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ANÁLISIS ESPACIOTEMPORAL DE ISLAS DE CALOR APLICADO EN LA CIUDAD COSTERA DE SAN FRANCISCO DE CAMPECHE, MÉXICO
ROMÁN CANUL-TURRIZA, KARIANNA AKÉ-TURRIZA, OSCAR MAY-TZUC, MARIO JIMÉNEZ-TORRES
REVISTA URBANO Nº 49 / MAYO 2024 - OCTUBRE 2024
PÁG. 8 - 23
ISSN 0717 - 3997 / 0718 - 3607
Este trabajo forma parte de la investigación “Observatorio Climatológico de San Francisco de Campeche (Etapa 01)”, proyecto 036/
UAC/2023, de la Universidad Autónoma de Campeche.
Doctor en Ingeniería
Profesor – Investigador de la Facultad de Ingeniería.
Universidad Autónoma de Campeche, San Francisco de Campeche, México.
https://orcid.org/0000-0003-2081-9913
roacanul@uacam.mx
Magíster en Proyectos de Arquitectura y Urbanismo
Estudiante de la Facultad de Ciencias Químico Biológicas
Instituto de Ecología, Pesquerías y Oceanografía del Golfo de México, San Francisco de Campeche, México.
https://orcid.org/0009-0001-6598-216X
al041220@uacam.mx
Doctor en Ingeniería
Profesor-Investigador de la Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma de Campeche, San Francisco de Campeche, México.
https://orcid.org/0000-0001-7681-8210
oscajmay@uacam.mx
Doctor en Ingeniería
Profesor de la Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma de Campeche, San Francisco de Campeche, México.
https://orcid.org/0000-0002-8331-1888
majimene@uacam.mx
https://doi.org/10.22320/07183607.2024.27.49.01
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Recibido: 25-09-2023
Aceptado: 01-05-2024
SPATIAL-TEMPORAL ANALYSIS OF HEAT ISLANDS APPLIED TO THE COASTAL CITY OF
SAN FRANCISCO DE CAMPECHE, MEXICO
ANÁLISIS ESPACIOTEMPORAL
DE ISLAS DE CALOR
APLICADO EN LA CIUDAD
COSTERA DE SAN FRANCISCO
DE CAMPECHE, MÉXICO
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ROMÁN CANULTURRIZA 2
KARIANNA AKÉTURRIZA 3
OSCAR MAYTZUC 4
MARIO JIMÉNEZTORRES 5
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ROMÁN CANUL-TURRIZA, KARIANNA AKÉ-TURRIZA, OSCAR MAY-TZUC, MARIO JIMÉNEZ-TORRES
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The urbanization of the city of San Francisco de Campeche inuences the formation of urban heat islands due to construction
materials, buildings and structures, human activities, lack of vegetation, and transportation infrastructure. Heat islands have
negative consequences such as increased energy consumption and heat stress for the population, contributing to climate change
due to increased greenhouse gas emissions caused by additional energy demand. Cities such as Sydney, Beijing, Nanjing,
Moscow, and Hong Kong are implementing urban planning strategies that promote urban vegetation, the use of reective building
materials, the improvement of public transport, and the promotion of energy efciency in buildings. Landsat satellite images were
used to analyze population growth and urban sprawl to identify heat islands, and a vegetation index analysis was also made.
Regarding the analyses, it was recognized that the temperature increased by approximately 6°C between 1990 and 2022. There
has also been a decrease in vegetation due to the urban sprawl and housing growth, quadrupling the Normalized Difference
Vegetation Index (NDVI) in the 0-0.25 class for the same period. Finally, mitigation measures are proposed to counteract the
effects caused by heat islands in the city.
Keywords: islands, heat, city, coastline
La urbanización de la ciudad de San Francisco de Campeche inuye en la formación de isla de calor urbano debido a materiales
de construcción, edicios y estructuras, actividades humanas, falta de vegetación, e infraestructura de transporte. Las islas
de calor tienen consecuencias negativas como aumento en el consumo de energía y un mayor estrés térmico en la población.
Además, contribuyen al cambio climático debido al aumento de emisiones de gases de efecto invernadero, causadas por la
demanda adicional de energía. Ciudades como Sídney, Beijing, Nanjing, Moscú y Hong Kong están implementando estrategias
de planicación urbana que promueven la vegetación urbana, el uso de materiales de construcción reectantes, la mejora del
transporte público y la promoción de la eciencia energética en edicios. Con el n de identicar islas de calor se utilizaron
imágenes satelitales Landsat. Se analizó el crecimiento de la población y la mancha urbana realizando un análisis de índice
de vegetación. En relación con los análisis realizados, se identicó que la temperatura ha aumentado aproximadamente 6°C
entre los años 1990 y 2022; así como ha disminuido la vegetación ante el crecimiento de la mancha urbana y las viviendas,
cuadruplicando el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) en la clase 0-0.25. Finalmente, se proponen medidas
de mitigación para contrarrestar los efectos que causan las islas de calor en la ciudad.
