similaire, la densité des surfaces imperméables dans la zone urbaine et la forme de la zone urbanisée, telle que mesurée par le rapport de l'aire au périmètre, sont des modulateurs importants de l'intensité de l’îlot de chaleur. Nos résultats indiquent aussi que les données de télédétection par satellite fournissent une caractérisation cohérente de l'amplitude de l'UHI ainsi que de ses principaux forçages à travers des échelles régionales.