Die Strahlungskomponente im thermischen Wirkungskomplex für operationelle Anwendungen in der Human-Biometeorologie

Media type: E-Book; Thesis

Title: Die Strahlungskomponente im thermischen Wirkungskomplex für operationelle Anwendungen in der Human-Biometeorologie

Contributor: Staiger, Henning [Author]; Matzarakis, Andreas [Degree supervisor]

Published: Freiburg: Universität, 2015

Extent: Online-Ressource

Language: German

Identifier:

Keywords: Medizinmeteorologie ; Strahlung ; Wolke ; Globalstrahlung ; Sonnenscheindauer ; Albedo ; Bioklimatologie ; Thermische Belastung ; Strahlungstemperatur ; Himmelsstrahlung ; Wärmestrahlung ; Infrarot ; Online-Ressource ; Umweltmedizin ; human biometeorology ; human heat balance ; mean radiant temperature ; thermal indizes ; broadband radiation modelling ; (local)doctoralThesis ; Hochschulschrift

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2014

Footnote:

Description: Zusammenfassung: Über den thermischen Wirkungskomplex bewertet die Human-Biometeorologie die von den meteorologischen Stressoren Lufttemperatur, Wasserdampfdruck, Windgeschwindigkeit und mittlere Strahlungstemperatur Tmrt ausgehende Belastung des Thermoregulationssystems und das damit verbundene thermische Empfinden. Tmrt fasst dabei die Wärmewirkung der absorbierten kurzwelligen Strahlung getrennt nach den direkten, Isw, diffusen, Dsw, und vom Untergrund reflektierten, Rsw, Anteilen sowie die der langwelligen Strahlung der Atmosphäre, LDR, und des Untergrunds, LUR, zusammen. Basierend auf der vollständigen Energiebilanz des Menschen sind äquivalente Temperaturen definiert als die Lufttemperatur einer Referenzumgebung, bei der ausgewählte thermophysiologische Größen gleiche Werte wie aktuell aufweisen: Physiologisch Äquivalente Temperatur (PET), gefühlte Temperatur (GT) und Universal Thermal Climate Index (UTCI). Für die Berechnung von Tmrt sind meist nur wenige, häufig sogar keine der erforderlichen Strahlungsflussdichten gemessen verfügbar. Sie sind dann aus meteorologischen Hilfsgrößen zu modellieren, was grundsätzlich mit Unsicherheiten verbunden ist und damit auch in Tmrt und den Indizes. Ziel ist es, Ansätze breitbandiger Modellierung für die fünf Komponenten auf ihre Auswirkung auf Tmrt und die Indizes sowohl für die einzelne Komponente als auch für Ketten von Komponenten zu prüfen, zusammen mehr als 100 Varianten. Bewertet wird über die Richtlinie ISO 7726, die für thermophysiologische Aussagen Grenzen der akzeptablen Unsicherheit im Einzelwert von Tmrt vorgibt. Unterschieden wird zwischen den Klassen "Komfort" (kleiner ±2 K in Tmrt) und "Stress" (±5 K). Geprüft wird, ob das 95 % Vertrauensintervall der mittleren absoluten Abweichung des Einzelwerts mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit α < 5 % innerhalb der Klassen verbleibt. Für die äquivalenten Temperaturen werden nach der Literatur ±2 K und, freihändig, ±1 K gesetzt. Hilfsgrößen der Modellierung sind neben Trübungsklimatologien für den wolkenlosen Himmel die synoptische Beobachtung, insbesondere Gesamtbedeckungsgrad, Nt, sowie -beschränkt auf die Tageslichtstunden- die relative Sonnenscheindauer, SSD, und gemessene kurzwellige Globalstrahlung Gsw,all-sky. Normiert gegen wolkenlose Bedingungen führt Gsw,all-sky zum Wolkenmodifikationsfaktor, CMF, sowie normiert gegen die extra-terrestrische Strahlung zum Clearness Index, kt. Der Modellierungserfolg wird gegen Messungen von vier WMO-BSRN Strahlungsstationen zwischen 30 und 80°N sowie gegen drei deutsche Stationen geprüft. Modellierung für einzelne Strahlungskomponenten hält die Komfort-Klasse für Rsw, für die diffuse Fraktion in gemessenem Gsw,all-sky und für LUR ein. Dies setzt voraus, dass für Rsw saisonale Gänge der Albedo des Untergrunds einbezogen werden, dass die Modellierung der diffusen Fraktion neben kt auch die optische Dicke und die Wasserdampfdichte berücksichtigen und dass bei LUR die Oberflächentemperatur des Untergrunds über Penman-Monteith-Näherungen oder über die Vorgabe von Bowen-Verhältnis und Bodenwärmestrom modelliert wird. Bei LDR wird nur die Stress-Klasse erreicht, da für den wolkenlosen Fall die Voraussetzung von Temperatur- und Feuchteprofile nach der US-Standardatmosphäre unter nächtlichen Inversionen oder winterlichen Bedingungen häufig verletzt wird. Der kurzwellige CMF erweist sich auch im Langwelligen Nt als Wolkeninformation überlegen. Fehlt gemessenes Gsw,all-sky, muss es modelliert werden. Dies geschieht bei allen Ansätze durch Modellierung eines CMF aus Nt oder SSD. SSD als Basis führt zu signifikant besseren Ergebnissen gegen Nt jedoch mit Nachteilen bei hohen Sonnenzenitwinkeln. Bei der Kette von Strahlungsalgorithmen, für die nur modelliertes Gsw,all-sky als Eingangsgröße verfügbar ist, erhöht sich deren Unsicherheit durch Fehlerfortpflanzung weiter. Dann kann ausgehend von Nt auch die Stress-Klasse nicht mehr eingehalten werden; SSD tendiert dahin, sie zu erreichen. Bezogen auf einen Einzelwert von Tmrt ist als Minimum gemessenes Gsw,all-sky unerlässlich, um der Stress-Klasse zu genügen. Die erarbeitete Kette von Algorithmen erweitert die Flexibilität bezüglich verfügbarer beobachteter Komponenten und Hilfsgrößen der Wolkeninformation. Deren physikalische Wertigkeit nimmt signifikant ab von CMF über SSD zu Nt. Die Unterschiede der Modellvarianten für gleiche Eingangsgrößen sind relativ gering, jedoch schälen sich häufig Varianten verminderter Unsicherheit heraus, die eine weitgehend universelle Anwendbarkeit erwarten lassen. Die Sensitivität von PET, GT und UTCI auf die Unsicherheit in modelliertem Tmrt wird für Varianten ausgehend von gemessenem Gsw,all-sky, von SSD und von Nt untersucht. Die ±2 K- Schwelle für diese Varianten wird bei allen thermischen Indizes eingehalten, ±1 K nur noch bei beobachtetem Gsw,all-sky und beschränkt auf GT.