Palabras clave: islas, calor, ciudad, costa
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I. INTRODUCCIÓN
La urbanización es de los procesos humanos con mayor
impacto al medio ambiente y clima. En las urbes se concentra
el 55% de la población mundial con un incremento previsto
al 68% para el 2050 (Ma et al., 2023) y emiten agentes dañinos
para la salud e inuyen en la meteorología local. Además, el
crecimiento urbano, el desarrollo económico y los cambios
en el uso del suelo son una amenaza para los seres humanos
y el ecosistema (Xu et al., 2021). Las urbes contribuyen al
calentamiento global, principalmente por el efecto de las Islas
de Calor Urbano o (UHI, por sus siglas en inglés Urban Heat
Island).
Por ejemplo, en las regiones costeras del mundo el efecto de la
UHI es extremo, modicando la meteorología regional desde
extremas olas de calor hasta inundaciones y se prevé que se
intensique el fenómeno (Qiu et al., 2023). En estas regiones la
complejidad aumenta producto de la brisa marina que dirige
las UHI varios kilómetros tierra dentro hasta su disipación
(Yun et al., 2020). Es necesario comprender la fenomenología
permitiendo la formulación de políticas apoyando la toma de
decisiones y planicación de escenarios que consideren: a)
análisis de la escala de tiempo; b) inclusión del paisaje y forma
urbana, proporción de áreas verdes y azules, mejora del albedo,
distribución modal del transporte; c) tecnologías pasivas en la
envolvente de edicios; d) tecnologías activas considerando
climatización articial; e) salud pública y participación
ciudadana (Degirmenci et al., 2021). Por ello, enfocarse en
la descentralización urbana, control de expansión, tasa de
cobertura verde y la densidad de edicación mejorarán el
entorno térmico y contaminación del aire (Luo y He, 2021).
Actualmente, existe una falta de conocimiento sobre la
variación espacio-temporal de la intensidad de la UHI
supercial tanto diurno como nocturno; así como se carecen
de recursos para hacer frente a los rápidos impactos de la
urbanización. Como alternativa, en los últimos años se ha
recurrido al uso de imágenes satelitales para auxiliar en la
detección de UHI, debido a su disponibilidad, acceso gratuito y
amplio historial de registro. San Francisco de Campeche es una
región importante porque pertenece a la lista de Patrimonio
Mundial de la Humanidad y se encuentra en una zona costera
con rápida urbanización, por lo que realizar un estudio
enfocado en las Islas de Calor Urbano, utilizando imágenes
satelitales del periodo 1990 – 2020, permitirá cuanticar los
cambios históricos de la temperatura supercial y atmosférica,
así como los cambios en la cobertura vegetal para identicar
y caracterizar las Islas de Calor Urbano (UHI). Así mismo, se
hipotetiza que los resultados del siguiente estudio revelarán
las zonas con mayores cambios de temperatura y cobertura
vegetal, proporcionando una base para proponer acciones de
mitigación de los efectos de las Islas de Calor Urbano en San
Francisco de Campeche.
II. MARCO TEÓRICO
Islas de Calor Urbano (UHI)
Las UHI son una anomalía térmica resultante de la diferencia
de temperatura entre un área urbana y rural circundante,
que incrementa la temperatura atmosférica debido al
calor adicional emitido (Ortiz Porangaba et al., 2021).
Éstas aumentan las cargas de refrigeración en verano y
en consecuencia el consumo de energía, lo que deriva en
mayores emisiones de gases de efecto invernadero (Khare et
al., 2021). Este proceso térmico afecta a la población tanto por
el incremento local de la temperatura, como por la liberación
de agentes contaminantes a la atmósfera y la contaminación
del aire. Por ello, es importante comprender cómo los
componentes de las ciudades intereren en las UHI, para
establecer medidas de mejora en el entorno térmico urbano
y reducir la contaminación del aire (Kim y Brown, 2021; Liang
et al., 2021).
Con la rápida expansión de la urbanización en todo el
mundo, el efecto de isla de calor urbano tiene un enorme
impacto negativo en las ciudades, incluyendo energía, medio
ambiente y condiciones de salud. Desafortunadamente la
geometría constructiva y las actividades humanas intensican
severamente el fenómeno de UHI (Xu et al., 2021).
