在巴西不同气候条件下，基于热指数方法对奶牛场蒸发冷却潜力进行建模 Túlio Souza Mariano, Carlos Eduardo Alves Oliveira, Flávio Justino, Fernanda Campos de Sousa, Charles Paranhos Oliveira, Ilda de Fátima Ferreira Tin?co, Luciano Barreto-Mendes, Gabriela Mariano, Ismael de Oliveira Cavalcante, Matteo Barbari

《AgriEngineering》：Modeling the Evaporative Cooling Potential in Dairy Farming: A Thermal Index-Based Approach Under Distinct Brazilian Climatic Conditions Túlio Souza Mariano, Carlos Eduardo Alves Oliveira, Flávio Justino, Fernanda Campos de Sousa, Charles Paranhos Oliveira, Ilda de Fátima Ferreira Tin?co, Luciano Barreto-Mendes, Gabriela Mariano, Ismael de Oliveira Cavalcante and Matteo Barbari

　　摘要 热应激是限制热带和亚热带地区乳制品生产效率和可持续性的主要因素之一，它不仅影响动物福利，还损害动物的生产性能和繁殖能力。在缓解热应激的技术中，蒸发冷却作为一种广泛采用的策略，在集约化生产系统中尤为突出。然而，目前仍缺乏能够以比较和区域化的方式量化这种技术在不同气候条件下理论潜力的统一指标。因此，本研究的目的是开发一种基于模型的创新指标，以根据热环境指数和热传递原理来估算蒸发冷却的潜力。研究使用了来自巴西三个主要乳制品生产地区（乌贝兰迪亚（MG）、卢齐尼亚（GO）和乌鲁瓜亚纳（RS）的16年每小时气象数据时间序列，这些数据涵盖了典型的热带和亚热带气候条件，用于计算温度-湿度指数（THI）并开发出“蒸发冷却下的辐射热负荷减少”（ΔRHL）这一指标。研究结果表明，在9月至4月（巴西最温暖的时期），THI值经常超过热舒适阈值。然而，热应激强度与蒸发冷却理论潜力之间的关系在不同地点之间存在显著差异，表明蒸发冷却的潜在效率强烈依赖于区域气候条件，并且在亚热带环境中更为一致。研究结论认为，所提出的指标是一种用于空间和时间上量化蒸发冷却潜在效率的创新工具，适用于决策支持和集约化乳制品生产系统中热缓解策略的规划。

1. 引言
集约化乳制品生产对热条件非常敏感，热应激是影响高产奶牛生产性能、繁殖效率和福利的主要限制因素，尤其是在热带和亚热带地区[1,2]。在这些条件下，高温空气、强烈的太阳辐射和高相对湿度会阻碍动物代谢热的散发，导致生理和行为变化，包括干物质摄入量减少、产奶量下降以及繁殖效率降低[3,4,5,6,7]。随着气候变化，这一情况更加严重，全球平均温度上升，极端事件（如热浪）的频率和强度也在增加，这对集约化乳制品生产系统的可持续性构成了日益严峻的挑战[8,9]。此外，当高温与高相对湿度同时发生时，通过蒸发途径散热受到限制，从而损害动物的体温调节机制，加剧了热应激的影响[2,10]。
鉴于集约化乳制品系统中热应激的发生率不断增加，环境冷却技术已被广泛研究以减轻其影响[11,12]。在这些策略中，蒸发冷却通常与机械通风结合使用，已被证明可以显著改善奶牛的生理和生产反应，包括降低呼吸频率、降低体温和增加产奶量[13,14,15,16,17]。然而，蒸发冷却方法的性能直接受到环境空气的湿球温度和干球温度差以及动物所承受的辐射热负荷的影响[18]。
一般来说，动物饲养设施中的热环境冷却可以通过两种互补的原则实现：直接冷却动物身体和蒸发冷却空气。直接冷却身体是通过控制地向动物体表喷洒水，利用蒸发过程将动物体内的潜热传递到皮肤和毛发上的水[19,20,21]。这种方法与机械通风结合使用时被广泛认为非常有效，机械通风负责去除形成的水蒸气并重新建立必要的干燥梯度以维持冷却过程[22,23]。动物湿润应仅限于管理区域，如喂食区和挤奶前的等待区，以避免增加垫料湿度或湿润休息区，从而可能影响卫生条件[24,25]。
空气的蒸发冷却则旨在通过水蒸发将显热转化为潜热来降低空气温度[18,26]。空气冷却过程可以直接通过水雾喷洒与正压通风结合实现，或者通过基于湿润纤维素垫的负压通风系统实现，适用于完全封闭的设施[24,27]。在这两种情况下，效率取决于通风率和进入空气与饱和空气之间的湿球温度差，初始空气相对湿度越低，冷却潜力越大[22,28]。需要注意的是，在炎热潮湿的环境中，冷却效果有限，因为空气已经接近饱和状态，从而限制了蒸发和冷却系统的性能[24,29]。
上述冷却原理强调了采用综合考虑当地湿球温度条件、通风制度和入射辐射的工程方法的重要性，以获得更好的效果[18,21]。需要强调的是，在所有情况下，都必须使用机械通风，不仅为了促进蒸发和降低温度，还为了确保空气质量并提高动物的热舒适度[30]。
已有许多研究描述了蒸发冷却系统的指导原则和效率，但在农场或区域尺度上决定何时何地应用这些方法时，仍缺乏整合当地湿球温度条件（包括空气温度、相对湿度、空气流动和太阳辐射）的实际指标[21]。这些条件可以使用统一的热舒适指数进行评估，如温度-湿度指数（THI）、黑球湿度指数（BGHI）和辐射热负荷（RHL），这些指数代表了影响热舒适度的各种气候因素的综合效应[31,32]。然而，直接应用这些指数可能无法反映蒸发冷却的实际潜力，特别是在空气湿球温度特性和入射太阳辐射差异较大的情况下。因此，仍缺乏能够综合量化不同地点和一年中不同时间段蒸发冷却使用潜力的指标和研究。研究表明，利用现代计算工具可以开发此类指标，通过气象时间序列和热环境指数来识别气候模式并模拟蒸发冷却技术的潜在应用[33,34]。
尽管在应用于动物生产的冷却策略方面取得了进展，但目前仍缺乏能够动态整合当地湿球温度条件和入射太阳辐射的指标，而这些因素对蒸发冷却过程的效率起着决定性作用。因此，本研究的目的是开发并应用一种新的指标“蒸发冷却下的辐射热负荷减少”（ΔRHL），该指标能够量化在不同湿球温度条件下应用蒸发冷却系统时减少辐射热负荷的理论潜力。
所提出的指标是通过整合热环境变量、空气湿球参数以及蒸发过程和动物与环境之间热交换涉及的热传递原理来构建的。与仅基于热应激指数（THI、BGHI等）的方法不同，ΔRHL能够明确表示蒸发冷却提供的物理缓解潜力，根据 prevailing 环境条件估算可以实现的辐射热负荷减少量。这种方法能够综合评估热应激的强度和环境促进蒸发散热的能力，从而识别出在不利于蒸发冷却效率的湿球温度条件下出现高热应激的情况。基于这一框架，本研究假设通过ΔRHL指标整合湿球参数和热环境指标，可以识别出传统用于评估奶牛热应激的热指数无法捕捉到的蒸发冷却潜在应用的空间和时间差异。因此，预计本研究的结果将有助于扩展用于评估动物生产系统热环境的工具的分析范围，提供一种定量方法来估算蒸发冷却策略的潜在效率。通过这种方式，本研究旨在推动应用于动物热舒适度的工程进展，并为不同气候条件下的集约化乳制品生产系统的环境管理开发出适应性和可持续的解决方案。

