Assessment of Spatio-temporal urban heat island dynamics in Bolgatanga municipality, Ghana using multitemporal Landsat imagery

Resumo Técnico: Avaliação da Dinâmica Espaço-Temporal da Ilha de Calor Urbana no Município de Bolgatanga, Gana

Definição do Problema
Os efeitos de Ilha de Calor Urbana (ICU), caracterizados por temperaturas elevadas em áreas desenvolvidas em relação às zonas rurais circundantes, representam um indicador crítico das mudanças climáticas induzidas pelo homem. Embora a dinâmica da ICU tenha sido extensamente estudada em megacidades globais e cidades do sul de Gana, como Accra e Kumasi, permanece uma lacuna significativa de conhecimento em relação aos centros urbanos semiáridos do Norte de Gana. Apesar das projeções indicarem um aquecimento acelerado nesta região (1,5°C a 3°C nos próximos cinquenta anos), a pesquisa empírica sobre a evolução espaço-temporal das temperaturas da superfície terrestre (LST) em municípios como Bolgatanga é escassa. Essa falta de dados dificulta o desenvolvimento de estratégias de planejamento urbano resilientes ao clima em áreas de rápida urbanização, onde a cobertura vegetal está diminuindo e o estresse térmico está aumentando.

Metodologia
O estudo emprega uma abordagem de sensoriamento remoto utilizando imagens multitemporais Landsat e conjuntos de dados meteorológicos para analisar a dinâmica da ICU no Município de Bolgatanga em três pontos temporais distintos: 2007, 2014 e 2021.

• Fontes de Dados: A pesquisa utiliza dados Landsat 5 Thematic Mapper (TM) e Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) (Caminho 194, Linha 053). Dados meteorológicos auxiliares, incluindo temperatura do ar, velocidade do vento e umidade relativa, foram recuperados do conjunto de dados NASA POWER para apoiar as correções atmosféricas.
• Mapeamento de Uso e Cobertura da Terra (LULC): Uma classificação supervisionada usando um algoritmo de Máquina de Vetores de Suporte (SVM) foi aplicada para delinear quatro classes primárias de cobertura da terra: vegetação, solo exposto, água e áreas construídas.
• Recuperação da LST: A Temperatura da Superfície Terrestre (LST) foi derivada utilizando o Algoritmo de Janela Única (MWA). Este método integra transmitância atmosférica, emissividade da superfície e temperatura ambiente para corrigir efeitos atmosféricos sem depender fortemente de dados de verdade de campo.
  • Para o Landsat 8, o processo envolveu a conversão de Números Digitais (DN) em radiância espectral, o cálculo da Temperatura de Brilho (BT), a derivação do Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) para estimar a fração de vegetação e a emissividade, e a aplicação de fórmulas de transferência radiativa.
  • Para o Landsat 5, correções de radiância semelhantes foram aplicadas, com coeficientes térmicos específicos (K1=607, K2=1260,56) e estimativa de conteúdo de vapor atmosférico baseada na temperatura do ar superficial e umidade relativa.
• Índices e Análise: O estudo calculou a Intensidade da Ilha de Calor Urbana (UHII) para quantificar os gradientes de temperatura. Adicionalmente, o Índice de Áreas Construídas por Diferença Normalizada (NDBI) e o Índice de Água por Diferença Normalizada Modificado (MNDWI) foram utilizados para correlacionar tipos de cobertura da terra com assinaturas térmicas. Uma análise de perfil de pilha (stack profiling) foi realizada para comparar gradientes térmicos entre zonas urbanas, periurbanas e rurais.

Principais Resultados
A análise revela uma intensificação progressiva dos efeitos de ICU em Bolgatanga ao longo do período de estudo de 14 anos, impulsionada principalmente pelas mudanças no uso da terra.

• Dinâmica da Cobertura da Terra: As áreas construídas expandiram 43%, aumentando de 96,36 km² em 2007 para 137,64 km² em 2021. Por outro vez, a cobertura vegetal declinou acentuadamente em 56% (de 107,25 km² para 46,71 km²). O solo exposto aumentou ligeiramente, enquanto os corpos d'água mostraram uma redução marginal.
• Tendências de Temperatura: A LST média subiu de 27,94°C em 2007 para um pico de 35,39°C em 2014, estabilizando-se em 34,81°C em 2021. Mais criticamente, a LST máxima aumentou constantemente, atingindo 42,46°C em 2021, representando um aumento de 26% em relação aos níveis de 2007.
• Distribuição Espacial: Zonas de alta temperatura expandiram-se do núcleo urbano para as novas áreas periurbanas em desenvolvimento (ex: Sumbrungu). Áreas construídas e de solo exposto exibiram consistentemente assinaturas térmicas significativamente mais altas em comparação com vegetação e corpos d'água.
• Correlações: Observaram-se fortes relações estatísticas entre a cobertura da terra e a temperatura. Houve uma forte correlação inversa entre LST e NDVI (r² = 0,79–0,90), confirmando o efeito de resfriamento da vegetação. Inversamente, uma correlação positiva significativa existiu entre LST e NDBI (r² = 0,51–0,83), indicando que superfícies impermeáveis impulsionam a intensificação térmica.
• Intensidade da UHII: O Índice de Intensidade da ICU atingiu o pico de 2,76°C em 2014 e permaneceu elevado em 2,69°C em 2021, com o estresse térmico afetando cada vez mais as franjas rurais e periurbanas que anteriormente eram termicamente neutras.

Significância e Contribuições
O artigo posiciona-se como a primeira análise espaço-temporal abrangente da dinâmica de ICU no Município de Bolgatanga, abordando uma lacuna geográfica crítica na literatura existente, que se concentrou predominantemente em cidades do sul de Gana.

• Estrutura Metodológica: O estudo estabelece um framework replicável para quantificar anomalias térmicas urbanas em ambientes semiáridos e com escassez de dados, integrando imagens multitemporais Landsat com conjuntos de dados meteorológicos e o Algoritmo de Janela Única.
• Relevância Política: Os achados ressaltam a necessidade urgente de um planejamento urbano resiliente ao clima no Norte de Gana. A pesquisa demonstra que a rápida urbanização e a remoção de buffers de vegetação estão diretamente ligadas ao estresse térmico extremo, apresentando riscos à saúde pública e à sustentabilidade ambiental.
• Insights Estratégicos: Ao identificar o papel específico das superfícies não permeáveis e da perda de cobertura vegetal na amplificação das anomalias térmicas, o estudo fornece evidências acionáveis para que governos locais integrem métricas de ICU em políticas de zoneamento, promovam o esverdeamento urbano e adotem designs de infraestrutura resilientes ao calor.

Os autores concluem que, embora o estudo ofereça valiosos insights espaciais, pesquisas futuras devem visar uma maior resolução temporal (ex: MODIS, Sentinel-3) e a aplicação de modelos de aprendizado de máquina para melhorar as capacidades preditivas para sistemas de alerta precoce.