También se ha observado que la UHI y la contaminación del
aire son responsables de grandes impactos en la salud. Según
un informe de la Organización Mundial de la Salud (OMS), la
contaminación del aire en interiores causó aproximadamente
3,8 millones de muertes en 2016 y alrededor de 4,2 millones
de muertes se atribuyeron a la contaminación del aire en el
mismo año. Además, se estima que el 91% de la población
vive en lugares donde el índice de calidad del aire supera los
límites de las pautas entregadas por la OMS. Por lo tanto ,
regular la urbanización podría tener benecios de doble vía
(Singh et al., 2020). La urbanización coincide con cambios
ambientales notables que incluyen la vegetación, el suelo y
el clima (Vasenev et al., 2021), por lo que comprender cómo
los componentes de las ciudades intereren en la UHI se ha
convertido en un gran desafío para las sociedades que buscan
mejorar la calidad de vida a través de la implementación de
criterios de planicación urbana (Hidalgo García y Arco Díaz,
2021).
La selección de indicadores de planicación urbana como la
densidad de edicación, la supercie construida, la tasa de
cobertura verde, entre otros, durante la fase de preparación
de la planicación urbana puede regular la intensidad del
desarrollo urbano y la conguración del entorno térmico
urbano tras la aplicación de la propuesta de planicación
(Luo y He, 2021); esta comprensión de la relación entre
los indicadores de planicación urbana y la formación del
ambiente término permite abordar con mayor detalle el
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aspecto térmico durante la etapa de planicación, lo que
facilita optimizar la propuesta de planicación urbana para
mitigar los efectos de UHI (Luo y He, 2021).
Aún cuando las áreas urbanas enfrentan múltiples desafíos
ambientales que interactúan con el cambio climático, incluido
el efecto de UHI, la vegetación puede ser una solución basada
en la naturaleza para la mitigación del efecto UHI (Tan et
al., 2021). La interacción de las UHI en una ciudad tropical
costera puede ser diferente a la de las ciudades en zona de
clima templado, afectándola gravemente. Sin embargo, hay
una carencia de estudios sobre UHI centradas en las ciudades
tropicales costeras (Chew et al., 2021)
A nivel internacional se han realizado algunos estudios en
ciudades costeras como Grecia (Giannaros y Melas, 2012),
Oman (Charabi yyBakhit, 2011), en el Mar Caspian (Firozjaei
et al., 2023), Estambul (Dihkan et al., 2015), China (X. Xu et al.,
2023) y en el Mar Mediterráneo (Kassomenos et al., 2022), sin
embargo, estos estudios aún son emergentes en México y el
Golfo de México.
III. ESTUDIO DE CASO
Caso de estudio: Campeche, México
El estudio se realizó en la ciudad de San Francisco de
Campeche (SFC) (19°50’41’’N y 90°32’23’’O) cabecera del Estado
de Campeche (México) ubicada en la península de Yucatán, a
orillas del Golfo de México (Figura 1).
San Francisco de Campeche es una ciudad histórica forticada
y una de las pocas ciudades amurallas de América. Su centro
histórico y sus antiguos barrios poseen construcciones que datan
de los siglos XVI al XIX con arquitectura militar, civil y religiosa.
Dado su contexto histórico y comercial, la homogeneidad de su
arquitectura fue declarada en el año 1986 Zona de Monumentos
Históricos, y en el año 1999 forma parte de la lista de Patrimonio
Mundial de la Humanidad de la Organización de las Naciones
Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO).
Posee una extensión de 3,410.64 km2 con altitud promedio
de 5 msnm (Figura 1). Se caracteriza principalmente por un
clima cálido-húmedo con lluvias en verano, distribuido en tres
temporadas: “Lluvias” (junio-septiembre); “Nortes” (octubre-enero);
y “Seca” (febrero-mayo). La temperatura media anual de la ciudad
es de 27°C, con promedios máximos en verano de 29°C y una
temperatura máxima histórica de 43°C (INEGI, 2022).
Demográcamente, cuenta con 294,077 habitantes, 32% de los
habitantes del Estado, con un incremento poblacional del 25 %
en los últimos 10 años (INEGI, 2020) ; repercutiendo en una
urbanización no planicada, originada por la invasión de terrenos
que se transformaron en zonas habitacionales, reduciendo de
este modo las áreas verdes dentro de la ciudad. Estas zonas son
identicadas como potenciales UHI, generando un incremento
urbano en el uso de aires acondicionados, alza en la demanda
energética y mayor polución atmosférica.
