Tekst / Artykuł

Krzysztof BŁAŻEJCZYK
Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN – Warszawa
Peter BROEDE
Leibniz Research Centre for Working Environment and Human Factors
– Dortmund, Germany
Dusan FIALA
University of Stuttgart – Germany
George HAVENITH
Loughborough University – UK
Ingvar HOLMÉR
Lund Technical University, Sweden
Gerd JENDRITZKY
University of Freiburg, Germany
Bernhardt KAMPMANN
University of Wuppertal – Germany
UTCI – NOWE NARZĘDZIE BADANIA WARUNKÓW
BIOKLIMATYCZNYCH W RÓŻNYCH SKALACH CZASOWYCH
I PRZESTRZENNYCH
UTCI – NEW TOOL OF BIOCLIMATIC RESEARCH
IN DIFFERENT SCALES
W ciągu ostatnich stu lat powstało wiele zespołowych wskaźników obrazujących wpływ na organizm różnych elementów meteorologicznych, a przede wszystkim: temperatury i wilgotności powietrza, promieniowania słonecznego i prędkości
wiatru. Poszczególnym wartościom tych wskaźników są przypisywane określone,
Prz. Geof. LV, 1-2 (2010)
6
K. Błażejczyk i in.
subiektywne odczucia cieplne ludzi. Szczegółowe informacje o tych wskaźnikach
można znaleźć w książkach K. B ł a ż e j c z y k a (2004), T. K o z ł o w s k i e j S z c z ę s n e j , K. B ł a ż e j c z y k a i B. K r a w c z y k (1997) oraz K.C. P a r s o n s a
(2003).
Od kilkudziesięciu lat w badaniach bioklimatycznych wykorzystuje się także
proste modele bilansu cieplnego człowieka. W modelach tych organizm traktuje
się jako jednolitą całość, bez uwzględniania jego złożonej budowy (Błażejczyk,
2004, 2007; Gagge i in., 1971; Höppe, 1999; Jendritzky, 1990; Pickup, de Dear,
2000). Modele te odnoszą się do rzeczywistych reakcji fizjologicznych organizmu
na bodźce atmosferyczne, a niektóre z nich uwzględniają także indywidualne cechy
osobnicze i procesy adaptacyjne do warunków otoczenia.
Kolejnym krokiem w kierunku opisu wszystkich procesów i mechanizmów
gospodarki cieplnej organizmu są tzw. modele wielowęzłowe bilansu cieplnego
(multinode models). Uwzględniają one przepływy ciepła między wnętrzem organizmu
i jego poszczególnymi warstwami oraz między powierzchnią ciała i otoczeniem.
Biorą także pod uwagę specyficzne cechy przepływu ciepła w różnych częściach
ciała. Za ich pomocą można określić natężenie procesów termoregulacyjnych
w odmiennych stanach środowiska (Fiala i in., 1999, 2001, 2005; Tanabe i in.,
2002, Huizenga i in., 2001, Jendritzky i in., 2002).
Celem obecnego opracowania jest przedstawienie podstaw metodycznych
nowego wskaźnika oceny warunków bioklimatycznych, UTCI (Universal Thermal
Climate Index) i niektórych przykładów jego zastosowania w badaniach bioklimatycznych w różnych skalach czasowych i przestrzennych. Wskaźnik powstał we
współpracy międzynarodowej realizowanej w ramach tzw. Akcji COST 730, która
miała miejsce w latach 2005-2009.
Metoda
Na kongresie Międzynarodowego Stowarzyszenia Biometeorologii w Sydney
w listopadzie 1999 r. powstała grupa badawcza mająca na celu stworzenie nowego,
uniwersalnego wskaźnika oceny warunków bioklimatycznych. Powinien on dać
informacje o procesach termofizjologicznych w pełnym zakresie możliwych warunków środowiskowych (z uwzględnieniem sezonowości klimatu) i we wszystkich
skalach przestrzennych, z możliwością zastosowania w najważniejszych aplikacjach
z zakresu bioklimatologii człowieka. Dodatkowo przyjęto, że wskaźnik powinien
mieć wymiar termiczny. Prace nad stworzeniem takiego wskaźnika prowadzono
następnie w ramach Akcji COST 730. Po kilkuletniej, intensywnej pracy w najlepszych ośrodkach naukowych Europy oraz po licznych spotkaniach, dyskusjach
i walidacjach udało się stworzyć nowy wskaźnik UTCI, który pozwala na określenie obciążeń cieplnych organizmu występujących w różnych warunkach termicznych otoczenia.