2. 材料与方法
本研究采用的方法论结合了湿球温度原理和热传递机制，以制定一个能够量化不同气候条件下蒸发冷却理论潜力的指标。为了实现这一目标，本节分为四个小节：支持指标制定的热指数；蒸发冷却下的辐射热负荷减少指标的制定；地点和数据来源的选择；以及计算实现和数据处理。

2.1 支持指标制定的热指数
分析了在不同微气候条件下，蒸发冷却方法用于缓解集约化乳制品饲养设施中热应激的潜在用途，这些分析基于统一的热舒适指数和潜热传递的物理原理。温度-湿度指数（THI）被用来量化空气温度和相对湿度对动物热平衡的综合影响[31]。Yousef[35]提出的经典公式被广泛应用于后续研究[36,37,38]，用于计算THI：
THI = 0.81×Td_b + [R_H(Td_b?14.40)1??] + 46.40 (1)
其中：
Td_b 是干球空气温度，单位为°C；
R_H 是空气的相对湿度，单位为%。
根据Hahn[37]的研究，最初为泌乳奶牛提出的THI范围如下：THI ≤ 74—正常；75 ≤ THI ≤ 78—警戒；79 ≤ THI ≤ 83—危险；THI ≥ 84—紧急。然而，最近的研究表明，具有高产奶潜力的奶牛（>30 kg·day?1），其体温调节机制和能量平衡对热更敏感，在THI约为68时表现出不良的生理和繁殖反应[39,40,41,42,43]。因此，为了保护高产奶牛，本研究将THI值68作为热应激开始的阈值，这可以作为启动蒸发冷却系统的实际参考。
为了评估太阳辐射对热环境的影响，使用了黑球温度（Tbg，单位为°C），这是一个表示影响环境热平衡的辐射和对流通量相互作用的基本变量[44,45]。由于自动气象站不直接测量Tbg，该变量使用Abreu等人[46]描述的经验模型进行估算，该模型已在热带/亚热带条件下得到广泛应用[47,48,49]：
Tb_g = 0.456 + 1.0335×Td_b (2)
方程(2)是根据热带气候条件经验校准的，干球温度和黑球温度之间的相关性很高（R2 > 0.98），证实了其在无法直接测量Tbg的地点进行间接估算的适用性[46]。根据估算的Tbg值，计算了辐射热负荷（RHL，单位为W·m?2），该参数用于表征入射辐射的强度及其对环境热平衡的贡献。首先根据方程(3)确定平均辐射温度（MRT，单位为K），然后根据方程(4)计算RHL本身[50]：
M_R_T = 100[2.51×√va_i·r·(Tb_g?Td_b) + (Tb_g/100)?] (3)
R_H_L = σ M_R_T? (4)
其中：
va_i·r 是空气速度，单位为m·s?1；
Tb_g 是黑球温度，单位为K；
σ 是斯特藩-玻尔兹曼常数（5.67·10?? W·m?2·K??）。
RHL的确定用于量化作用在动物身上的总辐射负荷，这是估算蒸发冷却系统提供的辐射热增益潜在缓解效果的重要参数。