Este tipo de patrón de crecimiento urbano, en San Francisco de
Campeche está en gran manera asociado a un alto consumo
energético, razón por la que se considera a esta ciudad
como caso de estudio. Este análisis servirá para generar
Figura 1. Locación de la ciudad de SFC, México. Fuente: Elaboración de los autores.
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una metodología que permita detectar y proponer mejoras
exportables a otras ciudades con características similares, como
el abordaje de problemas de salud pública, la mejora en la
eciencia energética, la protección del medio ambiente y la
adaptación al cambio climático.
IV. METODOLOGÍA
Con el objetivo de identicar y caracterizar las UHI desde
una perspectiva temporal y contrastarlo con el crecimiento
poblacional, se propone desglosar el análisis en cuatro fases:
(1) analizar el crecimiento poblacional de la ciudad de SFC; (2)
cuanticar los cambios históricos de la temperatura (supercial y
atmosférica); (3) cuanticar los cambios en la cobertura vegetal;
e (4) identicar las zonas con mayores cambios de temperatura,
cobertura vegetal y la relación entre ellos. Por lo anterior, la
metodología analiza cuatro elementos temporales: temperatura
de la supercie terrestre (en inglés Land Surface Temperature o
LST), índice de vegetación de diferencia normalizada (en inglés
normalized dierence vegetation index o NDVI), crecimiento
histórico poblacional y análisis del histórico local de temperatura,
este último para reforzar el análisis de los cambios en la
temperatura.
El análisis histórico climático se realizó a partir de datos del
modelo ERA5 generado por el Centro Europeo de Predicción
Meteorológica a mediano plazo y por estaciones meteorológicas
locales. El análisis poblacional se da a partir de registros
demográcos de la región
Para el cálculo del LST y NDVI se emplearon imágenes
satelitales Landsat, representadas en bandas espectrales. Estas
imágenes son un insumo esencial para el análisis y tratamiento
de los problemas ambientales que existen en las ciudades
latinoamericanas debido a la escasa información disponible y a
la precariedad de los sistemas de monitoreo y observación de
cambios ambientales locales. Se analizaron imágenes Landsat-
5TM, Landsat-7TM, Landsat-8OLI y Landsat-9OLI obtenidas de
las bases del Servicio Geológico de los Estados Unidos (United
States Geological Survey [USGS], s.f). El estudio analizó imágenes
entre los años 1990 y 2020 en intervalos de 5 años, asociadas al
mes de abril, con el n de caracterizar la estación seca, ya que es
la más calurosa de la región.
Crecimiento histórico de la población del ámbito
urbano conurbado
Los datos se recabaron del crecimiento poblacional y su relación
con la supercie urbanizada. Éstos fueron colectados de registros
locales como El Programa Municipal de Desarrollo Urbano de
Campeche 2020-2040 (SEDATU, 2020), así como del Programa
Director de Desarrollo Urbano de Campeche 2008-2033 (PDU)
y el Programa Municipal de Ordenamiento Ecológico Territorial
(PMOET).
Temperatura de la supercie terrestre
Para obtener este dato se utilizaron imágenes de la banda 6 para
Landsat-5TM y Landsat-7TM, y banda 10 para Landsat-8OLI y
Landsat-9OLI. El cálculo consta de 4 pasos (X. Li et al., 2016) :
1. Radiancia espectral , para imágenes TM es
obtenido con la Ec.1, donde es el valor digital del píxel en
un intervalo 0-255, y los valores máximos y mínimos de
los pixeles en la banda térmica, y las radiancias espectrales
máximas y mínimas escaladas. Para las imágenes OLI,
se calculó de la Ec.2 (considerando la obtención de la
radiación en la parte superior de la atmósfera o radiancia
TOA), donde fue la corrección para la banda 10, y ML y
AL representaron factores multiplicativo y aditivo para el
reescalimiento de la radiancia a una determinada banda.
(1)
(3)
(4)
(5)
(2)
2. Temperatura de intensidad luminosa o Bright Temperature
(BT ) Ec.3, donde K1 y K2 son constantes de conversión
térmica, asociadas al tipo de imagen satelital (TM u OLI).
3. Supercie de emisividad del suelo o Land Surface Emissivity
(LSE) Ec. 4, indica la emisividad promedio de un elemento
sobre la supercie del suelo a partir del NDVI, donde y son
el máximo y mínimo del NDVI.