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
7
Fizjologiczne podstawy wskaźnika UTCI
Wskaźnik opiera się na analizie bilansu cieplnego człowieka. Do jego opisu
zastosowano wielowęzłowy model bilansu cieplnego człowieka F i a l i (Fiala i in.,
2001). Model uwzględnia dwa podsystemy regulacji wymiany ciepła: pasywny
i aktywny. Na podsystem pasywny składają się fizyczne procesy transportu ciepła
wewnątrz organizmu oraz na powierzchni ciała, tzn. krążenie krwi, równania
opisujące produkcję ciepła, jego transport w obrębie 19 różnych części ciała
i wymianę z otoczeniem (rys. 1). Każda z tych części jest dodatkowo podzielona
na 5 warstw (kostna, mięśniowa, tłuszczowa, podskórna oraz skórna) i dwa-trzy
segmenty (przedni, tylny i wewnętrzny). Każda z tych części ciała, warstwa i segment są reprezentowane przez jeden węzeł. Łącznie algorytmy opisują przepływy
ciepła między ponad trzystoma węzłami.
PAROWANIE
EVAPORATION
PROMIENIOWANIE
DŁUGOFALOWE
LONG WAVE
RADIATION
UNOSZENIE
CONVECTION
THING
Ż CLO
ODZIE
SHORT WAVE
RADIATION
ODDYCHANIE
RESPIRATION
SKÓRA (OUTER SKIN)
PRZEKRÓJ A-A’:
(SECTION A-A’:)
CZĘŚĆ WEWNĘTRZNA
(INFERIOR)
PROMIENIOWANIE
KRÓTKOFALOWE
TKANKA PODSKÓRNA (INNER SKIN)
TKANKA TŁUSZCZOWA (FAT)
MIĘSIEŃ (MUSCLE)
TKANKA KOSTNA (BONE)
C
(P ZĘŚ
OS Ć
TE TY
RI LN
OR A
)
IA
DN
ZE
R
)
ĆP R
ĘŚ RIO
CZ NTE
(A
Rys. 1. Podsystem pasywny modelu Fiali; 1-19 – numery węzłów wymiany ciepła w obrębie uda
Fig. 1. Passive sub-system of Fiala model; 1-19 – numbers of nodes at thigh cross section
Podsystem aktywny uwzględnia fizjologiczne mechanizmy termoregulacji
i obejmuje: skórę (z rozmieszczonymi w niej gruczołami potowymi oraz receptorami ciepła i zimna), system nerwowy (przesyłający sygnały z termoreceptorów
do mózgu), podwzgórze (czyli centralny ośrodek termoregulacji w mózgu). W celu
K. Błażejczyk i in.
8
zachowania komfortu cieplnego podwzgórze uaktywnia reakcje termoregulacyjne
(wydzielanie potu, produkcję ciepła, zmiany w tempie skórnego przepływu krwi,
termogenezę drżeniową). Model uwzględnia także aktywne zmieniany wielkości
strumieni ciepła (rys. 2). Dodatkową cechą modelu Fiali jest dynamiczne analizowanie składników bilansu cieplnego w dowolnym czasie (model testowano na
danych obejmujących czas od 10 minut do 12 godzin).
TERMOREGULACJA
MIEJSCOWA
(LOCAL REGULATION)
Pocenie i skórny
przepływ krwi
(Sweating and
skin blood flow)
TERMOREGULACJA
OŚRODKOWA
(CENTRAL NERVOUS SYSTEM REGULATION)
System pasywny
Termogeneza
drżeniowa
(Shivering)
Mięśniowy
przepływ krwi
(Muscle blood
flow)
Zwiększony
(Dilatation)
Skórny przepływ
krwi
(Skin blood flow)
Zmniejszony
(Constriction)
Metabolizm
(Metabolism)
Pocenie
(Sweating)
(Passive system)
Komfort
cieplny
(Thermal
comfort)
Rys. 2. Podsystem aktywny modelu bilansu cieplnego człowieka Fiali
Fig. 2. Active sub-system of Fiala model
Danymi wejściowymi do modelu są informacje meteorologiczne (temperatura
powietrza – Ta, ciśnienie pary wodnej – vp, prędkość wiatru – va i tzw. średnia
temperatura promieniowania – Tmrt) oraz fizjologiczne (metaboliczna produkcja
ciepła – M, albedo powierzchni ciała i odzieży – ac, współczynnik emisyjności ciała
i odzieży – s, izolacyjność termiczna odzieży – Icl, r).