2.2**蒸发冷却下辐射热负荷减少的度量标准制定**

在制定该度量标准的初期阶段，定义了两个理论状态点，这些状态点对于量化通过蒸发冷却减少辐射热负荷（RHL）的理论能力是必要的。这两个状态点分别代表了使用蒸发冷却之前的环境条件和使用蒸发冷却期间的环境条件，状态点的特征以及动物舒适度的变化在图1中进行了说明。图1展示了从初始热应激状态到应用蒸发冷却过程后模拟最终状态的转变过程，这一过程改善了环境条件。状态点1表示未使用蒸发冷却方法且处于热应激条件下的初始状态（图1）。对于这个状态点，根据方程（3）和（4），使用Tdb、Tbg和vair数据计算了初始辐射热负荷（RHLIn）。计算出RHLIn后，下一步是确定状态点2的RHL，称为模拟辐射热负荷（RHLSim），该负荷模拟了结合强制通风使用喷水的方式，旨在降低动物的体温和/或空气温度。

当达到状态点2时，即空气-水蒸气混合物达到所需的热湿特性时，系统温度降低，此时称为模拟空气温度（Tdb-Sim，单位为°C），实际上这对应于露点温度（Tdp，单位为°C）。在这些条件下，冷却过程不能被定义为等压过程，因为水蒸气被添加到混合物中，而空气只有在等压冷却下才能达到Tdp。尽管冷却过程不是等压的，但由于向系统中添加水蒸气导致的气压变化与大气压相比可以忽略不计[50]。因此，即使系统没有达到Tdp，实际达到的温度也非常接近Tdp值。

模拟平均辐射温度（MRTSim）是通过改编Esmay [50]提出的方程计算得出的。在这个改编中，T_db被替换为T_db-Sim，并假设了强制通风条件，其中vair保持恒定，为2.50 m·s?1，这符合动物住房设施的建议[51,52,53]。最后，使用方程（2）计算了模拟黑球温度（Tbg-Sim，单位为K），随后使用方程（5）计算了MRTSim：
$$
MRTSim = \frac{100[2.51 \times \sqrt{2.50 \times (Tb_g - Td_i - Td_b - Td_i)}{(Tb_g - Td_i)^{1/4}}
$$
其中使用以下定义：
- $Td_b - Td_i$ 是平均模拟空气温度，单位为K；
- $Tb_g - Td_i$ 是平均模拟黑球温度，单位为K。

确定了RHLIn和RHLSim之后，就建立了一个能够量化通过蒸发冷却方法减少RHL的变量。这个度量标准被称为“蒸发冷却下的辐射热负荷减少”（ΔRHL），其定义如下：
$$
\Delta RHL = RHL_{LI,n} - RHL_{LS,i}
$$
其中使用以下定义：
- $RHL_{LI,n}$ 是初始辐射热负荷，单位为W·m?2；
- $RHL_{LS,i}$ 是模拟辐射热负荷，单位为W·m?2。

这个度量标准反映了在不同热湿条件下通过蒸发冷却实现的入射辐射负荷减少的理论幅度，作为过程有效性的定量指标。这种方法与探索环境条件与冷却效率之间关系的研究一致，例如Tejero-González和Franco-Salas [26]、Foroushani和Amon [30]以及Berman [45]的研究。

**2.3 地点选择和数据来源**

为了评估蒸发冷却方法在巴西集约化奶牛生产系统中缓解热应激的潜在用途，分析了巴西国家气象研究所（INMET）运营的自动气象站16年的每小时时间序列数据（2007年1月1日至2023年12月31日）。提取的变量包括干球空气温度（Tdb，单位为°C）、露点温度（Tdp，单位为°C）、相对湿度（RH，%）和空气速度（vair，单位为m·s?1）。数据来自INMET的教学和研究气象数据库（BDMEP）[54]。需要注意的是，由于从BDMEP提取的数据来自自动气象站，它们并不能完全代表实际牲畜设施内的微气候条件，因为它们没有考虑动物与环境之间的特定热传递过程，也没有考虑不同类型动物住房系统的特殊性。尽管如此，使用这些数据仍然是必要的，以便分析不同的气候条件（热带和亚热带），这是本研究的目标之一。

选择站点基于两个主要标准：（1）在分析期间有连续且一致的时间序列数据；（2）位于巴西主要奶牛生产区域的市镇。关于站点选择的更多细节在3.1节中有描述。

**2.4 计算实现和数据处理**

从BDMEP提取CSV（字符分隔值）格式的文件后，进行了数据处理和过滤。在初始处理步骤中，应用了一个过滤器，仅提取代表用于饲养奶牛的设施的典型室内条件的空气速度（vair）值。根据相关文献，动物所在区域的vair应大于1.00 m·s?1，以确保有效的冷却[55]。关于封闭式住房设施中的机械通风的研究表明，平均空气速度范围为0.90至2.50 m·s?1，具体取决于配置[51,52,53]。因此，采用2.50 m·s?1作为奶牛封闭式设施的典型室内条件的上限阈值，来自外部气象站的超过此阈值的vair数据被丢弃。实际上，自动气象站测量的vair数据代表的是室外环境条件，这些条件不一定与奶牛住房设施内的条件相符，因为自动气象站配备了气象遮蔽设施，通常位于受周围建筑物影响较小的区域[56,57]。

关于本研究中确定的vair上限阈值（2.50 m·s?1），应该注意的是，它与文献中推荐的值是一致的。研究表明，在专门用于奶牛生产的集约化系统中，接近2.50 m·s?1的vair值有助于确保气体的排出和污染物的去除，并且根据 prevailing的Tdb和RH条件，有利于通过蒸发和对流进行热交换[51,52,58]。然而，重要的是要注意，MRT以及随之而来的RHL对这个变量非常敏感，在vair降低的情况下可能会呈现较低的值，而在vair超过所采用阈值的情况下则可能呈现较高的值。另一个需要提及的重要方面是Tdb-Sim变量的定义，虽然它在概念上与Tdp不同，但根据热湿原理，它们在数值上是等价的。因此，在蒸发冷却过程中，达到的最低温度并不完全对应于Tdp，而是对应于湿球温度。然而，由于这种近似导致的系统总压力的变化可以忽略不计，不会影响分析的一致性[50]。

