تعیین محدوده‌های بیوکلیماتیک شهر مشهد بر مبنای دادهای ساعتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار اقلیم شناسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد، مشهد، ایران

2 استادیار اقلیم شناسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، نجف آباد، ایران

چکیده

شاخص زیست اقلیم دمای معادل فیزیولوژیک (PET) جزء شاخص‌های ترمو فیزیولوژیک است که از معادله بیلان حرارتی بدن انشان مشتق می گردد. این شاخص از پرکاربردترین‌ها در زمینه ارزیابی‌های زیست اقلیم محسوب می گردد. در تحقیق حاضر محدوده‌های بیو کلیماتیک شهر مشهد برای ساعات12,09وUTC 21 (با مطابق30: 09، 15:30 و 21:30 به وقت محلی) و بر اساس داده‌های اقلیمی دوره 20 ساله (1387-1368) مورد ارزیابی قرار گرفته است. علاوه بر ارزیابی زیست اقلیمی (آسایش اقلیمی، استرس گرمایی و سرمایی) فراوانی وقوع پدیده‌های فیزیکی ( مثل بارش،یخبندان،طوفان و..) و زیبا شناختی (شامل ابرناکی، شرایط آفتاب) که بر آسایش اقلیمی تاثیر گذارند نیز محاسبه شده است. بر اساس نتایج بدست آمده، دوره آسایش اقلیمی ساعات 9:30 و15:30 شهر مشهد در دو بازه زمانی واقع شده است دوره اول در ابتدای فصل بهار و دوره دوم آن در اوایل فصل پائیز واقع شده است که دوره اول آن طولانی تر است. دوره آسایش ساعت21:30 بصورت پیوسته در تیر و مرداده ماه واقع شده است. در مجموع تعداد روز‌های همراه با آسایش(23<PET<18) برای ساعات09:30، 15:30 و21:30، به ترتیب 38، 46 و 59 روز به دست آورده شده است. تعداد روز‌های همراه با تنش سرمایی (PET<18) در ساعات مطالعه شده بترتیب، 188،169 و306 روز می باشد. بیشترین تنش‌های گرمایی (PET>23) در ساعت 15:30(150روز) و بعد از آن ساعت9:30 (139 روز) اتفاق می افتد. ساعت 21:30فاقد تنش‌های گرمایی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Determine of the Mashad Bioclimatic Condition Base on Hourly Data

نویسندگان [English]

  • R. Esmaili 1
  • M. Montazeri 2
1 Assistant Professor of Climatology, Islamic Azad University, Mashhad, Iran
2 Assistant Professor of Climatology, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
چکیده [English]

Extended Abstract
1-Introduction

Humans have been aware that weather and climate affect health and well being. Hippocrates, 2.500 years ago, wrote about regional differences of climate and their relationship to states of the health (matzarakis, 2007).
In the several decades past, heat balance models of the human body have become more andmore accepted in the assessment of thermal comfort. The basis for these models is thehuman energy balance equation. One of the first and still very popular heat balancemodels is the comfort equation defined by Fanger (1972).
Bioclimatology data applied to the planning for architect, health and medical, exercise and tourism and vacations Climate-comforting conditions usually are expressed by indexes which a series of meteorological, human and environmental factors have been played a role in, and the possibility of comparison among different places is provided by several thermal indices such as Predicted Mean Vote (PMV), Physiologically Equivalent Temperature (PET) and Standard Effective Temperature (SET*) may be calculated for the assessment of human bioclimate in a physiologically relevant manner as shown in several applications (Matzarakis et al., 1999; Blazejczyk, Matzarakis, 2007;
etc). All indices have the known grades of thermal perception for human beings and physiological stress (Höppe, 1999). PET is defined as a certain air temperature related to fixed standard indoor conditions at which the heat balance of the human body is maintained with core and skin temperature equal to those under the conditions being assessed.
.In this research, PET index has used for hourly bioclimatology assessment (06, 12 and 16 UTC)   in the Mashhad city. This city is the second population city and religious capital in Iran that located to the north east in Iran.  
 