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
9
Cały model i jego poszczególne komponenty podlegały kilkakrotnej weryfikacji, poprzez porównanie obliczonych danych wyjściowych z odpowiednimi danymi
eksperymentalnymi. Pozwoliło to na wprowadzenie niezbędnych korekt, zwłaszcza w odniesieniu do modelowania strumieni przepływu krwi i termogenezy drżeniowej oraz izolacyjnych właściwości odzieży.
Założenia wskaźnika UTCI
Wskaźnik UTCI jest definiowany jako temperatura powietrza, przy której
w warunkach referencyjnych podstawowe parametry fizjologiczne organizmu przyjmują takie same wartości jak w warunkach rzeczywistych. Mówiąc inaczej, zakłada
się, że wymiana ciepła między człowiekiem a otoczeniem zależy tylko od temperatury powietrza (Ta), przy stałym poziomie pozostałych parametrów meteorologicznych i fizjologicznych. Aby określić taką właśnie temperaturę powietrza, należy
w pierwszej kolejności obliczyć bilans cieplny człowieka w warunkach rzeczywistych, a następnie, przyjmując stałe warunki referencyjne, znaleźć metodą kolejnych przybliżeń taką temperaturę powietrza, przy której parametry fizjologiczne
przyjmą takie same wartości jak w warunkach rzeczywistych. Jako referencyjne
warunki meteorologiczne przyjęto:
3,5
3,0
lcl, r (clo)
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-60 -55
-50 -45 -40 -35
Polska (Poland)
Finlandia – mężczyźni
(Finland – man)
lcl, r (va = 3 m/s)
-30 -25 -20 -15 -10
-5
0
5
10
15 20
Ta (°C)
Kealinge etal.
Goodwin, Taylor
lcl, r (va = 15 m/s)
Donaldson
Gavhead, Holmer
lcl, r (va = 30 m/s)
25
30
35
40
45
50
Finlandia – kobiety
(Finland – woman)
lcl, r (va = 0 m/s)
Rys. 3. Wynikowa izolacyjność termiczna odzieży (Icl, r) według różnych badań oraz według przyjętego modelu jako funkcja temperatury otoczenia (Ta) i prędkości wiatru (va)
Fig. 3. Resultant thermal insulation of clothing (Icl, r) due to different authors and new developed
clothing model as a function of ambient temperature (Ta) and wind speed (va)
K. Błażejczyk i in.
10
– średnią temperaturę promieniowania równą temperaturze powietrza (brak
promieniowania słonecznego i cieplnego),
– prędkość wiatru na wysokości 10 m nad gruntem równą 0,5 m/s,
– ciśnienie pary wodnej odpowiadające 50% wilgotności względnej (przy temperaturze ≤ 29ºC) i równą 20 hPa przy temperaturze wyższej od 29ºC.
Jako stałe parametry fizjologiczne przyjęto:
– metaboliczną produkcję ciepła równą 135 W/m2 (co odpowiada marszowi
z prędkością 4 km/godz.),
– względną prędkość ruchu powietrza związaną z poruszaniem się równą 1,1 m/s,
– izolacyjność termiczną odzieży proporcjonalną do rzeczywistych warunków
termicznych (rys. 3).
Przyjęto 7 różnych parametrów fizjologicznych, istotnych dla prawidłowego
funkcjonowania gospodarki cieplnej organizmu, dla których poszukiwano ekwiwalentnej temperatury UTCI. Poziom każdego z tych parametrów rozpatrywano
po krótkiej (30 minut) i długiej (120 min.) ekspozycji (tab. 1).
Tabela 1. Parametry fizjologiczne uwzględnione w tworzeniu wskaźnika UTCI
Table 1. Physiological variables used for full calculations of UTCI
L.p.
Parametr fizjologiczny
Physiological variable
Symbol
Symbol
Wymiar
Unit
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Temperatura rektalna
Średnia temperatura skóry
Temperatura skóry twarzy
Wydzielanie potu
Ciepło wytworzone w termogenezie drżeniowej
Uwilgotnienie skóry
Skórny przepływ krwi
Tre
Tskm
Tskfc
Mskdot
Shiv
WettA
VblSk
ºC
ºC
ºC
g/min
W
% powierzchni ciała
% wartości podstawowej
Istotną cechą wskaźnika UTCI jest zastąpienie wielowymiarowych informacji
wejściowych (Ta, Tmrt, vp, va, v’, M) i wyjściowych (Tre, Tskm, Tskfc, Mskdot, Shiv,
WettA, VblSk) modelu jednowymiarową wartością (wyrażoną w stopniach Celsjusza),
która zawiera podobny ładunek informacji, istotnych z punktu widzenia funkcjonowania organizmu człowieka w zmieniających się warunkach termicznych (rys. 4).