在第二阶段处理中，开发了一个代码，仅过滤出每天上午10:00到下午6:00的数据，从中获得了Tdb、Tdp、RH和vair的日平均值和月平均值以及标准差，同时还计算了感兴趣的指数值。进行这种过滤是因为这个时间区间对应于Tdb值升高的时期，因此动物更容易受到热应激的影响，使得使用蒸发冷却方法更加可行[59,60]。

热环境指数（THI、BGHI、RHL等）通常用于评估动物所暴露的热条件，但分析可以在不同的时间尺度上进行（每小时、每天、每月、每个季节等）。在这项研究中，使用提取变量的每小时值来计算每日（THIDaily）、每月（THIMonthly）、ΔRHLMonthly）和季节性（THISeason, ΔRHLSeason）的THI和ΔRHL平均值。因此，基于16年时间序列的每小时数据和计算出的指数值，可以使用统计表格和时间分布图对获得的数值进行关键分析。

所有数据处理程序和指数及度量的计算都是使用RStudio软件4.5.1版本[61]完成的。程序包括数据导入、过滤、时间聚合和可视化，以及使用dplyr（版本1.2.0[62]、ggplot2（版本4.0.2[63]、lubridate（版本1.9.5[64]、psych（版本2.6.1[65]、readr（版本2.2.0[66]和tidyr（版本1.3.2[67]）包来计算THI和ΔRHL。

**3 结果和讨论**

在这项研究中，开发并应用了“蒸发冷却下的辐射热负荷减少”（ΔRHL）度量标准，以评估蒸发冷却方法在巴西不同地点缓解热应激的潜在用途。为了顺序展示和讨论获得的结果，本节分为四个小节：具有不同热条件的地点的选择和气候特征；使用温度-湿度指数评估热条件；评估蒸发冷却系统在集约化奶牛住房中的理论潜力；以及未来研究的局限性和前景。

**3.1 具有不同热条件的地点选择和气候特征**

为了应用本研究提出的度量标准，选择了三个位于巴西奶牛生产战略区域的市镇，分别代表东南部、南部和中西部地区：米纳斯吉拉斯州（MG）的Uberlandia、南里奥格兰德州（RS）的Uruguaiana和戈亚斯州（GO）的Luziania。选择这些地点综合考虑了区域奶牛生产的经济重要性和不同气候类型的代表性，从而能够在热带和亚热带地区典型的集约化奶牛系统的对比热条件下评估蒸发冷却的潜力。图2展示了每个市镇使用的自动气象站的地理坐标，以及研究区域的空间位置和巴西各州奶牛生产产生的财政收入分布。图2显示了2024年巴西各州奶牛生产产生的财政收入的空间分布，以及Uberlandia（MG）、Uruguaiana（RS）和Luziania（GO）自动气象站的地理坐标。来源：改编自INMET [54]和IBGE [68]。米纳斯吉拉斯州是巴西最大的牛奶生产州，拥有成熟且高度技术化的生产链，2024年约占全国牛奶产量的26.63%，产生了约242.1亿雷亚尔的收入[68,69]。在这种情况下，选择了位于Triangulo Mineiro地区的Uberlandia市镇，因为它对州级生产有重要贡献，并且代表了巴西中部的气候条件。根据K?ppen–Geiger气候分类，Uberlandia属于Aw气候类型，具有明显的冬季干燥季节[70,71]。2024年，该市镇从奶牛生产链中产生了约1.8262亿雷亚尔的收入，凸显了其生产重要性[68]。其气候特征是春季和夏季的Tdb值较高，通常伴随着较高的RH水平，这对奶牛的热舒适度管理提出了额外挑战。

巴西南部地区在国家牛奶生产中也扮演着重要角色，以其每头动物的高生产力和更广泛的管理和环境控制技术的采用而著称[42]。2024年，南里奥格兰德州贡献了全国牛奶产量的大约11.63%，产生了约98.5亿雷亚尔的收入[68,69]。Uruguaiana市镇被选为区域代表，因为它具有湿润的亚热带气候（Cfa），根据K?ppen–Geiger分类，这种气候的特点是没有明确的干燥季节，全年热变化较大[70,71]。2024年，Uruguaiana的奶牛生产链产生了约153万雷亚尔的收入，在当地收入和就业创造方面发挥了重要作用[68]。

最后，巴西中西部地区在最近几十年奶牛生产方面表现出显著增长，这得益于生产系统的集约化。戈亚斯州是主要的区域生产州，约占全国牛奶产量的8.43%，2024年产生了约70.1亿雷亚尔的收入[68,69]。卢齐亚尼亚市位于戈亚斯州东部，被选为该地区主要的乳制品生产区域之一，同年其乳制品产值估计为1.5634亿巴西雷亚尔[68]。与乌贝兰迪亚类似，卢齐亚尼亚也属于Aw气候类型，冬季干燥，夏季炎热潮湿[71]。对于这三个选定的市镇，我们从BDMEP/INMET[54]获取了2007年至2023年间的干球气温（Tdb）和相对湿度（RH）的每小时气象数据。热特性分析基于上午10点至下午6点这段时间内Tdb和RH的平均值及标准差，这一时间段被认为是奶牛发生热应激的关键时期。这些变量的季节性平均值见表1。