2- Methodology
In this research, great and population Mashad city have been selected for investigations comfortable climatic condition. We have used from The PET index in scale hourly time (06, 12 and 16 UTC) from 20 years period (1988-2007).
The pet index derived the Munich energy balance model forindividuals” (MEMI) (Höppe 1993) is such a thermo-physiological heat balance model. It is the basis for the calculation of the physiologically equivalent temperature(PET).
In detail the MEMI model is based on the energy balance equation (9.1) for the human body:
M +W + R +C + E D + E Re + E Sw + S = 0
The individual heat flows in Eq. 9.1, are controlled by the following meteorologicalparameters (Verein Deutscher Ingenieure 1998; Höppe 1999):
– Air temperature: C, Ere – Air humidity: ED, ERe, ESw – Wind velocity: C, ESw – Mean radiant temperature: R
Thermo-physiological parameters are required in addition:
– Heat resistance of clothing (clo units) – Activity of humans (in Watt
The following assumptions are made for the indoor reference climate:
– Mean radiant temperature equals air temperature (Tmrt = Ta).2– Air velocity (wind speed) is fixed at v = 0.1 m/s. 3– Water vapor pressure is set to 12 hPa (approximately equivalent to a relative humidity of 50% at Ta = 20°C).
In this research, the calculations of PET index have been done using Reymen 2.1 software. Addition of Bioclimatic assessment (climate comfort, heat stress and cold stress) calculated frequency physical event (contain precipitation, frost, storm …) and aesthetic event(cloudy, sunshine and ...) that effect on the comfort climate
 
3- Discussion
According to the obtained result, bioclimatic condition in Mashhad is very deferent in the through year.  Though Mashhad experienced extreme cold stress during the winter season, never the less in the June and July was very heat stress.
Comfortable climate period for 9:30 and 15:30 local time in Mashhad is short and located in the second separated period in the early spring and autumn .however; the first period is longer than the second period.
During to the hours study, the most of the comfortable climate condition has been done with 59 frequency in to 21:30 hour.    
In addition, the number of comfortable climate calculated for 9:30, ,15:30 and 21:30 local time respectively is 38, 46 , 59 days . the most of the cold stress frequency recorded with 44 percent (160 day) in the 21:30 hour and 9:30 with 24 percent of frequency that is located to the second grade.
And the lowest month index in annual curve is occurred on 21:30 hour that is located in the below of curves (9:30, 15:30 and daily curves). This deferent is great in summer season (approximate 10 °C).
 
4- Conclusions
According to the obtained results of this research, the comfortable climate period in Mashhad for 09:30 and 15:30 local time is short and located in the second separated period in the early spring and autumn.
totally of the comfortable climate days (18<PET<23) calculated for 09:30 ,15:30 and 21:30 local time respectively 38 , 46 and 59 day.
Also the number of cold stress (PET<18) for hours studied ,calculated respectively 169,188 and 305 day and  finally number of heat stress obtained 139,150 and 0 days. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • physiologic equivalent temperature index
  • comfortable climate
  • bioclimatic
  • human energy balance equations
  • Mashhad bioclimatic

مقدمه

انسان‌ها از گذشته دور علاقمند به دستیابی به اطلاعاتی در زمینه تاثیر اقلیم برجسم وروان خود بوداند، بقراط در25 قرن قبل از میلاد، هیپوکراتیس در2500سال پیش (Matzarakis,2007,140) و جرجانی و ابن سینا بترتیب در قرون 10و 11هجری مطالعاتی را در این زمینه صورت داده‌اند.

فعالیت‌های علمی و تخصصی در این زمینه طی دهه‌های اخیر، علم زیست اقلیم شناسی انسانی را به وجود آورده است. این علم شاخه جدیدی از علم اقلیم شناسی است که از همکاری علوم زیست شناسی انسانی و اقلیم شناسی کاربردی تشکیل و توسعه یافته است (اسماعیلی و همکاران،1390،42). هدف از این علم ارزیابی تاثیرات هوا واقلیم برروی موجودات زنده بخصوص انسان است (کاویانی: 1372 75).

بکارگیری اطلاعات زیست اقلیم در زمینه‌های علوم کاربردی از قبیل، معماری و طراحی شهری (Gulyas at al,2005,1713) (K. at al ,2010,319 Vanos) (Hwang at al,2011,5) بهداشت و سلامت (Thorsson,2004,149)  (17.Jendritzky and Tinz,2009,)، گردشگری و تفریح (Lin and matzarakis ,2011,492) (171 Matzarakis,2001,) (Lin. at al ,2010,319 ) مطالعه تاثیرات اقلیمی (Shiue & Matzarakis, 2010, 54,)( Moreno and Amelung, 2009, 550) و غیره بسیار مورد تقاضا و توجه است. دستیابی به این اطلاعات در جهت برنامه ریزی صحیح و مطابق با محیط جوی است که در جهت رسیدن به توسعه پایدار صورت می گیرد.