Z uwagi na znaczną czasochłonność wielokrotnego obliczania bilansu cieplnego
człowieka, szczególnie w przypadku dużych zbiorów danych meteorologicznych,
zdecydowano się na stworzenie modelu regresyjnego pozwalającego na szybkie
określenie wartości UTCI w krótkim czasie i z dostatecznie dużą dokładnością.
Wykorzystano w tym funkcję wykładniczą 6 stopnia:
UTCI = f (Ta, vp, va, dTmrt)
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
11
Rys. 4. Koncepcja przejścia od wielowymiarowego pola informacji meteorologiczno-fizjologicznej do
jednowymiarowego wskaźnika UTCI; Ta – temperatura powietrza, Tmrt – średnia temperatura promieniowania, vp – ciśnienie pary wodnej, va – prędkość wiatru
Fig. 4. Concept of transient from multi-dimensional meteorological and physiological information
to one-dimensional UTCI; Ta – air temperature, Tmrt – mean radiant temperature, vp – vapour
pressure, va – wind speed
gdzie: Ta – temperatura powietrza (ºC), vp – ciśnienie pary wodnej (hPa), va –
prędkość wiatru na wysokości 10 m nad gruntem, dTmrt – różnica między średnią
temperaturą promieniowania a temperaturą powietrza (ºC).
Samo równanie regresji składa się z 211 członów. Przygotowano prosty
w obsłudze program działający w środowisku DOS oraz arkusz kalkulacyjny EXCEL
dla środowiska Windows.
Jako zmienne meteorologiczne do obliczania UTCI wchodzą temperatura powietrza, ciśnienie pary wodnej, prędkość wiatru oraz tzw. „średnia temperatura promieniowania”. Tmrt oznacza temperaturę cienkiej warstwy powietrza otaczającej
ciało człowieka (Fanger, 1970). Kształtuje się ona pod wpływem strumieni promieniowania słonecznego i długofalowego docierających do człowieka i jest termicznym wymiarem pola promieniowania otaczającego ciało człowieka. Do wyznaczenia wartości Tmrt można wykorzystać procedury opracowane przez Niemieckie
Stowarzyszenie Inżynierów (VDI, 1994) lub procedury zaimplementowane w programie BioKlima©2.5. Obliczenie Tmrt według procedur VDI jest możliwe za
pomocą programu Rayman (Matzarakis, Rutz 2005). Program BioKlima jest
dostępny na stronie www.igipz.pan.pl/geoekoklimat/blaz/bioklima.htm.
K. Błażejczyk i in.
12
Skala oceny UTCI
Za pomocą UTCI można dokonać zobiektywizowanej oceny warunków bioklimatycznych. O ile większość dotychczasowych wskaźników ocenia tzw. odczucia
cieplne człowieka, o tyle w odniesieniu do UTCI skalę oceny postanowiono oprzeć
nie na subiektywnych odczuciach cieplnych, lecz na obiektywnych zmianach parametrów fizjologicznych organizmu, zachodzących pod wpływem warunków środowiskowych (niezależnie od populacji i procesów aklimatyzacji). Wartości wskaźnika UTCI są zatem miarą obciążeń cieplnych organizmu (tab. 2).
Tabela 2. Skala oceny obciążeń cieplnych organizmu według wskaźnika UTCI
Table 2. UTCI equivalent temperature categorized in terms of thermal stress
UTCI (°C)
Obciążenie cieplne
Stress category
Sposób przeciwdziałania
Possible protection
> +46
Nieznośny stres ciepła
Extreme heat stress
Niezbędne okresowe schładzanie organizmu,
konieczne uzupełnianie płynów > 0,5 l/godz. Należy
unikać dużego wysiłku fizycznego.
+38 do
+46
Bardzo silny stres ciepła
Very strong heat stress
Konieczne okresowe korzystanie z pomieszczeń klimatyzowanych l/lub miejsc zacienionych, niezbędne
uzupełnianie płynów > 0,5 l/godz. Należy ograniczyć
wysiłek fizyczny.
+32 do
+38
Silny stres ciepła
Strong heat stress
Niezbędne uzupełnianie płynów 0,25 l/godz., pożądane korzystanie z miejsc zacienionych i okresowe
zmniejszanie wysiłku fizycznego.
+26 do
+32
Umiarkowany stres ciepła
Moderate heat stress
Niezbędne uzupełnianie płynów 0,25 l/godz.