表1. 乌贝兰迪亚（MG）、乌鲁瓜亚纳（RS）和卢齐亚尼亚（GO）市镇干球气温（Tdb，单位：°C）和相对湿度（RH，单位：%）的季节性平均值及标准差。在乌贝兰迪亚和卢齐亚尼亚，最高的平均Tdb值出现在春季，分别为26.25 ± 3.27 °C和25.00 ± 3.48 °C。乌贝兰迪亚在夏季也观察到了较高的Tdb值（25.00 ± 2.43 °C）。而在乌鲁瓜亚纳，最高的平均Tdb值出现在夏季（26.06 ± 4.63 °C），这是湿润亚热带气候的典型特征[72,73]。考虑到24 °C是泌乳奶牛开始出现热应激的临界值[74]，可以发现这三个市镇在最热的时期，平均Tdb值都表明环境可能存在热应激[11,42]。在这种条件下，奶牛会激活生理和行为上的体温调节机制，如增加呼吸频率、出汗以及减少干物质摄入量。如果这些情况持续存在，尤其是在集约化养殖系统中，可能会显著影响生产性能、繁殖效率和动物健康[19,32,75]。

相对湿度（RH）是另一个对热舒适度评价至关重要的环境参数，因为它直接影响动物与环境之间的显热和潜热交换过程[72,76,77]。通常建议奶牛舍内的相对湿度保持在30%到80%之间[74]。然而，多项研究表明，当Tdb值较高时，即使相对湿度超过50%也会降低蒸发散热的效率[29,78,79]。在乌贝兰迪亚和卢齐亚尼亚，夏季、秋季和春季的平均RH值均超过了50%的阈值，其中夏季的情况最为严重（乌贝兰迪亚为66.49 ± 13.59%，卢齐亚尼亚为73.96 ± 13.04%）。在这种条件下，尽管较高的Tdb值表明需要降温，但高RH水平会显著限制基于蒸发冷却技术的效果，这在潮湿的热带气候中是一个常见问题[20,24,34]。在乌鲁瓜亚纳，全年RH值都较高，尤其是在夏季，此时Tdb（26.06 ± 4.63 °C）和RH（67.71 ± 18.23%）同时升高，严重限制了蒸发冷却的潜力。尽管秋季和冬季的RH值也较高（分别为78.08 ± 14.42%和80.97 ± 14.03%），但由于Tdb值较低，因此热应激的风险较低。然而，持续的高RH水平与动物卫生状况恶化有关，可能导致体表污染增加、体细胞计数上升以及呼吸道疾病发病率增加，这些因素在卫生管理中需要特别注意[12,80,81]。

总体而言，乌贝兰迪亚和卢齐亚尼亚的Tdb和RH的季节性变化模式相似，这与它们属于同一气候类型（Aw）是一致的。这些地区的冬季较为温和干燥，而夏季则同时面临高温和高湿度。相比之下，乌鲁瓜亚纳表现出典型的亚热带气候特征，全年热变异性较大，RH水平相对较高，这受到极地气团、锋面系统和云量增加等因素的影响[70,71,73]。

所选市镇的选择和气候特征分析为应用所提出的评估指标奠定了坚实的基础，使得能够在不同的热负荷和湿球条件组合下分析蒸发冷却潜力。这种方法能够更真实地评估集约化奶牛养殖系统中的冷却策略效率，特别是在热带和亚热带地区，这些地区的RH限制往往被忽视。

3.2 使用温度-湿度指数（THI）评估热条件
利用Tdb和RH的时间序列数据，计算了每天平均的THI值及其标准差（THIDaily），时间范围为上午10点至下午6点。这一时间段是奶牛热应激最频繁发生的时期，因为此时Tdb值较高，辐射负荷较大，且动物对潜热散发的生理限制也较大[3,7]。图3展示了2007年至2023年间乌贝兰迪亚（MG）、乌鲁瓜亚纳（RS）和卢齐亚尼亚（GO）市镇THIDaily的时间变化情况。总体来看，THI呈现出明显的周期性变化，这种变化与区域气候特征相关。气候学文献中广泛描述了这种周期性变化，THI值呈现近似正弦波分布，反映了全年冷暖期的交替[32,82,83]。

图3. 2007年至2023年间乌贝兰迪亚（MG）、乌鲁瓜亚纳（RS）和卢齐亚尼亚（GO）市镇的温度-湿度指数（THI）及其标准差的时间序列：(a) 乌贝兰迪亚（MG）；(b) 乌鲁瓜亚纳（RS）；(c) 卢齐亚尼亚（GO）。

在乌贝兰迪亚和卢齐亚尼亚这两个被归类为热带Aw气候类型的市镇中，THIDaily的年变化幅度相对较小。尽管如此，最大THIDaily值经常接近或超过72-73的范围，尤其是在每年的第一季度和第四季度（图3a,c）。这些值表明高产奶牛（尤其是日产奶量超过30公斤的奶牛）处于中度至重度热应激状态，因为它们的代谢需求导致体内热量产生增加[7,82]。虽然传统上认为THI值接近68-70是热应激的起始阈值，但最新研究表明，高产奶牛在THI值约为67-68时可能会出现不良生理反应，如呼吸频率增加、核心体温升高和干物质摄入量减少，尤其是在环境中的蒸发冷却能力较低的情况下[32,39,40,41,42,43,82]。因此，在本研究中，将THI阈值定为68作为热应激的起始点，这是一种符合当前集约化奶牛养殖系统建议的保守做法。