 اصولا زیست اقلیم شناسی اثر پیچیده و توامان متغیرهای آب و هوایی را بر بدن انسان به شکلی ساده و در قالب شاخص‌های زیست اقلیمی ارائه می دهد. این شاخص‌ها غالباً به صورت عددی بیان می گردند تا برای عموم قایل درک باشند و علاوه بر آن امکان مقایسه مکان‌های مختلف از دیدگاه زیست اقلیمی فراهم گردد(De freitas,2001,4).

درطی عمر چند دهه ای علم نوین زیست اقلیم‌شناسی انسانی بالغ بر 200 شاخص ارائه شده است که به طور کلی می توان آنها را در سه دسته طبقه‌بندی کرد (اسماعیلی،34،1390). دسته اول، شاخص‌های اولیه تجربی مثل شاخص عدم آسایش (تام[1]،1959) سوز باد (سیپل[2]،1945) و دمای محسوس (استیدمن[3]، 1979) است که غالباً تجربی و اثبات نشده‌اند. دسته دوم شاخص‌های ترکیبی و بیوکلیماتیکی مثل شاخص اولگی[4] (1973) ترجونگ[5](1968) و شاخص[6]TCI (1985) هستند که تعداد بیشتری از متغیر‌های اقلیمی را لحاظ می کنند. در نهایت دسته سوم شاخص‌های دما- فیزیولوژیک[7] که از معادله انرژی بدن انسان مشتق می شوند و به عنوانکاملترین شاخص‌ها شناخته می شوند(اسماعیلی،34،1390). از جمله معروفترین این دسته از شاخص‌ها می‌توان به[8]PET و[9] PMV ((Matzarakis and mayer 1997(Hoppe,1999) (VDI,1998) (Matzarakis et al ,1999)،[10] (Gagge et al.,1986) SETو Dear, 2003) Out_SET (Spangolo and اشاره کرد.

علاوه برضرورت بکارگیری شاخص‌های جامع و کامل در زیست اقلیم شناسی استفاده از مقیاس زمانی ریز(مثل روزانه یا ساعتی) دارای اهمیت ویژه ای در بکارگیری بهتر نتایج می باشد. بررسی منابع علمی در ایران نشان می دهد علی رغم فراوانی تحقیقات در این زمینه، غالب تحقیقات صورت گرفته شده با استفاده از شاخص‌های قدیمی و ترکیبی مثل اولگی و گیونی (کسمایی، 1369) ترجونگ (کاویانی،1372) TCI (فرج زاده و علی آبادی،1388) و غیره است که در مقیاس زمانی ماهانه صورت گرفته است. از جمله که فعالیت‌هایی که در مقیاس زمانی روزانه و با استفاده از شاخص‌های جدید صورت گرفته می توان به تحقیقاتی ذوالفقاری (1387) اسماعیلی و همکاران(1389) و (اسماعیلی و همکاران، 1390) اشاره کرد. و تنها تحقیق صورت گرفته شده در مقیاس ساعتی مربوط به رساله پاینده (1384) است. هدف از تحقیق حاضر تعیین محدوده‌های بیوکلیماتیک شهر مشهد (به عنوان دومین کلان شهرایران و پایتخت مذهبی کشور) با ستفاده از شاخص ترموفیزیولوژیک دمای معادل فیزیولوژیک در مقیاس زمانی ساعتی است.