Brak obciążeń cieplnych
No thermal stress
Fizjologiczne procesy termoregulacji są wystarczające
do zachowania komfortu cieplnego.
0 do +9
Łagodny stres zimna
Dlight cold stress
Pożądane używanie rękawiczek i nakrycia głowy.
-13 do 0
Umiarkowany stres zimna
Moderate cold stress
Należy zwiększyć wysiłek fizyczny oraz chronić kończyny i twarz przed wychłodzeniem.
-27 do -13
Silny stres zimna
Strong cold stress
Należy zwiększyć wysiłek fizyczny oraz chronić kończyny i twarz przed wychłodzeniem. Pożądane zwiększenie termoizolacyjności odzieży.
-40 do -27
Bardzo silny stres zimna
Very strong cold stress
Należy zwiększyć wysiłek fizyczny oraz chronić kończyny i twarz przed wychłodzeniem. Niezbędne
zwiększenie termoizolacyjności odzieży i ograniczenie
czasu przebywania w terenie otwartym.
Nieznośny stres zimna
Extreme cold stress
Czas przebywania ograniczyć do niezbędnego minimum. Niezbędne zwiększenie termoizolacyjności
i wiatrochronności odzieży
+9 do +26
< -40
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
13
Poszczególne progi UTCI są wyznaczone na podstawie znaczących zmian parametrów fizjologicznych. W zakresie warunków ciepła najistotniejszy jest poziom
temperatury skóry i temperatury wewnętrznej oraz tempo wydzielania potu.
W warunkach zimna najważniejszymi parametrami fizjologicznymi są zmiany
temperatury ciała, zwłaszcza dłoni i twarzy, oraz proces termogenezy drżeniowej
(tab. 3).
Tabela 3. Krytyczne poziomy reakcji fizjologicznych organizmu obserwowane
przy różnych wartościach UTCI
Table 3. Physiological criteria for the assessment of UTCI equivalent temperature values
UTCI
(°C)
Reakcje fizjologiczne
Physiological criterion
48
Zwiększenie tempa wzrostu temperatury rektalnej.
Stopniowa utrata zdolności oddawania ciepła do otoczenia.
46
Wzrastające wydzielanie potu do > 650 g/godz.
40
Zmniejszenie w ciągu 30 min gradientu temperatury między wnętrzem i powierzchnią
ciała do < 1ºC.
38
Wzrost temperatury rektalnej po 30 min ekspozycji.
36
Dynamiczne odczucie cieplne po 2 godz. “bardzo gorąco”.
33
Średnie wydzielanie potu > 200 g/godz.
Wzrost temperatury rektalnej po 2 godz. ekspozycji.
32
Straty ciepła na parowanie po 30 min > 40 W.
Stopniowy wzrost temperatury skóry.
30
Zmiana w tempie wzrostu wydzielania potu, temperatury skóry, temperatury rektalnej,
oraz temperatury twarzy i dłoni.
Pojawienie się pocenia po 30 min ekspozycji.
Stopniowy wzrost uwilgotnienia skóry.
26
Średnie wydzielanie potu > 100 g/godz.
Dynamiczne odczucie ciepła „ciepło”.
18
Dynamiczne odczucie ciepła „komfortowo”.
Straty ciepła na parowanie średnio > 40 W.
14
Brak zmian temperatury rektalnej w czasie 2 godzinnej ekspozycji.
13
Dynamiczne odczucie ciepła po 2 godz. ekspozycji „komfortowo”.
12
Straty ciepła na parowanie > 40 W po 2 godz. ekspozycji.
9
Dynamiczne odczucie ciepła po 2 godz. ekspozycji „zimno”.
Lokalne obniżenie temperatury dłoni (należy włożyć rękawiczki).
8
Zmiana w tempie spadku średniej temperatury skóry.
K. Błażejczyk i in.
14
0
Dynamiczne odczucie ciepła po 2 godz. ekspozycji „bardzo zimno” .
Zmniejszenie tempa skórnego przepływu krwi.
-2
Temperatura twarzy po 2 godz. ekspozycji < 15°C (uczucie bólu).
-10
Znaczny spadek temperatury dłoni.
Rozpoczyna się spadek temperatury rektalnej.
-13
Temperatura twarzy po 30 min ekspozycji < 15°C (uczucie bólu).
Spadek średniej temperatury skóry podczas 2 godz. ekspozycji o 2ºC.
-14
Temperatura twarzy po 2 godz. ekspozycji < 7°C (drętwienie).
