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Introducción
El término isla de calor urbana (ICU) se emplea para describir las áreas urbanas que presentan incrementos en la temperatura superficial terrestre en comparación con las zonas suburbanas o rurales que las rodean (Landsberg 1981). Este aumento en la temperatura se debe a que los materiales (pavimentos, concretos y estructuras metálicas) utilizados en la construcción tienden a absorber y retener mayor cantidad de radiación solar (Soltani y Sharifi 2017). Existen dos tipos de ICU: isla de calor superficial, la cual representa la diferencia de la temperatura registrada por los materiales, tales como el concreto, estructuras metálicas y edificios, con respecto a las zonas rurales aledañas a la ciudad (Landsberg 1981). El segundo tipo de isla de calor se denomina isla de calor atmosférica, en la cual se señala la diferencia térmica entre el aire de las zonas urbanas y rurales (Fernández 2009). La presencia de ICU en las grandes ciudades repercute en la calidad de vida de sus habitantes, generando estrés térmico (Díaz et al. 2015, Qaid et al. 2016) y sus efectos suelen ser mayores durante la temporada de canícula en México (Zhao et al. 2020).
A nivel mundial, los estudios sobre las islas de calor de urbanas son cada vez más frecuentes (Díaz et al. 2015, Qaid et al. 2016, Soltani y Sharifi 2017). Sin embargo, este tipo de investigaciones son relativamente escasos para México (Manzanilla- Quiñones 2022), donde la mayoría de estas investigaciones se han generado a través del uso de datos obtenidos de estaciones meteorológicas, sensores térmicos y análisis espacial (Colunga et al. 2015, Ballinas y Barradas 2016, Flores de la O et al. 2018, Manzanilla-Quiñones 2022). En México se han efectuado diversos estudios acerca de la estimación de ICU, en los cuales se han reportado una diferencia entre la temperatura superficial de áreas urbanas y suburbanas o rurales de +4.9 °C en la ciudad de Tampico, Tamaulipas (Fuentes 2014), +4.2 °C en la ciudad de Querétaro, Querétaro (Colunga et al. 2015), +7.1 °C en la ciudad de México (Ballinas y Barradas 2016) y de +5 °C en la Zona Metropolitana de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas (Zavaleta-Palacios et al. 2020).
En el estado de Michoacán de Ocampo, la investigación del fenómeno de ICU se ha centrado única y exclusivamente para la ciudad de Morelia (Corona-Mora et al. 2014). Por lo que existe un gran vacío en el estudio y análisis de este tema en el estado de Michoacán. Motivo por el cual, la presente investigación tiene como objetivo analizar datos instrumentales de temperatura máxima e imágenes satelitales Landsat 8 OLI durante la temporada de canícula de julio-agosto de 2013-2021, periodo en el cual se suelen presentar mayores temperaturas en gran parte del territorio mexicano, por lo que para realizar este tipo de estudios, el lapso comprendido entre los meses de julio a agosto, resulta ser el más el apropiado para poder determinar la presencia de ICU en las ciudades, caso específico, para la ciudad de Uruapan, Michoacán, México, la cual desde un punto de vista de desarrollo socioeconómico, representa la segunda ciudad más importante de Michoacán
Materiales y métodos
Área de estudio
La región de estudio comprende el municipio de Uruapan ubicado entre las coordenadas 19° 11’ 6.3” y 19°37’ 39.6” latitud norte y los 101°56’ 10” y 102°23’ 36.8” longitud oeste. De acuerdo con INEGI (2021) comprende una superficie de 1 018.1 km2 (Figura 1), sin embargo, es importante mencionar que el área evaluada corresponde a la zona urbana de la Ciudad de Uruapan.
Clima
De acuerdo con la clasificación de García (1998) el clima dominante en Uruapan corresponde al tipo templado húmedo C(m). A su vez, la variación en temperatura registrada durante el periodo 1971-2000 por las normales climatológicas de la estación meteorológica de Jicalán (CFE) fue de 25.5 °C para la temperatura máxima anual, 18.1 °C para la temperatura promedio anual y 10.7 °C para la temperatura mínima, mientras que para la precipitación se registró un total anual acumulado de 1 439.3 mm (SMN-CONAGUA 2023).
