复杂城市环境中关于小范围气候和人体舒适条件的评估：建模与测量外文翻译资料

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复杂城市环境中关于小范围气候和人体舒适条件的评估：建模与测量

摘要：在过去的几十年中，一些复杂的热指数（如预测平均指数和生理等效温度）来描述和量化人类的热环境与身体和环境之间的能量通量。相对于开放空间/山水城市，城市的复杂表面结构创建一个特殊的小气候环境的特点，这对人体的能量平衡起主导作用。在这项研究中，室外热舒适条件是通过在塞格德的南匈牙利城市（人口160000）的两个领域的调查研究取得的。辐射通量的强度取决于表面结构和密度。由于我们的样本区位于一个建成城市中心，辐射通量主要受狭窄的街道和几个20 - 30岁（20 - 30米高）的树木的影响。特别需要强调的是给定的复杂城市环境小气候的人类生物气象学评估是通过热指数PET的应用。分析是利用了雷曼模型。首先，将互相靠近的场地的气候条件不同的建筑和植物的阴影进行比较。结果表明，由于不同的照射在这些地方的PET指数之间的差异可以高达15 - 20 C。其次，雷曼不同建模环境调查（只有建筑，只有树）显示了情境之间的人体舒适感觉的重大改变。

关键词：城市环境；热舒适；生理等效温度；塞格德；匈牙利

1. 简介

人类在城市环境中受到各种各样的压力。其中最重要的是中观和微观气候条件，这些指标与农村中的显著不同。主要原因是改变的表面结构（如建成区的比例，建筑物和树木的三维几何形状）触发特定的城市气候现象（如城市热岛，辐射通量的变化）。

生物气候研究的一个重要任务是评价人的热环境，因为它决定了身体的能量平衡，因此决定了其舒适感[ 1 ]。城市气候的生理相关的评价，尤其是城市的气候条件不同，需要的方法和指标的气象参数与热生理参数[2,3]结合使用。城市和区域规划的要求使用容易理解的方法，以方便舒适的城市小气候[ 1]作为热组件。

夏季进行的人类生物气候学研究具有重要意义，因为日落后几个小时的城市热岛除了白天强烈的热应激之外，还保持了高温胁迫的程度。这缩短了城市居民在夜间活动的可能性。基于上述条件，人体热舒适性问题和定量生物气候指标对于城市规划者和建筑师提供了有价值的信息。根据所获得的数据和建议，有助于规划过程的实现更适合城市环境和健康的环境，如增加的城市人口的福祉减轻夏季热应激。

这项研究是基于南匈牙利城市塞格德的早期生物气候和最近的城市气候研究。 根据这些研究，赛格德可以测量年平均值为2：7 C的城市热岛强度，在清除反气候条件下可以增加到6：8 C [4]。结果显示出对人体的显着额外的热负荷，特别是在夏季。在以前的生物气候研究中，借助于可用数据集的适当指数，在3年的时间内评估了城乡环境中人类生物气候特征的年变化和日变化差异[5]。这些指标是由空气温度和相对湿度，由空气温度和蒸气压定义的相对应变指数（RSI）定义的热湿指数（THI），以及由空气温度定义的“天鹅角天数” 21:00 h。 结果表明，由于热应力增加，夏季城市改造效果相当负面，冬季降温不利时间可以改善热感。

本研究的目的是说明人类舒适和热应激的定量评估的重要性和潜力。结果对城市规划和建筑师有用，如位于匈牙利南部的塞格德市所示。研究应用双向方法，同时集中在相同的研究领域：（a）表面结构的建模和改变，（b）基于复杂的微气候测量的评估，以揭示研究区域的人类生物气候学特征。

1. 研究区域及方法

2.1 研究区域

塞格德位于匈牙利南部（46 N，20 E），海拔79米，平面（图1A-B）。Tisza河穿过城市，否则附近没有大型水体。街道网络的基地是一个电路通道系统，有几个不同的土地类型，从密集建造的中心到独立住房郊区（图1C）。全市人口16万人，生活在281平方公里的行政区内，高度城市化面积约30-35平方公里。塞格德根据科登的分类（温带气候，年均降水量均匀）或气候区域D.1根据Trewartha分类（温带旺季的大陆性气候）位于气候区Cf [6] ]。 年平均气温为10：4 C，降水量为497 mm。

Fig. 1. Geographical location of Hungary in Europe (A), of Szeged in Hungary (B), built-up area and road network of the city (C) and the location of the 200 200 m sample area in the city.

Szeged的调查样本面积200200平方米位于重建的市中心区域，狭窄的街道和20-30岁（20-30米高）的落叶树（图2）。该地区穿过一条繁忙的道路（Petofi av。），沿着NE-SW方向的电车轨道和两条狭窄的街道。其中一条街道（Batthyany str）具有NNW-SSW方向，另一条（Egyetem str）与大道平行。该地区由塞格德大学五层建筑群统治。

Fig. 2. 3D view created by ERDAS IMAGINE (A) and map (B) of the investigated area.

2.2 应用生物气候指标

在过去几十年中，开发了几种模型来估计不同环境中人体的能量平衡。这些模型通常包括各种气象参数，表面反照率和立体角比例[7-11]。该模型使用复杂的舒适指数，例如预测平均投票（PMV），生理等效温度（PET）或OUT SET，以评估影响身体的热应激。大多数指标包括平均辐射温度（Tmrt），特别是在晴天，是能量平衡最重要的输入参数[10] Tmrt定义为给出黑体辐射（发射系数frac14;1）的周围表面的均匀温度，其导致与主要辐射通量相同的人体能量增益[12]。

PET是一种受欢迎和有用的生物气候指数，因为它具有广泛已知的单位eth;CTHORN;作为热应力的指标。对于不熟悉现代人类生物气象术语的潜在用户，包括规划者，决策者甚至公众，这使得结果变得容易理解和理解。它以生理学显着的方式评估热条件[12]。PET被定义为假定的室内条件的人类能量预算通过与要评估的实际复杂户外条件相同的皮肤温度和汗水速率来平衡的空气温度。这样，PET可以使各种用户比较室外复杂的热条件与其自身体验的整体效应。此外，PET可以在全年和不同的气候下使用（例如[9,13]）。

不同天气条件下PET值的例子

T_a, air temperature; T_mrt, mean radiant temperature; WS, wind speed; VP, vapour pressure (modified after [9]).