在一年中的中间月份，特别是6月至8月，乌贝兰迪亚和卢齐亚尼亚的THIDaily平均值大多低于68，表明环境较为舒适。然而，标准差分析显示，在平均来看温度适宜的时期，仍会出现超过临界阈值的THI峰值。这一结果强调了日常分析的重要性，因为月度或季节平均值可能会掩盖可能对生产性能和动物福利产生负面影响的短暂热应激事件[38,82]。在乌鲁瓜亚纳这个被归类为湿润亚热带气候（Cfa）的市镇中，全年THIDaily值的分布更为分散，反映了该地区较高的季节性热变异性。夏季时，THIDaily平均值经常超过75，表明热应激严重。而在冬季，最低THIDaily值降至55以下，表明环境非常有利于热舒适。这种较大的热幅度使乌鲁瓜亚尼亚与热带气候的市镇区分开来，并直接影响热应激的发生频率和缓解策略的效率[73,84]。

三个市镇的THIDaily年际和季节性变化模式与区域气候分类一致，也与近期研究表明的热带和亚热带地区热应激加剧的趋势相符[33,34,85]。在热带环境中，高Tdb值和高RH值的结合限制了通过蒸发散热的能力，即使绝对THI值没有达到极端水平，也会加剧热应激的影响[3,86]。尽管THI被广泛使用，但需要注意的是，它作为热环境的单一指标存在局限性，因为它没有明确考虑太阳辐射、风速和辐射热负荷等变量[31,33,87]。因此，相同的THI值可能代表不同的热环境条件，特别是在比较炎热干燥和炎热潮湿的环境时[38,88]。当评估蒸发冷却策略的潜力时，这一局限性尤为重要，因为其效率很大程度上取决于空气的湿球条件。

在本小节中进行的THI分析为识别不同地点的热应激频率、强度和季节性提供了必要的基础。然而，如下一小节所讨论的，高THI值并不一定意味着高蒸发冷却效率。因此，将THI与所提出的指标（ΔRHL）结合使用，可以更全面和物理上一致地评估集约化奶牛养殖系统中的热缓解潜力，同时考虑冷却需求和环境的实际冷却能力。

3.3 评估集约化奶牛舍中蒸发冷却系统的理论潜力
在集约化奶牛养殖系统中，当热应激期与环境有利于蒸发散热的条件同时发生时，采用蒸发冷却策略是合理的。然而，这种情况并不总是成立，因为蒸发过程的效率很大程度上取决于空气的湿球状态，而不仅仅是THI等指标所评估的热应激程度[11,26,89]。因此，将辐射热负荷减少（ΔRHL）指标与THI结合使用，综合评估了乌贝兰迪亚、卢齐亚尼亚和乌鲁瓜亚尼亚的蒸发冷却潜力，不仅评估了冷却需求，还评估了在不同气候条件下的潜在效率。

表2列出了乌贝兰迪亚（MG）、卢齐亚尼亚（GO）和乌鲁瓜亚纳（RS）市镇的THI和ΔRHL的季节平均值。总体而言，热应激较严重的时期并不总是与蒸发冷却潜力较高的时期重合，这进一步强调了综合方法的重要性。

表2. 乌贝兰迪亚（MG）、卢齐亚尼亚（GO）和乌鲁瓜亚纳（RS）市镇的温度-湿度指数（THI）和辐射热负荷减少（ΔRHL，单位：W·m?2）的季节平均值及标准差。在乌贝兰迪亚，冬季的ΔRHL平均值最高（94.60 ± 38.52 W·m?2；表2），此时平均THI为68.86 ± 3.98（表2），接近本研究采用的热应激阈值下限。这种模式反映了具有干燥冬季的热带气候特征，较低的RH显著提高了蒸发潜力[44,90]。然而，在同一时期（冬季），由于热应激较少，动物对冷却的生理需求降低。相比之下，乌贝兰迪亚夏季的平均THI达到73.15 ± 2.32（表2），表明热应激中度至严重，此时ΔRHL的值最低（42.12 ± 25.84 W·m?2）。这种差异凸显了潮湿热带地区的一个常见现象：在冷却需求较高的时期，高RH限制了蒸发过程的效率[85,91]。实验和建模研究表明，在炎热潮湿的环境中，即使有强制通风，潜热损失也会减少[44,92,93]。

在卢齐亚尼亚观察到的模式与乌贝兰迪亚相似，这符合两者属于同一气候类型（Aw）的预期。最高的ΔRHL值出现在冬季（88.79 ± 44.83 W·m?2；表2），与平均THI值为67.59 ± 5.09（表2）相关，表明环境主要处于热舒适状态[39,40,41,42,43]。与Uberlandia的情况类似，在生理降温需求较低的时期，观察到了较高的理论蒸发冷却能力。Luziania的夏季从生产角度来看是最为关键的，平均THI值为71.20 ± 2.73（表2），而季节性ΔRHL值最低（30.74 ± 23.35 W·m?2；表2）。这些结果强调了在炎热潮湿环境中蒸发冷却系统的局限性，因为在这种环境下空气接近饱和状态，降低了水分蒸发所需的梯度[18,90]。在这种情况下，需要采取补充策略，如遮阳、增加通风和管理调整，以减轻热应激的影响[32,52]。Uruguaiana的情况与热带气候地区的显著不同。由于湿润亚热带气候（Cfa）的年温差较大[71,73,85]，热应激较高的时期通常伴随着较高的ΔRHL值（表2）。夏季时，平均THI值达到74.57 ± 5.46（表2），同时记录到了最高的季节性ΔRHL值（43.55 ± 39.20 W·m?2）。这种一致性表明，在这种环境下应用蒸发冷却更为有利，因为动物的生理降温需求与环境条件相对有利于蒸发。相反，冬季Uruguaiana的THI值最低（55.69 ± 8.68；表2），ΔRHL值也最低（16.71 ± 20.08 W·m?2；表2），表明热应激较低，蒸发冷却的潜力也较低。这一模式表明，在亚热带气候中，热应激的高发期往往与蒸发冷却的较高潜力相吻合，这与热带地区的情况相反。

