改进的热环境评估方法：结合实地测量与模拟技术研究热带城市海滩的夏季热环境

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Improved Methods for Assessing Summer Thermal Environments in Tropical Urban Beaches: Combining Field Measurements and Simulation

热带海滩夏季热环境特征及测量模型优化研究。通过海口海滩实地测量发现，未遮蔽区域MRT峰值达70°C，太阳辐射强度（K↓>1000W/m2）显著高于其他海滩。改进黑球温度计方法，采用分段对流换热系数校准后，MRT测量精度提升至D>0.89，RMSE<4.57，ENVI-met模型经优化后PET误差降至4.64，UTCI误差2.05，为滨海热安全规划提供技术支撑。

　　

杨家豪|方照松|甘少林|文家成|张翔|范一妮|黄志毅|林宇阳|卢俊

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要

热带海滩地区强烈的太阳辐射和独特的表面特性在夏季创造了极端的室外热环境，这对准确的热环境评估提出了重大挑战。本研究在中国海口的一个海滩地点进行了实地测量，随后进行了计算模拟和模型优化。主要发现包括：1）无遮挡区域的平均辐射温度（MRT）超过70°C，向下短波辐射超过1000 W/m2，表面温度达到61.4°C；2）使用黑球温度计方法时观察到显著的测量误差，尤其是在使用较小的黑球时。在基于T_a阈值实施分段对流热传递系数校准后，所有黑球温度计方法的准确性显著提高，达到了d（一致性指数）> 0.89、RMSE（均方根误差）< 4.57、MAE（平均绝对误差）< 3.29、MBE（平均偏差误差）< 0.87和R2（相关系数）> 0.83的性能指标；3）虽然ENVI-met能够有效模拟空间MRT分布，但热指数（特别是PET，生理等效温度）需要校准。优化后，模拟值和测量值之间的最大RMSE分别降至PET的4.64和UCCI（通用热气候指数）的2.05，MAE值分别为3.85和1.79，MBE值分别为0.91和0.96，表明准确性显著提高。本研究为海滩地区的热环境评估提供了方法论支持，并为沿海地区的热安全规划和管理提供了实际见解。

引言

在极端天气事件增加、人口持续增长和城市化迅速的背景下，城市热岛（UHI）效应变得越来越严重[1]。城市海滩地区的UHI与传统UHI不同，其强度在一定程度上受到距离海洋的影响[2]。虽然海风可以在一定程度上缓解UHI[3]，但海滩地区的地表温度在白天通常比某些城市区域（例如LCZ 2：紧凑型中层建筑和LCZ 5：开放型中层建筑）更高[4]。这表明，尽管有海风的冷却效果，海滩地区在白天仍可能面临高温风险。

室外热环境质量已成为影响公共卫生、旅游发展和城市规划的关键因素[[5]]、[6]]、[7]]。在热带海滩地区，强烈的太阳辐射、高空气温度和极端的表面温度创造了独特的局部热环境[[8]]、[9]]，给传统的测量和热舒适度评估方法带来了挑战。作为表征环境中辐射热的关键参数，平均辐射温度（MRT）无法直接测量，但它却是计算多个热指数的重要输入[10]。因此，开发适用于热带海滩环境的准确且实用的方法来估算MRT具有重要意义。

目前，MRT的测量主要依赖于三种方法：六向积分辐射法、上下半球法和黑球温度计法[[11]]、[12]]。六向积分法可以同时测量六个方向的辐射通量，从而独立于风速准确地描述辐射环境。它被广泛认为是MRT观测的参考标准（MRT_SDIM[13]]。然而，由于所需设备的复杂性和高成本，这种方法在实际应用中难以广泛部署。上下半球法使用四组分辐射计同时测量向上和向下的短波和长波辐射通量。其准确性很大程度上取决于用于分离直接和散射太阳辐射的算法以及所使用的天空散射模型[14]。相比之下，黑球温度计法因其便携性和操作简便性而成为现场测量的主流技术[15]。该方法根据球体温度（T_g）、空气温度（T_a）和风速（V_a）等参数来计算MRT[16]。

然而，在高温和高辐射环境中，如无遮挡的海滩，这种方法容易受到多种因素的影响而产生显著误差。这些因素包括球体大小、表面涂层特性、对流热传递模型的适用性以及风速测量的准确性[[17]]、[18]]、[19]]、[20]]。在这些因素中，主要的不确定性来源是用于将T_g转换为MRT的对流热传递系数。现有的对流热传递公式及其经验系数通常是根据传统暴露条件推导出来的，在以强短波负荷为特征的海滩环境中可能不再有效[[21]]、[22]]，T_g和T_a之间的温差较大[23]]，以及由海风驱动的近地表气流高度变化[24]]。在这种条件下，对流项的不确定性可能会被放大并直接传递到MRT估计中，导致系统偏差和基于球体的MRT的时间连续性降低[25]]。因此，明确和局部校准对流热传递系数是提高热带沿海海滩黑球MRT估计准确性的关键研究课题。此外，海滩在强烈太阳辐射下伴随着复杂的热量和水分交换过程，这进一步增加了在现场观测中获得准确MRT的难度[8]]。因此，利用六向积分法的高精度通过校准来优化黑球温度计方法，为提高此类环境中现场测量的准确性和适用性提供了可行的途径[[26]]、[27]]。