Zusammenfassung: Human biometeorology evaluates the strain on the thermoregulatory system resulting from meteorological elements impacting the heat exchange between the body surfaces and the environment. These elements are air temperature, water vapour pressure, wind speed, and mean radiant temperature Tmrt. Tmrt summarizes the heat effects of absorbed short-wave radiant components considering separately direct Isw, diffuse Dsw, and surface reflected radiation Rsw, as well as long-wave radiation down-welling from the atmosphere LDR and up-welling from the ground surface LUR. The impacting elements are treated in a thermoregulatory relevant weighting applying complete heat balance models of the human organism. They result in equivalent temperatures, e.g. Physiologically Equivalent Temperature PET, Perceived Temperature PT, and Universal Thermal Climate Index UTCI are defined as the air temperature of a reference environment generating in a reference person identical values of selected thermo-physiological variables as in the actual environment. Frequently only few or none of the required radiant fluxes will be observed available. Thus, the missing fluxes have to be modelled based on auxiliary meteorological quantities. Modelling is inevitably associated with uncertainties, which will be propagated into Tmrt and into the indices. This study aims on assessing their effects on Tmrt and on the indices. In total over 100 radiant algorithms are considered. Sustainable results from thermal assessments can be achieved if the inputted Tmrt is within the required accuracy given by guideline ISO 7726 for the "stress" (±5 K) and the "comfort" (±2 K) standard classes. For the thermal indices the sensitivity on the uncertainty in Tmrt is examined for ±2 K thresholds of deviations taken from the literature and -set free-hand- of ±1 K. The evaluation is performed based on the 95 % confidence interval of mean absolute error in the individual value that has to comply with the standard classes, level of significance less than 5 %. Besides turbidity in modelling short-wave clear-sky radiant fluxes, auxiliary values for all-skies are synoptic observations, especially the total cloud cover Nt, and -limited to daylight hours- the relative sunshine duration SSD as well as observed global irradiance Gsw,all-sky. Normalising Gsw,all-sky to the clear-sky case results in the cloud modification factor CMF and normalising it to extra-terrestrial radiation in the clearness-index kt. The modelling success is evaluated against measurements at four WMO-BSRN sites between 30 and 80°N and at three German sites. Modelling of only one of the relevant radiant fluxes complies with the "comfort" class for Rsw, for the diffuse fraction in observed Gsw,all-sky and for LUR. This supposes that it is accounted for the seasonal course in surface albedo for Rsw, and besides kt for optical thickness and water vapour density for the diffuse fraction. LUR modelling has to be based on the heat budget of the Prandtl layer, i.e., on Penman-Monteith approximations or at least on predefined Bowen-ratios and soil heat fluxes. LDR complies only with the "stress" class, because the assumption of the US standard atmosphere for profiles of temperature and humidity is frequently violated under night-time inversions and winterly conditions. The short-wave CMF reveals as preferential for cloud influence compared to Nt also in the long-wave spectral range. Missing observed Gsw,all-sky requires modelling. All approaches can be attributed to the modelling of a CMF based on Nt or SSD. SSD as auxiliary value leads to significantly improved results compared to Nt except for high solar zenith angles. The uncertainty in Tmrt increases due to error propagation in case of a chain of algorithms, if modelled Gsw,all-sky or its derivates CMF and kt, respectively, serves as their input. If the modelling is based on Nt the result does not comply with the "stress" class; based on SSD it shows a tendency to comply. For an individual Tmrt value it is essential to have at least observed Gsw,all-sky available in order to comply with the "stress" class. The prepared chain of algorithms improves the flexibility concerning the availability of auxiliary values in modelling. The quality rating of the auxiliary elements for cloud influences physically decreases from CMF via SSD to Nt. The differences in the algorithms employing the same auxiliary value are relatively low. Nevertheless, algorithms with lower uncertainty can be crystallised that let expect a widely universal applicability. The sensitivity of PET, PT or UTCI on uncertainties in Tmrt is investigated depending on observed Gsw,all-sky, SSD or Nt as auxiliary value. All indices comply with the ±2 K threshold. Solely PT complies additionally with the ±1 K threshold if observed Gsw,all-sky is available.

Access State: Open Access

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