Datos climáticos
Se obtuvieron los datos de temperatura máxima promedio mensual registrados por la estación meteorológica de Jicalán (CFE) ubicada en la zona urbana del centro de la ciudad de Uruapan. Los registros obtenidos corresponden a los meses de julio-agosto del periodo 1963-1998 de la Base de Datos Climatológica Nacional “CLICOM”. Se observó que >95% de los registros obtenidos para los meses de julio-agosto de 1963-1998 estaban completos, por lo que los valores faltantes fueron estimados mediante la aplicación de promedios móviles de orden n = 5, es decir, se utilizaron los datos de cinco años anteriores al registro ausente para calcular el dato faltante (Schulz 1973). Finalmente, se procedió a calcular el promedio de los meses julio-agosto con el objetivo de determinar el valor histórico del comportamiento de la temperatura promedio de los meses de canícula (Julio-Agosto). Posteriormente se complementaron las estimaciones de temperatura máxima durante la temporada de canícula utilizando los datos instrumentales y satelitales con la finalidad de determinar las ICU en la ciudad de Uruapan.
Análisis satelital
Para realizar el análisis satelital fue necesario descargar las imágenes satelitales Landsat 8 OLI disponibles de la plataforma del Servicio Geológico de los Estados Unidos a una resolución espacial de 30 m y con una cobertura de nubes menor al 30% para la ciudad de Uruapan. Debido a que las bandas multiespectrales presentan errores al momento de su captura por parte del sensor del satélite, se realizaron correcciones de tipo atmosférico a las bandas rojas (B4) e infrarroja cercaba (B5) mediante el uso del programa Quantum GIS (QGIS) versión 3.2.3 (QGIS 2018), esto con la finalidad de eliminar los objetos oscuros y los efectos derivados de la dispersión atmosférica (Riaño et al. 2000).
Estimación de la temperatura superficial terrestre
La estimación de la temperatura superficial terrestre se estimó por medio de los siguientes procesos:
Para estimar la temperatura superficial terrestre, primero se calculó la temperatura de brillo de la parte superior de la atmósfera (TBA) por medio de la siguiente ecuación (Schroeder et al. 2006):
Donde: M L = Factor de reescalamiento multiplicativo de la banda 10, Q cal = Banda 10 de Landsat 8, y A L = Factor de reescalamiento aditivo de la banda 10.
La conversión de valores de radiación espectral a valores de reflectancia permitió corregir el efecto de la distancia espacial entre el sol y la tierra, la cual se deriva por las distintas fechas de adquisición de cada imagen satelital.
Para luego, proceder a transformar los valores TBA a temperatura de brillo (TB) mediante la aplicación de la siguiente ecuación (Jiménez-Muñoz et al. 2010):
Donde: K1 y K2 = constantes de conversión térmica de la banda 10, TBA = Temperatura de brillo de la parte superior de la atmósfera, y Ω = -273.15 °C. La TB hace referencia a la temperatura en grados Celsius existente en la superficie de una región geográfica (Riaño et al. 2000).
Posteriormente fue necesario calcular el Índice Diferencial Normalizado de Vegetación (IDNV) por medio de la siguiente ecuación (Rouse et al. 1974):
Donde: B5 = Banda infrarroja cercana, y B4 = Banda roja
Después se realizó el cálculo de la proporción de la vegetación (Pv) mediante la siguiente ecuación (Carlson y Ripley 1997):
Donde: IDNV= Índice Diferencial Normalizado de Vegetación, IDNV min = valor mínimo del IDNV, y IDNV max = valor máximo del IDNV.
De la misma forma se estimó la emisividad (E) a través de la aplicación de la siguiente ecuación (Sobrino et al. 2004):
Donde: σ = desviación estándar (0.004), Pv = Pro- porción de la vegetación y C = constante (0.986)
Por último se calculó la temperatura superficial de la tierra (TST) por medio de la siguiente ecuación (Artis y Carnahan 1982):
Donde: TB = Temperatura de brillo, E = Emisividad, y Constantes = a (0.00115) y b (1.4388).