为了进一步深入分析蒸发冷却的潜力，全年同时评估了THI和ΔRHL条件，如图4所示。通过THI和ΔRHL的月度综合分析（图4），可以同时识别奶牛的热应激情况以及蒸发冷却作为缓解策略的物理可行性，这是本研究的主要方法论进展。这种综合方法克服了仅基于热指数的分析方法，因为它表明动物的生理降温需求并不总是与环境通过潜热途径促进降温的能力相一致[11,18]。图4显示了2007年至2023年间全年温度-湿度指数（THI）和蒸发冷却下的辐射热负荷减少（ΔRHL，单位W·m?2）的平均分布曲线及其标准差：(a) Uberlandia（MG）；(b) Uruguaiana（RS）；(c) Luziania（GO）。尽管在许多热带和亚热带地区广泛采用蒸发冷却作为减少热应激的替代方法，但图4的分析证实了该方法的有效性取决于环境条件。在Uberlandia和Luziania这两个城市，尽管观察到了特定的气候特征，但分析变量的行为模式相似。如图4a,c所示，两个地点的THI值在一年中的前四分之一和后四分之一较高，而ΔRHL值则在第二和第三季度达到最低。虽然热带地区通常在1月至5月和9月至12月期间热应激更为严重，但在前四分之一和后四分之一期间，高产奶牛可能遭受热应激（THI ≥ 68.00）的时期与蒸发冷却高效使用的潜力较高的时期之间存在不匹配（图4）。这是因为在这两个地点，ΔRHL值仅在9月达到较高水平（100.00至120.00 W·m?2）。根据这些结果，可以推断出，尽管对蒸发冷却的生理需求很高，但热带夏季的高相对湿度（RH）限制了通过蒸发散热的效率[1,2]。另一方面，5月至8月期间ΔRHL值显著增加，可能与相对湿度的降低有关（图4a,c）。然而，在此期间，THI值大多低于68.00，表明环境具有较高的蒸发冷却潜力，但生理降温需求较低。在Uruguaiana（图4b），THI和ΔRHL的综合分析结果与热带气候地区明显不同。1月至3月期间，THI值高于68.00，表明存在热应激[39,40,41,42,43]。在同一时期，ΔRHL值适中，为奶牛生产中的蒸发冷却技术应用创造了有利条件[15,25]。相反，4月至8月期间，Uruguaiana的平均THI值低于68（图4b），表明热应激频率较低，ΔRHL值也较低。这种功能一致性表明，在Uruguaiana，较低的生理降温需求与环境蒸发散热能力较低相吻合。从9月开始，Uruguaiana的THI和ΔRHL值同时增加，12月的吻合度最高（图4b）。这种模式表明，在亚热带气候中，热应激的高发期往往与蒸发冷却的较高潜力相吻合，与热带地区的情况相反。

上述分析表明，尽管热舒适度是实现高动物生产力的前提，但由于环境条件和区域气候多样性的限制，蒸发冷却并不总是最有效的选择[25,26]。在这种情况下，可能需要采取补充策略，如调整饲养时间表、营养改良和通风管理，以减轻热应激的影响[52,95,96]。本研究的结果与Tazzo等人[94]的报告高度一致，他们评估了南里奥格兰德州自动气象站的数据，发现夏季该州100%的地区存在与热相关的热不适，1月份有高达27%的地区经历了极端高温。作者的研究结果证实了Uruguaiana的高THI值以及夏季极端热应激的发生。Sousa等人[97]利用NetCDF格式的空间数据（最高温度、最低温度和风速）划分了热带地区不适合高产奶牛的气候条件。尽管采用了空间分析方法，但作者在马兰豪州的北部、东部和远北部中区域发现了THI的极端值，这些地区与Luziania和Uberlandia具有相似的热带气候分类。这些结果支持了本研究观察到的模式，进一步证明了THI和ΔRHL综合方法在不同空间尺度和气候条件下的适用性。