-20
Średnia temperatura twarzy < 7°C (drętwienie).
-22
Spadek temperatury rektalnej o 0,1ºC/godz.
-26
Zwiększenie gradientu temperatury między wnętrzem i powierzchnią ciała.
-27
Temperatura twarzy po 2 godz. ekspozycji < 0°C (ryzyko odmrożenia).
-30
Wzrost tempa obniżania się temperatury rektalnej.
-32
Temperatura twarzy po 30 min < 7°C (drętwienie).
-32
Początek termogenezy drżeniowej.
-33
Spadek temperatury rektalnej o 0,2ºC/godz.
-35
Temperatura twarzy po 2 godz. ekspozycji < -5°C (duże ryzyko odmrożenia).
-40
Spadek temperatury rektalnej o 0,3ºC/godz.
-48
Temperatura twarzy po 30 min < 0°C (ryzyko odmrożenia).
Przykłady zastosowania UTCI
Skala lokalna. Jak wspomniano we wstępie, wskaźnik UTCI powinien mieć
zastosowanie w badaniach bioklimatycznych w różnych skalach czasowych i przestrzennych. Jako przykład zastosowania nowego wskaźnika w skali lokalnej zbadano, w jakim stopniu odzwierciedla on specyfikę warunków biotermicznych
niektórych typów krajobrazu pojeziernego. Badania terenowe prowadzono w Pieczyskach, nad brzegiem Zalewu Koronowskiego, od godz. 10 dnia 15 maja do
północy 16 maja 2003 r. Stanowiska pomiarowe były usytuowane na piaszczystej
plaży, w odległości 5 m od linii wody, na terenie ośrodka wypoczynkowego, za
linią murowanych domków letniskowych (30 m od jeziora) oraz w lesie sosnowym
(250 m od jeziora). W ciągu dnia najwyższe wartości UTCI były obserwowane
w obrębie ośrodka wypoczynkowego, a najniższe wewnątrz lasu. Wysokie wartości UTCI na stanowisku „ośrodek” były spowodowane wyraźną zacisznością miej-
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
15
sca badań, przy jednocześnie dużym dopływie promieniowania słonecznego i znaczącym strumieniu promieniowania cieplnego emitowanego przez sąsiadujące
budynki. Niskie wartości UTCI wewnątrz lasu są natomiast efektem zmniejszonego
dopływu promieniowania słonecznego. Odnosząc się do skali obciążeń cieplnych,
można zauważyć, że tylko na stanowisku „ośrodek” wartości UTCI wskazują na
występowanie umiarkowanego stresu ciepła w pierwszym dniu badań. W warunkach takich pojawia się zwiększone wydzielanie potu, wymagające uzupełniania
płynów w ilości ok. 250 ml na godzinę (rys. 5). W godzinach nocnych na wszystkich stanowiskach wartości UTCI były zbliżone do siebie i wskazywały na występowanie łagodnego stresu zimna.
Rys. 5. Przebieg wskaźnika UTCI w dniach 15-16 maja 2003 r. na wybranych stanowiskach nad
Zalewem Koronowskim w Pieczyskach: A – plaża, B – ośrodek, C – las sosnowy. Obciążenia
cieplne organizmu: 1 – łagodny stres zimna, 0 – brak obciążeń cieplnych, 1 – umiarkowany stres
ciepła
Fig. 5. Course of UTCI at selected posts in Pieczyska resort at Koronowskie Lake, 15-16 May
2003: A – sand beach, B – settled area, C – pine forest. Heat stress categories: -1 – slight cold
stress, 0 – no thermal stress, 1 – moderate heat stress
Skala regionalna. Jako przykład badań w skali regionalnej porównano wartości UTCI (średnie, maksymalne i minimalne) w styczniu i lipcu w 15 miastach
europejskich reprezentujących różne regiony klimatyczne. Wykorzystano codzienne
informacje meteorologiczne z godziny 12 UTC, z okresu 1991-2000, zgromadzone
w ramach projektu PHEWE. Na ich podstawie obliczono wartości UTCI. Widać
wyraźne zróżnicowanie sezonowe i regionalne.
16
K. Błażejczyk i in.
W styczniu średnie wartości UTCI wahają się od -16,4ºC w Helsinkach do
11,5ºC w Walencji. W lipcu natomiast zakres średnich wartości UTCI zmienia się
od 13,4ºC w Dublinie do 34,7ºC w Atenach. Uwzględniając wartości ekstremalne,
można stwierdzić, że na badanych stacjach europejskich możliwy zakres UTCI
wynosi od -42,1ºC w Helsinkach do 45,5ºC w Walencji. Odpowiada to obciążeniom cieplnym zmieniającym się od nieznośnego stresu zimna w Helsinkach do
bardzo silnego stresu ciepła w Walencji. Wartość UTCI stwierdzona w Walencji
jest tylko o 0,5ºC niższa od progu nieznośnego stresu gorąca (rys. 6).