روش شناسی

مدل بیلان انرژی بدن انسان

به استثناء عنصر گرمایی عمدتاً پاسخ انسان به اقلیم موضوعی احساسی است (دی فرتیاس: 2001،16) و به همین دلیل اکثر محققان اقلیم آسایشی، در گذشته روی عنصر گرمایی تاکید بیشتری داشتند. اما امروزه عقیده بر این است در ارزیابی‌های زیست اقلیم شناسی باید اثر توام همه عناصر اقلیمی و اجزاء حرارتی محیط دخالت داده شوند.یک چنین دید گاه‌هایی منجر به ارائه و توسعه مدل‌های بیلان انرژی بدن انسان گردید. که از اوایل دهه 1960، در ارزیابی آسایش حرارتی بدن انسان بیش از پیش مورد توجه قرار گرفتند. از جمله مهمترین مدل‌های که برای شرایط بیرون ارائه شده‌اند می توان به مدل براون و جیلسپی[11] (1986)، مدل بودیکو[12] (Budyko, Cicenko, 1960)، مدل هبیدکس و استبیدکس[13] (de Freitas, 1985, 1990)، مدل کلیما- میکل[14] (Jendritzky, 1990)، ممی[15] (Hoppe, 1984)، منکس[16] (Blazejczyk, 1994 اشاره کرد. در این میان مدل MEMI[17] که توسط فانگر[18] درسال 1972 ابداع و تشریح شد بسیار مورد اقبال واقع شده است. این مدل برای تعیین مقادیر واقعی شارهای حرارتی و دماهای بدن انسان در یک محیط معین با فرض اینکه اتلاف حرارتی پوست با حرارت تولید شده توسط خون و حرارات منتقل شده از مرکز بدن به سطح پوست برابر باشد مورد استفاده قرار می گیرد. فانگر بر اساس این مدل، شاخص‌های حرارتی متوسط آراء پیش بینی شده (pmv) و پیش بینی درصد افراد ناراضی[19](ppd) را جهت کمک به مهندسین تهویه هوا در شرایط آب و هوای داخل اتاق(محیط بسته) ارائه کرد. دو دهه بعد جیندرتزکی[20] و همکارانش (1990) موفق شدند، روش پیچیده فانگر را با اختصاص متغیر‌های مناسب برای شرایط بیرون نیز تنظیم کنند (Thomson et al:2008,164). مدل MEMI جزء مدل‌های موازنه حرارتی ترمو- فیزیولوژیک است که به عنوان اساسی جهت بدست آوردن شاخص‌های PMV، PET محسوب می گردد. جزئیات مدل MEMI بر مبنای معادله بیلان انرزی بدن انسان استوار است و معادله آن به شرح ذیل است(72، Hoppe;1999):

معادله (1)

M +W + R +C + E D + E Re + E Sw + S = 0    

در این معادله:

=M نرخ سوخت و ساز بدن=W خروجی کار فیزیکی= R تابش خالص بدنC =جریان حرارت همرفتی=ED جریان حرارت نهان تبخیری آب از پوست=ERE مجموع جریان‌های حرارتی موثر در گرمایش و تبخیر و تعرق و=ESW جریان هوای موثر در تبخیر و تعرق بدن می باشد.در این معادله واحد همه عبارت‌ها بر حسب وات بوده و معمولاًM مثبت وW، EDو ESW اغلب منفی است. اگر بدن انسان در حال کسب انرژی باشد معادله تماماً مثبت و اگر در حال از دست دادن انرژی باشد عبارتهای معادله منفی خواهد بود. معادله فوق توسط متغیر‌های آب و هواشناسی زیر کنترل می شود (VID,1998,18)(HOPPE,1999,74).

 - درجه حرارت هوا: C، ERE  

- رطوبت هوا: ED، ERE، ESW

- سرعت باد: C، ESW

- متوسط دمای تابشی: R

دسترسی به متغیرهای درجه حرارت، رطوبت نسبی هوا و سرعت باد به آسانی در دسترس می باشد، اما میانگین دمای تابشی[21]() که یکی از مهمترین متغیرهای ورودی در محاسبه بیلان انرژی بدن انسان است، در ایستگاه‌های هواشناسی ثبت نشده و جهت محاسبه آن باید خصوصیات مربوط به سطوح تابشی، عامل منظر و شرایط بدن انسان (نشسته یا ایستاده ) مد نظر قرار گیرد. برای محاسبه () کل محیط بدن انسان به n سطح همدمای  و ضریب انتشارتقسیم می شود که برای هر نسبت زاویه ای جسم (فاکتور‌های زاویه ای) به عنوان فاکتورهای وزنی استفاده می شوند. تابش موج بلند  و تابش موج کوتاه پراکنده(Di) از هر یک از nسطح ساطع می شود (Fanger, 1972,122; Jendritzky et al. 1990,315). این نتایج در داخل معادله ای به شکل زیر جهت محاسبه() استفاده می شود

معادله (2)

 

 در این معادله:

=  تابش طول موج بلند

 = ضریب استفان بولتزمن برابر با           

 = ضریب انتشار بدن انسان (مقدار استاندارد برابر 97/0 می باشد)