在集约化动物生产中，生产指标的优化取决于环境、生理、技术和管理因素之间的复杂相互作用[90]。尽管采用蒸发冷却等热冷却策略是减少奶牛热应激的主要手段之一，但其效率的综合评估仍是一个科学和技术挑战，尤其是在将特定地点的实验结果推广到不同地区和生产规模时。本研究的一个固有限制是使用了外部自动气象站的气象数据，尽管这些数据在动物生产的气候学研究中被广泛使用，但它们并不能完全反映圈养设施内的微气候复杂性。建筑类型、结构朝向、屋顶材料、动物密度、通风方式以及人工遮阳的存在等因素都会显著改变动物实际面临的热条件。因此，虽然历史INMET数据集可以用于进行稳健的区域和时间尺度分析，但要准确反映饲养设施的内部微环境，还需要结合现场测量数据，特别是在验证所提出指标的操作性时。另一个限制与动物热平衡的复杂性有关。尽管基于物理原理的环境指数和指标（如ΔRHL）可以推断出热缓解的理论潜力，但动物的生理反应可能因个体因素（包括生产水平、泌乳阶段、适应情况、遗传和健康状况）而异。因此，在生产单元层面进行更详细的分析需要特定的方法，涉及受控实验和对环境及生理变量的同时监测。尽管存在这些限制，但研究结果为未来的研究开辟了广阔的视野。首先，需要在真实的奶牛饲养设施中实验验证ΔRHL指标，并将其与生理反应（如呼吸频率、体温、出汗等）和生产反应（如产奶量、乳成分等）联系起来。这类研究将使该指标不仅作为理论指标，而且作为集约化生产系统中的操作决策支持工具得到巩固。此外，将ΔRHL应用于气候分区研究是一个有前景的方向。将其与空间数据集和气候再分析产品相结合，可以绘制出蒸发冷却潜在使用的区域和国家尺度地图，识别出这种策略更有效或受限的时期和地区。这种方法可以支持公共政策、基础设施投资规划以及气候变化背景下的奶牛生产适应策略。另一个高潜力的研究方向是开发智能热监测和控制系统算法。将ΔRHL纳入嵌入式系统，结合实时数据采集和环境传感器的自动化技术，可以实现蒸发冷却系统的动态精确激活，避免在不利心理气象条件下使用，并最大化其能源和水资源效率。这一方向与数字农业和精准畜牧业的最新进展相一致。最后，未来的研究可以探索将ΔRHL指标与农村建筑的热能模拟模型以及基于人工智能和机器学习的方法相结合。这些工具有助于预测不同未来气候情景下的蒸发冷却潜力，从而提高奶牛生产系统面对热应激事件增加的适应能力。

总之，这些研究结果表明，尽管热舒适度是实现高动物生产力的前提，但由于环境条件和区域气候多样性的限制，蒸发冷却并不总是最有效的选择[25,26]。在这种情况下，可能需要采取补充策略，如调整饲养时间表、营养改良和通风管理，以减轻热应激的影响[52,95,96]。本研究的结果与Tazzo等人的报告高度一致[94]，他们评估了南里奥格兰德州自动气象站的数据，发现夏季该州100%的地区存在热相关的不适，1月份有高达27%的地区经历了极端高温。Sousa等人的研究结果证实了Uruguaiana的高THI值和夏季极端热应激的发生。利用NetCDF格式的空间数据，Sousa等人[97]划分了不适合高产奶牛的气候条件。尽管采用了空间分析方法，但作者在马兰豪州的北部、东部和远北部中区域发现了THI的极端值，这些地区与Luziania和Uberlandia具有相似的热带气候分类。这些结果支持了本研究观察到的模式，进一步证明了THI和ΔRHL综合方法在不同空间尺度和气候条件下的适用性。

在集约化动物生产中，生产指标的优化取决于环境、生理、技术和管理因素之间的复杂相互作用[90]。尽管采用蒸发冷却等热冷却策略是减少奶牛热应激的主要手段之一，但其效率的综合评估仍是一个科学和技术挑战，尤其是在将特定地点的实验结果推广到不同地区和生产规模时。本研究的一个固有限制是使用了外部自动气象站的气象数据，这些数据在动物生产的气候学研究中被广泛使用，但无法完全反映圈养设施内的微气候复杂性。建筑类型、结构朝向、屋顶材料、动物密度、通风方式以及人工遮阳的存在等因素都会显著改变动物实际面临的热条件。因此，虽然历史INMET数据集可以用于进行稳健的区域和时间尺度分析，但要准确反映饲养设施的内部微环境，还需要结合现场测量数据，特别是在验证所提出指标的操作性时。另一个限制与动物热平衡的复杂性有关。尽管基于物理原理的环境指数和指标（如ΔRHL）可以推断出热缓解的理论潜力，但动物的生理反应可能因个体因素（如生产水平、泌乳阶段、适应情况、遗传和健康状况）而异。因此，在生产单元层面进行更详细的分析需要特定的方法，包括受控实验和对环境及生理变量的同时监测。尽管存在这些限制，研究结果为未来的研究开辟了广阔的视野。首先，需要在真实的奶牛饲养设施中实验验证ΔRHL指标，并将其与生理反应（如呼吸频率、体温、出汗等）和生产反应（如产奶量、乳成分等）联系起来。这类研究将使该指标不仅作为理论指标，而且作为集约化生产系统中的操作决策支持工具得到巩固。此外，将ΔRHL应用于气候分区研究是一个有前景的方向。将其与空间数据集和气候再分析产品相结合，可以绘制出蒸发冷却潜在使用的区域和国家尺度地图，识别出这种策略更有效或受限的时期和地区。这种方法可以支持公共政策、基础设施投资规划和气候变化背景下的奶牛生产适应策略。另一个高潜力的研究方向是开发智能热监测和控制系统算法。将ΔRHL纳入应用于精准畜牧业环境控制的嵌入式系统，结合实时数据采集和自动化技术，可以实现蒸发冷却系统的动态精确激活，避免在不利心理气象条件下使用，并最大化其能源和水资源效率。这一方向与数字农业和精准畜牧业的最新进展相一致。最后，未来的研究可以探索将ΔRHL指标与农村建筑的热能模拟模型以及基于人工智能和机器学习的方法相结合。这些工具有助于预测不同未来气候情景下的蒸发冷却潜力，从而提高奶牛生产系统面对热应激事件增加的适应能力。总体而言，这些观点强调了所提出的指标不仅限于特定地点的应用，而是为动物饲养环境研究、应用于奶牛生产的工程以及集约化奶牛生产的可持续性提供了坚实的概念基础。