Rys. 6. Średnie (avg) maksymalne (max) i minimalne (min) miesięczne wartości UTCI
na wybranych stacjach europejskich w styczniu i lipcu, 1991-2000.
Fig. 6. Mean (avg) maximum (max) and minimum (min) monthly values of UTCI at selected European stations in January and July, 1991-2000
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
17
Poza dużym zróżnicowaniem sezonowym widać znaczne różnice regionalne
(w obydwu badanych miesiącach). W styczniu, poza Helsinkami, najostrzejszy
stres zimna występuje także w Sztokholmie oraz w miastach Europy Środkowej:
Łodzi i Pradze. Znacznie łagodniejsze warunki biotermiczne panują w miastach
śródziemnomorskich oraz w Londynie. W lipcu co najmniej silny stres gorąca
może panować na prawie całym obszarze Europy (poza Dublinem). Bardzo silny
stres gorąca jest natomiast ograniczony do Europy Południowej i Środkowej,
a warunki najsurowsze występują na wschodnim i zachodnim krańcu basenu
Morza Śródziemnego (Ateny, Walencja). Najłagodniejsze warunki biotermiczne
panują w lipcu w Dublinie, co jest niewątpliwie spowodowane chłodzącym oddziaływaniem Atlantyku (rys. 6).
Podsumowanie
UTCI jest definiowane jako temperatura, przy której w warunkach referencyjnych podstawowe parametry fizjologiczne organizmu przyjmują takie same wartości jak w warunkach rzeczywistych.
UTCI dostarcza informacji na temat poziomu obiektywnie zachodzących procesów regulacji temperatury ciała, które są zależne od warunków meteorologicznych otoczenia.
Przedstawione próby zastosowania UTCI pokazują, że dobrze ilustruje on specyfikę warunków biotermicznych w różnych skalach czasowych i przestrzennych.
Może być zatem stosowany w różnych aplikacjach biometeorologicznych i bioklimatycznych Szczegółowe algorytmy można uzyskać po skontaktowaniu się z prof.
K. Błażejczykiem ([email protected]).
Materiały wpłynęły do redakcji 6 XI 2009.
Literatura
B ł a ż e j c z y k K., 2004, Bioklimatyczne uwarunkowania rekreacji i turystyki w Polsce. Prace Geograficzne,
IGiPZ PAN, 192.
B ł a ż e j c z y k K., 2007, Multiannual and seasonal weather fluctuations and tourism in Poland. [w:] B. A m e l u n g , K. B ł a ż e j c z y k , A. M a t z a r a k i s (red.), Climate Change and Tourism Assessment and
Copying Strategies, Maastricht–Warsaw–Freiburg: 978-00-023716-4, s. 69-90.
F a n g e r P.O., 1970, Thermal comfort. Analysis and application in environment engineering. Danish Technical Press, Copenhagen.
F i a l a D., L o m a s K.J., S t o h r e r M., 1999, A computer model of human thermoregulation for a wide
range of environmental conditions: The passive system. Journal of Applied Physiology, 87 (5), 19571972.
18
K. Błażejczyk i in.
F i a l a D., L o m a s K.J., S t o h r e r M., 2001, Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions. Int. Journal of Biometeorology, 45,
143-159.
F i a l a D., L a s c h e w s k i G., J e n d r i t z k y G., 2005, Comparison of human thermal and regulatory
responses predicted by simple and multi-node complete heat budget models. Proceedings 17th Int. Congress
Biometeorology ICB 2005, Ann. d. Met., DWD Offenbach. 41, vol. 1, 318-319.
G a g g e A.P., S t o l w i j k J., N i s h i Y., 1971, An effective temperature scale based on a simple model of
human physiological regulatory response. ASHRAE Transactions 77 (1), 247-262.
H ö p p e P., 1999, The physiological equivalent temperature – a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment. Int. Journal of Biometeorology, 43, 71-75.
H u i z e n g a C., Z h a n g H., A r e n s E., 2001, A model of human physiology and comfort for assesssing
complex thermal environments. Building and Environment 36, 691-699.