 = مجموع تابش خورشیدی پخش شده و تابش جهانی انعکاسی

=  ضریب جذب امواج کوتاه تابیده شده به سطح بدن انسان (مقدار استاندارد برابر 7/0 می باشد)

در صورتی که تابش مستقیم وجود داشته باشد معدله  به  (معادله 3) تبدیل می شود:

 

 

 

معادله (3)

 

در معادله فوق

  شدت تابش خورشیدی در یک سطح عمود بر جهت تابش دریافتی

 = تابعی از جهت تابش دریافتی و وضع بدن انسان می باشد. دامنه  از 308/0 برای زاویه صفر تا 082/0 برای 90 درجه ارتفاع خورشیدی تغییر می کند. مشکل اساسی در رابطه با عامل زاویه است. در صورت وجود سطوح بزرگتر و بدون حضور موانع افقی، تعیین کمیت آسانتر است و در این صورت زاویه برخورد را می توان 5/0 در نظر گرفت.

محاسبه شاخص دمای معادل فیزیولوژیک

محاسبه متوسط دمای تابشی یکی از مولفه‌های اساس جهت حل معادله MEMI و دستیابی به شاخصPET می باشد با توجه به پیچیده و وقت گیر بودن محاسبات ماتزارکیس استاد موسسه هواشناسی دانشکده فرایبورگ در سال2001 مدل نرم افزاری ریمن[22] را ارائه کرد که قابلیت برآورد متوسط دمای تابشی در حد قابل قبولی در محیط‌های ساده و محیط‌های ویژه شهری داشت(Matzarakis at al,2007,56). یکی از مهمترین خروجی این مدل شاخص دمای معادل فیزیولوژیک(PET) است که از جامع ترین و پرکاربردترین شاخص‌ها، جهت ارزیابی شرایط زیست اقلیمی محسوب می‌گردد. (Matzarakis:2007,146). مزیت اصلی این شاخص، ارائه برحسب واحد سلسیوس بوده که نتایج حاصل را برای استفاده کنندگان و برنامه‌ریزان بخش‌های مختلف که ممکن است آشنایی با اصطلاحات زیست اقلیمی نداشته باشند، قابل درک می‌کند. در جدول (1) آستانه‌های عددی طبقه بندی این شاخص همراه با وضعیت توصیفی شرایط فیزیولوژیکی و حساسیت گرمایی آورده شده است. مدل ریمن جهت انجام محاسبات نیازمند چهار دسته از داده‌های می باشد، دسته اول، داده‌های موقعیتی شامل طول، عرض و ارتفاع محل، دسته دوم داده‌های اقلیمی شامل درجه حرارت، رطوبت نسبی، فشار بخار آب، سرعت باد و ابرناکی، دسته سوم مشخصات فردی شامل قد، وزن و جنسیت می باشد که بطور پیش فرض قد- 175 سانتیمتر، وزن 75 کیلوگرم و نوع جنسیت مرد در نظر گرفته شده است. ودر نهایت داده‌های ترموفیزیولوژیکی، شامل میزان فعالیت و نوع پوشش که بصورت پیش فرض میزان فعالیت 4 کیلومتر بر ساعت و ارزش نارسایی لباس 9/0 کیلو در نظر گرفته می شود (Matzarakis,2001). بنابراین امکان تنظیمات مختلف برای گروه‌های خاص (مثل گروه سنی خاص یا نوع فعالیت و پوشش‌های مختلف) نیز وجود دارد که به فراخور نیاز کاربران می تواند تنظیم گردد. ارزیابی صورت گرفته شده برای ساعت‌های 6-12 و16 UTC می باشد که مطابق با9:30،015:30و21:30 به وقت محلی است. متغیر‌های اقلیمی (دسته دوم داده‌ها) بر اساس مقادیر میانگین گیری شده برای دوره آماری 20 ساله 1387-1368 از سازمان هواشناسی خراسان رضوی اخذ گردید. علاوه بر آن فراوانی وقوع پدیده‌های حدی و اقلیمی که بر آسایش اقلیمی و تجربه انسان از محیط آب و هوایی تاثیر گذار است در مقیاس زمانی ماهانه محاسبه و ارائه شده است.

