UTCI NOWE NARZĘDZIE BADANIA WARUNKÓW BIOKLIMATYCZNYCH W RÓŻNYCH SKALACH CZASOWYCH I PRZESTRZENNYCH

Transkrypt

1 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)

2 6 K. Błażejczyk i in. subiektywne odczucia cieplne ludzi. Szczegółowe informacje o tych wskaźnikach można znaleźć w książkach K. B ł a ż ejczyka (2004), T. K o z ł owskiej- Szczę snej, K. Bł a ż ejczyka i B. Krawczyk (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 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.

3 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 iali (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. PROMIENIOWANIE KRÓTKOFALOWE SHORT WAVE RADIATION PAROWANIE EVAPORATION PROMIENIOWANIE DŁUGOFALOWE LONG WAVE RADIATION UNOSZENIE CONVECTION ODDYCHANIE RESPIRATION ODZIEŻ CLOTHING PRZEKRÓJ A-A : (SECTION A-A :) CZĘŚĆ WEWNĘTRZNA (INFERIOR) SKÓRA (OUTER SKIN) TKANKA PODSKÓRNA (INNER SKIN) TKANKA TŁUSZCZOWA (FAT) MIĘSIEŃ (MUSCLE) TKANKA KOSTNA (BONE) CZĘŚĆ TYLNA (POSTERIOR) CZĘŚĆ PRZEDNIA (ANTERIOR) 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

4 8 K. Błażejczyk i in. 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) TERMOREGULACJA OŚRODKOWA (CENTRAL NERVOUS SYSTEM REGULATION) Pocenie i skórny przepływ krwi (Sweating and skin blood flow) 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).

5 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 2,5 lcl, r (clo) 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Polska (Poland) Finlandia mężczyźni (Finland man) lcl, r (va = 3 m/s) Kealinge etal. Goodwin, Taylor lcl, r (va = 15 m/s) Ta ( C) Donaldson Gavhead, Holmer lcl, r (va = 30 m/s) 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)

6 10 K. Błażejczyk i in. 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/m 2 (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 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)

7 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

8 12 K. Błażejczyk i in. 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) > do do do do do do 0-27 do do -27 < -40 Obciążenie cieplne Stress category Nieznośny stres ciepła Extreme heat stress Bardzo silny stres ciepła Very strong heat stress Silny stres ciepła Strong heat stress Umiarkowany stres ciepła Moderate heat stress Brak obciążeń cieplnych No thermal stress Łagodny stres zimna Dlight cold stress Umiarkowany stres zimna Moderate cold stress Silny stres zimna Strong cold stress Bardzo silny stres zimna Very strong cold stress Nieznośny stres zimna Extreme cold stress Sposób przeciwdziałania Possible protection Niezbędne okresowe schładzanie organizmu, konieczne uzupełnianie płynów > 0,5 l/godz. Należy unikać dużego wysiłku fizycznego. Konieczne okresowe korzystanie z pomieszczeń klimatyzowanych l/lub miejsc zacienionych, niezbędne uzupełnianie płynów > 0,5 l/godz. Należy ograniczyć wysiłek fizyczny. Niezbędne uzupełnianie płynów 0,25 l/godz., pożądane korzystanie z miejsc zacienionych i okresowe zmniejszanie wysiłku fizycznego. Niezbędne uzupełnianie płynów 0,25 l/godz. Fizjologiczne procesy termoregulacji są wystarczające do zachowania komfortu cieplnego. Pożądane używanie rękawiczek i nakrycia głowy. Należy zwiększyć wysiłek fizyczny oraz chronić kończyny i twarz przed wychłodzeniem. Należy zwiększyć wysiłek fizyczny oraz chronić kończyny i twarz przed wychłodzeniem. Pożądane zwiększenie termoizolacyjności odzieży. Należy zwiększyć wysiłek fizyczny oraz chronić kończyny i twarz przed wychłodzeniem. Niezbędne zwiększenie termoizolacyjności odzieży i ograniczenie czasu przebywania w terenie otwartym. Czas przebywania ograniczyć do niezbędnego minimum. Niezbędne zwiększenie termoizolacyjności i wiatrochronności odzieży

9 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) 48 Reakcje fizjologiczne Physiological criterion 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 Średnie wydzielanie potu > 200 g/godz. Wzrost temperatury rektalnej po 2 godz. ekspozycji. Straty ciepła na parowanie po 30 min > 40 W. Stopniowy wzrost temperatury skóry. 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. Średnie wydzielanie potu > 100 g/godz. Dynamiczne odczucie ciepła ciepło. 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.