影响人类能量平衡的气象参数包括空气温度，空气湿度，风速和短波和长波辐射。 有必要确定这些参数在地球以上1.1米的人类生物气象学重要高度，对应于站立大人重心的平均高度[12,14]。

气温和Tmrt（和PET）之间的巨大差异出现在寒冷的冬天，风速高，夏天在平静和阳光充足的条件下[9]。在这些情况下，可能会遇到极度的寒冷或热应激。在不同季节，阴影和风况下得到的PET值的实例如表1所示。

在这项研究中，我们使用Tmrt和PET来表征辐射条件，并分别评估邻近但不同城市环境中的人类生物气候舒适感。

基于PET在城市环境中的应用及其结果的调查主要集中在德国（例如[10,12,14-16]）和瑞典（例如[17-19]）。 我们的工作可以为这个重要的研究领域做出贡献，并熟悉PET的有用性。

2.3 雷曼模型

最近使用的辐射和生物气候模型之一是RayMan，在弗莱堡大学气象研究所开发。 它非常适合计算辐射通量（例如[14,15]），因此我们使用该模型进行了对Tmrt和PET的所有计算。

根据德国工程学会引导线开发的RayMan模型，根据空气温度，空气湿度，云层度等参数，计算了城市结构中的辐射通量 天和年，反照率的周边表面和它们的立体角比例。

RayMan的主要优点在于它有助于可靠地确定不同城市环境的微观变化，因为该模型非常精确地考虑了复杂表面结构（建筑物，树木）的辐射修改效应。 除了气象参数外，该模型还需要对研究区域和个人测距仪的表面形态条件的输入数据。

2.3.1 形态几何数据

建筑规划区域的坐标来自塞格德市政府的非常详细的数字地图，而使用ERDAS IMAGINE软件（图2），以数字正射影像（由航空照片编译）测量建筑物的高度。

样本区的树木植被也被映射。总共包括184棵落叶树，测量点主要由石灰树（Tilia platyphyllos）遮蔽。（通过落叶树可以获得最有效和最具生物意义的辐射修改，因为它们可以在夏季提供遮荫，而在冬天，它们几乎不会影响照射，这可以改善一年中的这个时候的舒适感。)树的确切位置，高度，树干高度，树干直径和树冠直径是模型的输入数据。

2.3.2 气象数据

作为模型的输入气象数据，我们在两种情况下使用四个测量参数：空气温度Taeth;CTHORN;，相对湿度RH（％），风速WS（ms 1）和全局辐射GR（Wm 2）。

在第一种情况下，数据由VAISALA-MILOS 500自动气象站记录，该气象站位于图（1）所示的调查区域的中心。

在第二种情况下，根据WMO标准和数字数据记录仪，由装有Campbell传感器的便携式微型气象站（HWI型）进行了详细的微气候监测。测量在地面以上1.1米的高度进行。

Fig. 3. The map created by the RayMan with the exact locations of the elements (A) and the parameters of trees (B) (buildings are marked by light grey and trees by dark grey).

2.3.3 个人数据

关于人体的热生理学，未考虑被调查人员的年龄，性别，身高，体重，衣服绝缘（例如[14,21]），身体活动和位置（坐着或站立）。这两种情况下的舒适度估计是针对一个“典型的欧洲男性”（35岁，1.75米高，体重75公斤）。他的服装指数为0.9 clo，相当于一个较甜的长裤，以及相当于80W的活动（代谢热）产生的热量[3]。必须提到参考人正坐在室内。

除了计算的Tmrt和PET值之外，我们还获得了作为附加模型输出的图形结果。 其中，该模型从该区域的极坐标（类似于鱼眼照片）的三维表面形态数据编制图像，其中包括观察日的太阳路径的可见部分， 与建筑物，树木或其他障碍物的轮廓。 对观测点的辐射条件进行评估是有帮助的。（相反，如果我们用鱼眼镜头相机拍摄照片，则可能是输入参数。）

3.结果

3.1 天气情况

在两个调查日（2000年8月4日和2003年8月08日），塞格德地区的天气平静。

图4显示了第一天位于样品区中心的气象站记录的10分钟平均值。从全球辐射值来看，白天持续的阳光（强直接辐射）是显而易见的。因此，早晨的温度迅速上升，14:00时达到最大值32：7。据此，相对湿度具有镜面状，即从早晨60％的值迅速下降到14:00时最低值32.2％。

由于风速数据在较高的水平（30 m，屋顶）上进行测量，因此需要重新计算输入数据。根据下面的公式[22]，风速在参考高度为1.1 m时确定，

WS1：1 =WSheth;1：1 =hTHORN;a; afrac14;0：12z0thorn;0:18，

其中WSh是h高度处的风速（ms 1），a是经验指数，取决于表面粗糙度，z0是粗糙度长度。 在我们的例子中，frac14;0:42，因为样本区域和周围环境是密集的内部城市，有树木（见图2）。

Fig. 4. Diurnal courses of meteorological parameters on 04 August, 2000 (WS₃₀, wind speed at a h

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