行人日照与阴影边界的瞬态热感觉:响应模式、预测因子与过程建模

《BUILDING AND ENVIRONMENT》:Transient Thermal Sensation of Pedestrians at Sun-Shade Boundaries: Response Patterns, Predictive Factors, and Process Modeling

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月28日 来源:BUILDING AND ENVIRONMENT 8.4

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   摘要城市行人环境包含急剧的日光 - 阴影边界,这会突然改变辐射热负荷,然而由此产生的瞬态热响应仍未得到充分理解。本研究考察了在炎热夏季条件下,行人穿越受控室外边界时的热感觉。实验产生了 200 个有效人次试验,来自 30 名健康年轻人,均分于从阳到阴和从阴到阳的过渡。参与者加

  

摘要

城市行人环境包含急剧的日光 - 阴影边界,这会突然改变辐射热负荷,然而由此产生的瞬态热响应仍未得到充分理解。本研究考察了在炎热夏季条件下,行人穿越受控室外边界时的热感觉。实验产生了 200 个有效人次试验,来自 30 名健康年轻人,均分于从阳到阴和从阴到阳的过渡。参与者加权的 K-means 在两个方向上识别出主流、弱反应和敏感型反应模式,基于动态时间规整的聚类再现了相同的划分。进入阴影通常会产生更即时的知觉调整,而进入阳光则更常导致热感觉投票(TSV)持续增加。随机森林(RF)实现了两个方向分别为 0.79 和 0.69 的参与者分组分类准确率。生理等效温度(PET)差值是 SHAP 分析中占主导地位的预测贡献者,而体重指数和性别提供了互补信息。RF 随后预测了影响幅度、稳定时间和稳态 TSV,并通过三阶段函数将其连接以重构瞬态轨迹。这种参与者平衡框架表征了响应的异质性和时间调整,同时为行人遮阳设计提供了可解释的参数。

引言

步行是城市出行的基本组成部分。它连接公共交通与最终目的地,支持当地活动,并通过日常身体活动促进公共健康 [1]。随着气候变化和城市化导致热暴露加剧,行人环境的热质量日益影响步行行为、路线选择以及积极出行的可行性 [[2], [3], [4], [5]]。
室外行人环境在精细空间尺度上热异质性明显。建筑物、树木、拱廊和顶部结构产生交替的日照和阴影段,通常仅跨越几米的距离 [6]。空气温度和湿度通常在这样的距离内逐渐变化,而太阳辐射暴露可能在日光 - 阴影边界处急剧变化。因此,行人可能在单次步行旅途中经历辐射热负荷的快速变化,即使周围气象条件保持相对稳定 [7]。
先前的研究通过室外调查、热步行以及辐射和气流条件调查考察了行人热感觉 [[8], [9], [10], [11]]。尽管热舒适指数仍被广泛使用 [12,13],但即时值并不能描述过渡后的知觉轨迹。短期热体验可以通过热记忆影响后续评估,即先前暴露的影响在环境过渡后持续存在 [[14], [15], [16], [17]]。关于皮肤热感觉和个性化预测的研究进一步突出了时间性和个体间的变异性 [18,19]。因此,热感觉可能涉及初始延迟、快速变化、后续调整和稳定,同样的环境条件会根据先前暴露的不同而被感知不同。
城市形态、表面性质、植被和遮阳塑造了行人辐射暴露 [[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]],而平均辐射温度是室外热感觉的重要预测因子 [[29], [30], [31]]。瞬态响应可能随过渡方向、暴露时间和 PET 差值(此处定义为日照区 PET 减去阴影区 PET)而变化 [[32], [33], [34], [35]]。暴露历史和冷热感适应影响感知 [[36], [37], [38], [39], [40], [41]],而热预期和个体特征增加了进一步的变异性 [[42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49]]。因此,在标准化方案下,考察了 PET 差值、体重指数(BMI)和性别作为反应模式归属的预测因子。
尽管取得了这些进展,仍存在两个方法学缺口。现有证据来自热步行、实地调查、实验室实验和微气候模拟 [50,51]。基于路线的研究通常将太阳辐射暴露、气流、表面温度、空间围合度和活动的变化结合在一起,使得难以区分对离散日光 - 阴影边界的响应。实验室研究提供了更大的控制力,但无法完全重现室外辐射。此外,很少有实地研究同时识别反应模式的异质性并量化过渡后的过程。因此,受控室外日光 - 阴影过渡中的反应模式、即时变化、稳定时间和最终知觉状态仍未得到充分表征。
为弥补这些缺口,本研究跨越锋利的日光 - 阴影边界进行了受控现场实验,并开发了一个用于表征和预测瞬态热响应的集成框架。其目标是:(1) 识别不同的热感觉投票(TSV)反应模式并使用替代聚类方法评估其稳健性;(2) 比较过渡方向之间的即时变化、稳定时间和稳态 TSV;(3) 评估 PET 差值、BMI 和性别是否预测被排除在模型训练之外的参与者的反应模式归属;以及 (4) 预测关键过程参数并重构瞬态 TSV 轨迹。这些分析共同表征了受控室外辐射过渡后的响应异质性和时间调整。

章节片段

实验地点与设计

现场实验在中国常州进行(31°22′58″N, 119°26′41″E),该地区以湿润亚热带季风气候为特征,夏季炎热潮湿。数据采集于 2023 年 8 月 25-26 日和 9 月 1-2 日的四天内进行,处于典型夏季条件:晴朗,云量极少,风速低。这些条件在日照区和阴影区之间提供了显著的热对比。
为了模拟现实行人跨越一个锋利的

微气候动态

实验装置在两个区域产生了不同的微气候条件(图 2)。短波辐射显示出最大的对比。它在 12:30 的日照区达到峰值 888.38 W/m2,而阴影区在 11:15 为 281.91 W/m2,证实了遮阳篷提供的太阳辐射暴露的显著减少。
空气温度差异较小。从 07:00 到 18:00,日照区通常较暖,最大温差为 0.91°C,出现在 17:45。该

方向相关的瞬态响应

过渡后的轨迹表明,增加和去除太阳负荷并不会产生镜像的知觉响应。进入阴影引发了快速调整,而进入阳光后 TSV 往往持续上升。弱反应模式的有限变化进一步表明,响应强度反映了过渡方向以及越过边界前建立的热状态。
这种方向不对称性与温度阶跃变化下报告的响应一致 [32,70] 和

结论、局限性与未来工作

这项受控现场研究利用 30 名健康年轻人的 200 个人次试验,表征了跨越锋利室外日光 - 阴影边界的瞬态热感觉。两种聚类方法一致识别出三种反应模式。进入阴影产生了更即时的调整,而进入阳光更常产生 TSV 的渐进上升;弱模式在两个方向上变化都很少。在参与者分组验证下,RF 分类这些模式的准确率

CRediT 作者贡献声明

Boze Huang: 写作 – 原稿,验证,方法论,调查,数据整理,概念化。 Bao-Jie He: 写作 – 审阅与编辑,监督,项目管理,方法论,调查,资金获取,正式分析,概念化。
Boze Huang|Bao-Jie He
重庆大学建筑与城市规划学院气候韧性与低碳城市中心,山区城市建设新技术教育部重点实验室,重庆 400045,中国
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