Estimación de ICU
El proceso de identificación, delimitación y estimación de las ICU se efectuó en cinco etapas: durante la primera etapa se emplearon los registros obtenidos de temperatura máxima promedio mensual de julio-agosto de la estación de Jicalán (CFE) para estimar la temperatura máxima promedio del periodo 1963-1998 (valor histórico de referencia o promedio histórico). Segunda etapa: con los resultados obtenidos del procesamiento satelital de las bandas multiespectrales: Banda 4, Banda 5 y Banda 10, se procedió a estimar el comportamiento promedio de la temperatura superficial terrestre registrado durante la canícula de 2013-2021 en la ciudad de Uruapan.
Tercera etapa: delimitación espacial de las ICU, este proceso se realizó al aplicar un valor de +1°C al valor de temperatura de referencia (promedio histórico estimado por la estación meteorológica de Jicalán (CFE) para el periodo 1963-1998) con ayuda de la herramienta reclasificar por tabla del programa QGIS (QGIS 2018).
Cuarta etapa: se estimaron las superficies (≥1 ha) de las ICU identificadas en la ciudad de Uruapan. Quinta etapa: consistió en realizar una estimación de la superficie total, cálculo del número de ICU y la generación y edición de los mapas temáticos en el programa QGIS (QGIS 2018).
Resultados y discusión
De acuerdo con el análisis de los datos de temperatura máxima promedio mensual de la estación meteorológica de Jicalán (CFE), en la región evaluada se registró una temperatura máxima promedio histórica durante la temporada de canícula de los meses de julio-agosto del periodo 1963-1998 de 24.6 °C, con una varianza de 0.13 °C y una desviación estándar de 0.36 °C. La estimación de la temperatura superficial terrestre mediantes imágenes satelitales es un método altamente fiable y preciso (Sobrino et al. 2004, Jiménez-Muñoz et al. 2010). De acuerdo con las estimaciones de temperatura superficial terrestre efectuadas mediante el procesamiento de imágenes satelitales del periodo 2013-2021, en la ciudad de Uruapan, se registraron temperaturas máximas de 26.3 a 34.3 °C siendo el 2013 el año más caluroso y el 2016 el año menos caluroso (Tabla 1). Las zonas centro y sur fueron presentaron las temperaturas más altas, esto debido a que en esas zonas se encuentran ubica- dos fraccionamientos, edificios, calles de concreto, el aeropuerto y demás estructuras metálicas, las cuales retienen una mayor temperatura durante la tempo- rada de canícula, mientras que las partes cercanas a cerros y laderas, localizadas al norte y noroeste de Uruapan, registraron temperaturas más bajas (Figura 2), lo cual coincide con las temperaturas reportadas por Ballinas y Barradas (2016) para la ciudad de México, Colunga et al. (2015) para la ciudad de Querétaro y Flores-De la O et al. (2018) para la ciudad de Torreón, quienes argumentan que las áreas rurales aledañas a las ciudades, son las zonas menos cálidas.
Tabla 1 Temperaturas máximas anuales registradas durante la temporada de canícula de 2013-2021 en la ciudad de Uruapan.
| Año | Temperatura máxima (°C) |
|---|---|
| 2013 | 34.3 |
| 2014 | 32.4 |
| 2015 | 33.3 |
| 2016 | 26.2 |
| 2017 | 29.8 |
| 2018 | 31.2 |
| 2019 | 30.5 |
| 2020 | ND |
| 2021 | 32.8 |
ND: No hay datos disponibles.
Figura 2 Variación de la temperatura superficial terrestre registrada durante la canícula de julio-agosto de 2013-2021 en Uruapan, Michoacán, México.
Diversos estudios coinciden en que la formación de las ICU está directamente asociada con el desarrollo urbano de las metrópolis, las cuales provocan efectos negativos sobre la calidad de vida de sus habitantes como estrés térmico (golpes de calor), menor calidad del aire (mayor cantidad de gases contaminantes en la atmósfera) y una mayor tasa de mortalidad cuando superan los 36 °C (Díaz et al. 2015, Blancarte-Siqueiros et al. 2020), por lo que de acuerdo con lo reportado en la literatura y a los resultados de este estudio, el efecto de ICU en la ciudad de Uruapan sería menor en comparación con otras ciudades como San Luis Río Colorado (Sonora) 52.5°C, Mexicali (Baja California) 52 °C, Huetamo (Michoacán) 51.2 °C, Navojoa (Sonora) 50.6 °C y ciudad Juárez (Chihuahua) 50.5 °C, donde se registran temperaturas durante la canícula, mayores a 36 °C (Expansión Política 2023), sin embargo es importante mencionar que a futuro, debido a los efectos del cambio climático, las temperaturas durante la canícula aumenten a nivel mundial (IPCC 2014).