另一方面，计算模拟技术的进步使得像ENVI-met这样的微气候建模软件在城市热环境研究中的使用越来越广泛[[28]]、[29]]、[30]]。该模型采用三维网格系统来模拟地面、植被和大气之间的复杂相互作用，从而能够有效预测城市微气候条件[[31]]。在ENVI-met在城市环境中的应用基础上[[32]]、[33]]，该模型现已成功应用于沙质海滩等特殊表面，能够初步模拟和量化其独特的热环境。表1总结了展示这一应用的关键研究[[34]]、[35]]、[36]]、[37]]、[38]]。上述证据表明，ENVI-met模型适用于模拟夏季晴朗天气条件下的海滩地区（平均V_a < 4 m/s）。然而，其在海面上方或强风条件下的适用性仍有待验证。

此外，研究表明ENVI-met在非标准环境中可能会产生有偏的输出[28]]，这不仅影响MRT等热环境参数，还影响PET和UCCI等热指数[39]]。值得注意的是，PET和UCI对MRT的变化非常敏感[40]]；因此，无论是基于未校准的黑球温度计的现场估计还是模型模拟导致的MRT偏差都可能传递到热指数评估中，从而导致关于热风险的不一致结论[41]]。因此，可靠地评估和校正ENVI-met的PET和UCI输出需要一个基于现场的MRT和热指数的基准。在这种情况下，使用MRT_SDIM校准黑球温度计的MRT不是一项孤立的任务，而是建立评估和校正极端海滩条件下ENVI-met热指数输出的实证参考的先决条件。这表明，使用实证测量（例如MRT、PET、UCI）优化模拟结果是必要且可行的[42]]。尽管如此，该模型在极端海滩环境下准确表示实际热条件的能力仍需进一步验证，提高模拟准确性和优化输出的方法也需要深入研究。

总之，热带海滩地区独特的夏季气候条件对热环境测量和评估方法提出了更高的要求。为了解决上述问题并明确测量校准和模型后处理之间的联系，本研究建立了一个综合的多方法框架，包括：

(1)

通过现场测量来表征海滩热环境，包括关键的表面和辐射特性，如沙面温度和反照率，以及确定MRT所需的气象和辐射变量；

(2)

使用MRT_SDIM

作为参考，来诊断和校准黑球温度计方法中的对流热传递系数，以实现稳健的MRT估计；

(3)

使用基于现场的MRT和热指数作为基准，来评估和校正高辐射海滩条件下的ENVI-met输出（MRT、PET和UCI）。

目的是解决高辐射环境中的技术限制，提高微气候模型在特定场景中的适用性，并为热带沿海城市和旅游区的气候响应规划提供科学依据。

研究区域

研究区域

海口市（110°10′ E–110°41′ E，19°32′ N–20°05′ N）是中国典型的热带沿海城市，具有典型的热带海洋性季风气候。全年温暖潮湿，夏季炎热多雨，根据柯本气候分类系统属于Am类型[43]。海口的年平均温度在22.5°C到25.6°C之间。最冷的月份是一月，平均温度高于10°C，而最热的月份是七月，

六向积分辐射仪器的结果

图3显示了不同方向上辐射成分的变化。显然，尤其是K↓在白天表现出明显的波动。K↓在中午左右达到最大值，超过1000 W/m2。尽管K↑的趋势与K↓相似（日出后迅速上升，日落后急剧下降至零），但其幅度明显较低，保持在200–300 W/m2之间。W_SUMK的趋势与K↓相似，数值接近K↑，峰值

海南海滩热环境特征分析

本研究在中国海口的一个海滩（柯本气候分类：Am）进行了夏季热环境测量。在测量期间，最大K↓达到了1042.8 W/m2，显著高于Tang等人在海南海陵岛（Cwa）夏季条件下测得的861.0 W/m2[8]]，表明海口夏季的太阳辐射强度更强。由于其特定的物理特性，沙质海滩表面表现出明显不同的热

结论

本研究在中国海口的一个海滩进行了夏季热环境测量。建立了T_s、T_g、MRT_SDIM和其他热参数之间的回归模型，以发展预测关系。鉴于海南独特的夏季气候条件，对对流热传递系数进行了校准，以提高使用各种黑球温度计方法进行MRT估计的准确性。此外，基于测量的MRT之间的关系

CRediT作者贡献声明

杨家豪：撰写——原始草稿，调查，数据管理。甘少林：调查，数据管理。文家成：方法论，概念化。张翔：概念化，可视化。范一妮：可视化，验证。黄志毅：调查，数据管理。林宇阳：调查，数据管理。方照松：撰写——审稿与编辑，方法论，正式分析，资金获取。卢俊：撰写——审稿与编辑，方法论，正式分析。

CRediT作者贡献声明

杨家豪：撰写——原始草稿，调查，数据管理。方照松：撰写——审稿与编辑，方法论，资金获取，正式分析。甘少林：调查，数据管理。文家成：方法论，概念化。张翔：可视化，概念化。范一妮：可视化，调查。黄志毅：调查，数据管理。林宇阳：调查，数据管理。卢俊：撰写——审稿与编辑，方法论，正式分析。