J e n d r i t z k y G., 1990, Bioklimatische Bewertungsgrundlage der Räume am Beispiel von mesoskaligen Bioklimakarten. [w:] J e n d r i t z k y G, S c h i r m e r H, M e n z G, S c h m i d t - K e s s e n W, Methode
zur raumbezogenen Bewertung der thermischen Komponente im Bioklima des Menschen (Fortgeschriebenes
Klima-Michel-Modell). Akademie für Räumforschung und Landesplanung, Hannover, Beiträge 114,
7–69.
J e n d r i t z k y G., M a a r o u f A., F i a l a D., S t a i g e r H., (2002) An update on the development of
a Universal Thermal Climate Index. 15th Conf. Biomet. Aerobiol. and 16th ICB02, 27 Oct – 1 Nov
2002, Kansas City, AMS, 129-133.
K o z ł o w s k a - S z c z ę s n a T., B ł a ż e j c z y k K., K r a w c z y k B., 1997, Bioklimatologia człowieka.
Metody ich zastosowania w badaniach bioklimatu Polski. IGiPZ PAN, Monografie, 1, Warszawa.
M a t z a r a k i s A., R u t z F., 2005, Application of RayMan for tourism and climate investigations. Annalen
der Meteorologie, 41, 2, 631-636.
P a r s o n s K.C., 2003, Human thermal environments: the effects of hot, moderate, and cold environments on
human health, comfort and performance. Taylor&Francis, London, New York.
P i c k u p J., d e D e a r R., 2000, An Outdoor Thermal Comfort Index (OUT_SET*). Part I. The Model
and its Assumptions. [w:] d e D e a r R., K a l m a J., O k e T., A u l i c i e m s A. (red.) Biometeorology and Urban Climatology at the Turn of the Millenium. Selected Papers from the Conference
ICB-ICUC'99 (Sydney, 8-12 Nov. 1999). WMO, Geneva, WCASP-50, 279-283.
Ta n a b e S.I., K o b a y a s h i K., N a k a n o J., O z e k i Y., K o n i s h i M., 2002, Evaluation of thermal
comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid
dynamics (CFD). Energy and Buildings 34, 637-646.
VDI 3789, 1994, Environmental meteorology, Interactions between atmosphere and surfaces, Calculation of
short-wave and long-wave radiation. Part 2. Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf.
Streszczenie
Spośród licznych wskaźników oceniających oddziaływanie środowiska atmosferycznego na człowieka tylko nieliczne mają bezpośrednie odniesienie do reakcji fizjologicznych zachodzących w organizmie. W ostatnich latach powstał kilka prostych i wielowęzłowych modeli bilansu cieplnego człowieka, które opisują złożone mechanizmy gospodarki cieplnej organizmu. Na bazie wielowęzłowego
modelu Fiali powstał nowy wskaźnik oceniający obciążenia cieplne człowieka (UTCI). W artykule
przedstawiono założenia i podstawy interpretacji wskaźnika oraz przykłady jego zastosowania w różnych skalach czasowych i przestrzennych.
S ł o w a k l u c z o w e : wskaźniki bioklimatyczne, bilans cieplny człowieka, obciążenia cieplne,
UTCI
UTCI – nowe narzędzie badania warunków bioklimatycznych
19
Summary
Starting from 1999, in the frame of International Society of Biometeorology special study group
is working do develop new Universal Thermal Climate Index (UTCI). Since 2005 these efforts have
been reinforced by the COST Action 730 of the European Science Foundation (ESF) in order to
achieve significant progress in deriving such an index.
The new UTCI index represents air temperature of the reference condition with the same physiological response as the actual condition. The index base on Fiala model that is one of the most
advanced multi-node thermophysiological models. It includes the capability to predict both, whole
body and local thermal effects. The model consists of two interacting thermoregulatory systems: the
controlling active system and the controlled passive system. The passive system simulates the dynamic
heat transfer phenomena that occur inside the body and at its surface. The active system is a model
predicting the thermoregulatory reactions of the central nervous system. The assessment scale of UTCI
base on the objective physiological reactions to environmental heat stress in wide range of weather
and climates.
As and example the index was applied to assess biothermal conditions it two spatio-temporal
scales: local and regional. The results show good representation of specific local and regional features
of bioclimate. Thus, the index can be applicable in various research dealing with: bioclimatological
assessments, bioclimatic mapping in all scales (from micro to macro), urban design, engineering of
outdoor spaces, consultancy for where to live, outdoor recreation and climatotherapy, epidemiology
and climate impact research.
K e y w o r d s: bioclimatic indices, human heat balance, heat stress, UTCI