4. Estimación del LST, dado por la Ec.5, donde es la longitud
de onda de la radiancia emitida(µm), h=; s la constante de
Boltzman y c la velocidad de la luz.
Serie temporal de temperatura supercial
Para este análisis se recurrió al registro de temperaturas desde el
año1940 hasta el 2023, obtenido de dos fuentes:
• De 1940- 2022 del modelo ERA5 (https://cds.climate.
copernicus.eu), correspondiente a registros de la
temperatura del aire a 2m sobre la supercie terrestre
para identicar incrementos en la ciudad con el paso del
tiempo. Este valor se calcula en intervalos de una hora
interpolando entre el nivel más bajo del modelo y la
supercie de la Tierra.
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• De 2022-2023, de una estación meteorológica inalámbrica
multifuncional ubicada dentro de la ciudad en las
coordenadas 19.85°N – 90.50°O. La serie de datos de
temperatura se colectó desde octubre de 2022 al mes de
abril de 2023 con un registro cada 10 minutos.
Índice de vegetación de diferencia normalizada
Este indicador que verica la condición de vegetación a partir de
bandas de infrarrojo cercano (en inglés Near Infra-Red, NIR) y roja
(R) de las imágenes Landsat. Su estimación se realizó a través de
la siguiente fórmula Ec. 6 (H. Li et al., 2018) :
(6)
Para las imágenes del Landsat-5TM y Landsat-7TM se emplearon
las bandas espectrales 4 y 3 para los valores de NIR y R; para
Landsat-8OLI y Landsat-9OLI corresponden las bandas 5 y 6.
Los valores del NDVI oscilan entre ±1.0. La vegetación verde se
encuentra entre los valores de 0.2-0.8 (Wang et al., 2020).
V. RESULTADOS
Análisis de crecimiento histórico de la población
La Figura 2 presentan el histórico del crecimiento demográco,
viviendas construidas y repercusión en la fragmentación urbana
para la ciudad de 1950-2019 (último censo). La Figura 2 contrasta
el crecimiento poblacional de la ciudad respecto a las viviendas
edicadas. A lo largo del período identicado que abarca 70
años, la población ha crecido un 87% en el Estado siendo 1970
y 2019 los de mayor aumento. La tercera parte del incremento
se ha dado en los últimos 10 años. Por otra parte, el crecimiento
del número de viviendas ha sido mayor, aumentando un 91%
desde el año 1980 a la fecha. Particularmente, desde el año
2000 la expansión de inmuebles ha crecido un 38% asociándolo
con el crecimiento demográco. Estos resultados se vinculan
con el aumento de la mancha urbana (Figura 2), producto de la
expansión urbana al sur y este de la ciudad. En la década de los
ochenta y noventa el crecimiento habitacional se concentró en
las zonas del sur y sureste. Los cambios de uso del suelo están
asociados directamente con el incremento de la temperatura del
suelo.
Temperatura de la supercie terrestre (LST)
La Figura 3 compila los mapas de LST de 1990 a 2020 en
intervalos de cinco años, catalogando la temperatura en la
supercie en 5 rangos de colores: azul (< 20°C), celeste (20-
25°C), verde (25-30°C), amarillo (30-35°C), naranja (35-40°C) y
rojo (>40°C). Durante la década de los noventa, la ciudad no
superaba los 25°C a nivel de suelo en la época más calurosa del
año, siendo los barrios más antiguos y céntricos aquellos con
Figura 2. a) Comportamiento de la vivienda y mancha urbana en
Campeche (arriba), b) Comportamiento de la vivienda respecto
a la población de Campeche (abajo). Fuente: Elaboración por los
autores.
temperaturas más elevadas, producto de la mancha urbana
reducida. En décadas posteriores (2000-2020) la LST superaba los
30°C debido a la expansión urbana hacia los ámbitos aledaños
a la ciudad. Esto concuerda con el surgimiento de colonias
habitacionales en el oriente y poniente, ocasionaron una
expansión del 37% sobre suelo forestal.
En las zonas del centro histórico y oriente se observó el
incremento de la temperatura, ocasionado por la deforestación,
incluso superando los 35°C. Además, es interesante la tendencia
a generar zonas que alcanzan o superan los 40°C. Lo anterior
indica que, en 30 años, una ciudad costera y de poca población
como el caso de estudio, ha incrementado aproximadamente
10°C la temperatura a nivel de suelo.
Para visualizar el comportamiento de la temperatura a nivel
del suelo, se extrajo información de 24 puntos identicados
con mayor cambio a lo largo de la ciudad, para cada una de las
imágenes analizadas (Figura 4). El gráco presenta los cambios