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Sky view factor as a parameter in applied climatology rapid estimation by the SkyHelios model

Matzarakis, Andreas; Matuschek, Olaf

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 1 (2011), p. 39 - 45

published: Feb 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0499

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Abstract

Graphic processors can be integrated in simulation models computing e.g. three-dimensional flow visualization or radiation estimation. Going a step further it is even possible to use modern graphics hardware as general-purpose array processors. These ideas and approaches use a cheap mass production technology to solve specific problems. This technology can be applied for modelling climate conditions or climate-relevant parameters on the micro-scale or with respect to urban areas. To illustrate this we present the simulation of the continuous sky view factor (SVF), thus the calculation of the SVF for each point of a complex area. Digital elevation models (DEM), data concerning urban obstacles (OBS) or other digital files can serve as a data base in order to quantify relevant climatic conditions in urban and complex areas. The following benefits are provided by the new model: (a) short computing time (b) short development time and (c) low costs due to the use of open source frameworks. The application of the developed model will be helpful to estimate radiation fluxes and the mean radiant temperature in urban and complex situations accurately, especially in combination with an urban microclimate model, e.g. the RayMan model.

Kurzfassung

Schnelle Grafikprozessoren können in Simulationsmodelle integriert werden, z. B. dreidimensionale Strömungsmodelle oder Modelle zu Strahlungsprozessen. Andere Ansätze gehen einen Schritt weiter und verwenden moderne Graphikhardware als allgemeine Vektorrechner. In beiden Fällen wird eine billige Massentechnologie zur Lösung von spezifischen Problemen verwendet. Auch für Klimasimulationen oder zur Berechnung klimarelevanter Größen in urbanen Bereichen kann dieser Ansatz verfolgt werden. Beispielhaft wird die Modellierung des kontinuierlichen Sky View Factors (SVF), d. h. die Berechnung des SVF für jeden Punkt einer komplexen Umgebung, aufgezeigt. Als Datengrundlage können digitale Geländemodelle (DEM), Daten von urbanen Hindernissen (OBS) oder andere digitale Daten herangezogen werden, um zur Quantifizierung von relevanten klimatischen Bedingungen in urbanen Gebieten zu gelangen. Folgende Vorteile ergeben sich aus dem entwickelten Modell: a) kurze Berechnungszeiten, b) kurze Entwicklungszeiten, c) niedrige Kosten durch die Verwendung von open-source-Bibliotheken. Das Modell wird hilfreich bei der Bestimmung von Strahlungsflüssen und der mittleren Strahlungstemperatur in komplexen Umgebungen sein. Es füugt sich gut in die bereits vorhandenen Mikroklimamodelle (z.B. RayMan) ein.