Original paper

Impacts of street design parameters on human-biometeorological variables

Holst, Jutta; Mayer, Helmut

Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 5 (2011), p. 541 - 552

published: Oct 1, 2011

DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0254

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Abstract

This study deals with a current problem of urban human-biometeorology on the micro-scale, which becomes more important due to the future increase of severe summer heat in Central Europe. The impact of street design parameters on the thermal comfort of citizens is analysed in an experimental way for typical summer conditions in Central Europe. The investigation is focused on the behaviour of mean radiant temperature Tmrt and physiologically equivalent temperature PET as the most important human-biometeorological variables for thermal comfort during these atmospheric conditions. To get quantitative results on how they depend on small-scale characteristics of urban street canyons, an investigation design is applied which is based on measurements of relevant meteorological variables - like air temperature Ta - by specific humanbiometeorological measuring systems. They were conducted in selected street canyons within different urban quarters of Freiburg, the warmest city in Germany, from 2007-2009. Tmrt and PET were calculated from the measured meteorological variables by well-tested approaches. The geometry of urban street canyons is characterised by (i) the sky view factor SVF determined from fish-eye photos, (ii) the ratio of building height H to street width W, (iii) the orientation to the sun, and (iv) the fraction of ctc (coverage by the street tree canopy). To eliminate the influence of slightly different weather conditions even on typical summer days, the results are not presented in form of absolute values for the human-biometeorological variables, but in form of ratios for the measured radiative flux densities and in form of differences for the measured and calculated temperatures. As the results for Tmrt and PET should primarily quantify universal patterns of the impact of street design parameters on human thermal comfort, they are only presented as mean values for the period 10-16 CET. The main results obtained from different analyses are: (i) SVF for the southern half of the upper hemisphere (SVF90-270) is more suitable to characterise the sites with respect to the thermal perception of citizens than SVF for the whole upper hemisphere (SVF1-360), (ii) in contrast to wide E-W oriented street canyons, narrow E-W oriented street canyons have larger spatial differences in Ta, Tmrt and PET, (iii) with respect to the orientation, these differences are larger in E-W than in N-S oriented street canyons, and (iv) an increase of ctc by 10 % leads to a decrease of Ta by only 0.2 °C, but to a reduction of Tmrt by 3.6 °C and of PET by 1.4 °C.

Kurzfassung

Diese Studie beschäftigt sich mit einer aktuellen Fragestellung aus der urbanen Human-Biometeorologie auf der Mikroskala, die durch die zukünftige Intensivierung von extremer Sommerhitze in Mitteleuropa an Bedeutung gewinnt. Über einen experimentellen Ansatz werden die Einflüsse des Straßendesigns auf den thermischen Komfort von Stadtbewohnern für typische Sommerbedingungen in Mitteleuropa analysiert. Die Untersuchung bezieht sich auf das Verhalten von mittlerer Strahlungstemperatur Tmrt und physiologisch äquivalenter Temperatur PET als diejenigen human-biometeorologischen Variablen, die während dieser atmosphärischen Bedingungen die größte Bedeutung in Bezug auf den thermischen Komfort haben. Um quantitative Ergebnisse über ihre Abhängigkeit von Kennzeichen von Straßenschluchten zu erzielen, wird ein Untersuchungsdesign angewendet, das auf Messungen von relevanten meteorologischen Parametern wie die Lufttemperatur Ta beruht. Dafür wurden spezielle human-biometeorologische Messsysteme eingesetzt. Die Messungen erfolgten in ausgewählten Straßenschluchten innerhalb von bestimmten Stadtquartieren in Freiburg, der wärmsten Stadt Deutschlands, im Zeitraum 2007 bis 2009. Tmrt und PET wurden aus den gemessenen meteorologischen Parametern über erprobte Verfahren berechnet. Als kleinräumige Kennzeichen von Straßenschluchten werden verwendet: (i) Sky View Factor SVF, abgeleitet aus Fish-eye Fotos, (ii) Verhältnis von Höhe H der Randbebauung zur StraßenbreiteW, (iii) Orientierung zur Sonne und (iv) Anteil von ctc (der Abschattung durch den Kronenschirm von Straßenbäumen). Um den Einfluss der Variabilität von leicht unterschiedlichen Wetterbedingungen auch an typischen sommerlichen Strahlungstagen zu eliminieren, werden die Resultate für die human-biometeorologischen Variablen nicht in Form von Absolutwerten, sondern bei den Strahlungsflussdichten als Quotienten und bei den gemessenen sowie berechneten Temperaturen als Differenzen präasentiert. Da die Ergebnisse für Tmrt und PET primär die universellen Muster quantifizieren sollen, die die Einflüsse von kleinräumigem Straßendesign auf den thermischen Komfort kennzeichnen, werden sie als Mittelwerte für den Zeitraum 10 bis 16 Uhr MEZ präsentiert. Die wesentlichen Resultate aus den verschiedenen Analysen sind: (i) im Hinblick auf das thermische Empfinden von Stadtbewohnern ist SVF für die südliche Hälfte der oberen Hemisphäre (SVF90-270) besser geeignet als SVF bezogen auf die gesamte obere Hemisphäre (SVF1-360), (ii) im Gegensatz zu breiten E-W orientierten Straßenschluchten weisen enge E-W orientierte Straßenschluchten ausgeprägtere räumliche Differenzen von Ta, Tmrt und PET auf, (iii) diese Differenzen treten bei E-W orientierten Straßenschluchten deutlicher als bei N-S orientierten Straßenschluchten hervor, und (iv) eine Zunahme von ctc um 10 % hat bei Ta eine Abnahme von nur um 0.2 C zur Folge, während sie bei Tmrt 3.6 °C und bei PET 1.4 °C beträgt.