Pese a que la creación de las ICU es uno de los fenómenos urbanos muy bien documentados a escala mundial (Colunga et al. 2015, Soltani y Sharifi 2017) estas no habían sido analizadas, identificadas ni delimitadas en la ciudad de Uruapan y en general se han realizado muy pocos estudios en el estado de Michoacán de Ocampo. En el presente estudio se identificaron 23 ICU, las cuales presentaron valores de aumento por arriba de la temperatura promedio de 1 a 3.9 °C y una superficie mínima mayor a una hectárea. Las zonas donde se concentraron gran parte de las ICU fue en la parte centro de la ciudad de Uruapan. Donde se identificaron 20 de las 23 ICU, las cuales abarcaron una superficie de 140.4 ha (Figura 3), que representa el 95.6% del total de ICU identificadas en Uruapan. Además se observó que no existe una clara relación entre la superficie y la intensidad de las ICU, es decir, se identificaron ICU intensas con una superficie variada, siendo las ICU más intensas, las localizadas en el Boulevard Industrial, Aeropuerto, Paseo de la Revolución y Central de Abastos, donde se presentaron valores por arriba del promedio histórico de temperatura máxima de 3 a 3.9 °C.
Figura 3 Distribución de las ICU durante la temporada de canícula de 2013-2021 en la ciudad de Uruapan, Michoacán, México.
Resultados similares han sido reportados por Fuentes (2014) quien reportó un valor de +4.9 °C de temperatura en las ICU de Tampico, Tamaulipas. Por su parte Colunga et al. (2015) encontraron que las ICU de la ciudad de Querétaro presentaron valores de +4.2 °C. Ballinas y Barradas (2016) hallaron valores de hasta +7.1 °C en las ICU de la ciudad de México. Mientras que Zavaleta-Palacios et al. (2020) reportaron en Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, valores de aumento en la temperatura de las ICU de hasta 5 °C.
Por último, los resultados de estos estudios señalan el rol clave que tienen las áreas verdes urbanas en la regulación del clima local, es decir, la función que tiene la vegetación urbana en la disipación de las temperaturas (Qaid et al. 2016, Flores-De la O et al. 2018), las cuales suelen presentar diferencias térmicas entre un área urbana y un área suburbana o rural de hasta +7.1 °C (Ballinas y Barradas 2016). Desgraciadamente, las superficies estimadas de áreas verdes urbanas en la cuidad de Uruapan se desconocen, por lo que aún hace falta generar más estudios que ayuden y sirvan de apoyo para la toma de decisiones sobre el manejo y planeación del desarrollo urbano, no solamente de la ciudad de Uruapan sino de muchas otras ciudades de México.
De acuerdo con el análisis de la temperatura superficial terrestre, la parte centro-sur de la ciudad de Uruapan es el área más cálida, en ella se concentra el 95.6% del total de ICU identificadas y delimitadas, las cuales se localizan sobre el Boulevard Industrial (Home Depot, Soriana y Pemex), Avenida Lázaro Cárdenas (Glorieta del McDonald’s, enfrente de la Cedrera, Facultad de Agrobiología y Planta procesadora de la Pepsi), Avenida Paseo de la Revolución (Soriana Hiper y Chevrolet Uruapan), Central de Abastos y en edificios del centro de la ciudad. La formación de estas ICU probablemente se deba al tipo de material como el concreto, asfalto y estructuras metálicas empleados en la construcción de este tipo de infraestructuras, las cuales suelen retener mayor radiación solar (Soltani y Sharifi 2017), que a su vez se ve reflejada en aumento de la temperatura superficial (Landsberg 1981).
Se identificó la presencia de 23 ICU, 20 localizadas en el centro-sur de la ciudad de Uruapan, las cuales presentaron valores de aumento por arriba del promedio histórico de temperatura máxima de 1 a 3.9 °C. Por lo que como una acción de mitigación se recomienda realizar actividades de conservación y de expansión de áreas verdes urbanas en las zonas o áreas donde se localizan las ICU (reforestación de camellones y parques), específicamente hacia el centro-sur de la ciudad.