10 14 K. Błażejczyk i in. 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) Znaczny spadek temperatury dłoni. Rozpoczyna się spadek temperatury rektalnej. 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-

11 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 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, 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 , zgromadzone w ramach projektu PHEWE. Na ich podstawie obliczono wartości UTCI. Widać wyraźne zróżnicowanie sezonowe i regionalne.

12 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, Fig. 6. Mean (avg) maximum (max) and minimum (min) monthly values of UTCI at selected European stations in January and July,

13 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 (k.blaz@twarda.pan.pl). Materiały wpłynęły do redakcji 6 XI Literatura B ł a ż ejczyk K., 2004, Bioklimatyczne uwarunkowania rekreacji i turystyki w Polsce. Prace Geograficzne, IGiPZ PAN, 192. B ł a ż ejczyk K., 2007, Multiannual and seasonal weather fluctuations and tourism in Poland. [w:] B. Amelung, K. Bł a ż ejczyk, A. Matzarakis (red.), Climate Change and Tourism Assessment and Copying Strategies, Maastricht Warsaw Freiburg: , s Fanger P.O., 1970, Thermal comfort. Analysis and application in environment engineering. Danish Technical Press, Copenhagen. Fiala D., L omas K.J., Stohrer M., 1999, A computer model of human thermoregulation for a wide range of environmental conditions: The passive system. Journal of Applied Physiology, 87 (5),

14 18 K. Błażejczyk i in. Fiala D., L omas K.J., Stohrer M., 2001, Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions. Int. Journal of Biometeorology, 45, Fiala D., L aschewski G., Jendritzky G., 2005, Comparison of human thermal and regulatory responses predicted by simple and multi-node complete heat budget models. Proceedings 17 th Int. Congress Biometeorology ICB 2005, Ann. d. Met., DWD Offenbach. 41, vol. 1, Gagge A.P., Stolwijk J., Nishi Y., 1971, An effective temperature scale based on a simple model of human physiological regulatory response. ASHRAE Transactions 77 (1), Höppe P., 1999, The physiological equivalent temperature a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment. Int. Journal of Biometeorology, 43, Huizenga C., Zhang H., Arens E., 2001, A model of human physiology and comfort for assesssing complex thermal environments. Building and Environment 36, Jendritzky G., 1990, Bioklimatische Bewertungsgrundlage der Räume am Beispiel von mesoskaligen Bioklimakarten. [w:] Jendritzky G, Schirmer H, Menz G, Schmidt-Kessen W, Methode zur raumbezogenen Bewertung der thermischen Komponente im Bioklima des Menschen (Fortgeschriebenes Klima-Michel-Modell). Akademie für Räumforschung und Landesplanung, Hannover, Beiträge 114, Jendritzky G., Maarouf A., F iala D., Staiger H., (2002) An update on the development of a Universal Thermal Climate Index. 15 th Conf. Biomet. Aerobiol. and 16 th ICB02, 27 Oct 1 Nov 2002, Kansas City, AMS, Kozł owska-szczę sna T., Bł a ż ejczyk K., Krawczyk B., 1997, Bioklimatologia człowieka. Metody ich zastosowania w badaniach bioklimatu Polski. IGiPZ PAN, Monografie, 1, Warszawa. Matzarakis A., R utz F., 2005, Application of RayMan for tourism and climate investigations. Annalen der Meteorologie, 41, 2, Parsons 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. Pickup J., d e Dear R., 2000, An Outdoor Thermal Comfort Index (OUT_SET*). Part I. The Model and its Assumptions. [w:] de Dear R., Kalma J., O k e T., A uliciems 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, Tanabe S.I., K obayashi K., N a k ano J., Ozeki Y., Konishi M., 2002, Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid dynamics (CFD). Energy and Buildings 34, 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 owa kluczowe: wskaźniki bioklimatyczne, bilans cieplny człowieka, obciążenia cieplne, UTCI

15 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 reac tions 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. Keywords: bioclimatic indices, human heat balance, heat stress, UTCI