جدول1- مقادیر آستانه شاخص PETدر درجات مختلف حساسیت انسان

PET oC

حساسیت گرمایی

درجه تنش فیزیولوژیکی

4

بسیار سرد

تنش سرمایی بسیار زیاد

8

سرد

تنش سرمایی زیاد

13

خنک

تنش سرمایی متوسط

18

کمی خنک

تنش سرمایی اندک

23

آسایش

بدون تنش

29

کمی گرم

تنش گرمایی اندک

35

گرم

تنش گرمایی متوسط

41

داغ

تنش گرمایی زیاد

 

بسیار داغ

تنش گرمایی بسیار زیاد

Matzarakis at al;1999,78))

یافته‌های پژوهش

ارزیابی ساعتی

بسیاری از استفاده کنندگان و برنامه ریزان محیطی خواهان دسترسی به اطلاعات اقلیمی و زیست اقلیمی در مقیاس زمانی ریز( مثل ساعتی) هستند تا بتوانند شرایط زیست اقلیم را برای ساعات فعالیت خود بررسی کنند. به طور مثال اکثر فعالیت‌های اداری و آمور آموزشی در صبح‌ها صورت می گیرد یا غالب فعالیت‌های و مسابقات ورزشی، امور خرید و گردشگری در بعد از ظهر‌ها و یا ساعات اولیه شب صورت می‌گیرد. بنابراین، دسترسی به اطلاعات زیست اقلیم در طی این ساعات بسیار اهیت دارد. علاوه بر آن ارقام میانگین فاقد معنای فیزیو لوژیکی هستند و ممکن است ارقام بدست آمده از میانگین اصلا در محیط جوی رخ نداده باشد که مورد ارزیابی قرار گیرد. در تحلیل صورت گرفته شده ساعات ارزیابی شده به نمایندگی از بخش‌ها زمانی صبح (ساعت30: 09)، عصر(ساعت 15:30) و سر شب (ساعت 21:30) در نظر گرفته شده است. نتایج خروجی از مدل ریمن بر اساس طبقات تنش‌های فیزیولوژیک شاخص PET (جدول 1) به صورت ماتریسی مشتمل بر 365 سلول که نشان دهنده کل طول سال ارائه شده است. این شیوه ابتکاری ارائه نتایج،تحلیل و ارزیابی شرایط زیست اقلیم طول سال را بسیار آسان می‌کند (شکل1).

 

 

 

 

 

شکل 1- طبقه‌بندی شاخصPET بر اساس تنش‌های فیزیولوژیک در ساعات 09:30، 15:30و 21:30 برای دوره آماری1387-1368 شهر مشهد

 

طبق شکل 1 شرایط زیست اقلیم در روزهای اولیه فروردین ماه همراه با تنش‌های سرمایی است هرچند شرایط در بعد از ظهر‌ها بدلیل درجه حرارت‌های بالاتر کمی متعادل تر و نزدیک به شرایط آسایش کامل است. با افزایش درجه حرارت هوا وجود تنش‌های گرمایی (23PET>) نیز آغاز می‌گردد اواسط اردیبهشت ماه را باید شروع تنش‌های گرمای در شهر مشهد دانست. طی دوره گرم سال کل ایران زیر منطقه پرفشار حاره‌ای(STHP) قرار می‌گیرد که باعث پایداری و خشکی هوا می‌گردد (علیجانی، 1381). شدیدترین تنش‌های گرمایی (35PET>) که احساس حرارتی داغ را به همراه دارد مربوط به ساعت 15:30دقیقه است که از اواخر خرداد شروع و تا اوایل شهریور ادامه دارد (69 روز از سال) دلیل وقوع چنین تنش‌های گرمایی بالایی را باید پرتوافکنی شدید خورشید به دلیل زاویه نسبتاً عمود و آسمان صاف دانست که باعث ثبت دماهای حداکثری همراه با فشار بخار آب پایین در این ساعات می گردد. تنش‌های گرمایی(متوسط و زیاد) در صبح‌ها به صورت پراکنده در تیر و مرداد ماه ( 29روز از سال) وجود دارد. اما در شب‌ها بدلیل عدم وجود تابش خورشیدی که بشدت متوسط دمای تابشی را بالا می‌برد (Hoppe and Mayer ,1999,79) تنش‌های گرمایی در هیچ یک از روز‌های سال دیده نمی شود.روز‌های همراه با آسایش کامل اقلیمی (23>PET>18) صبح‌ها (ساعت15:30) و بعد از ظهر‌ها (ساعت15:30) در دو بازه زمانی واقع شده است دوره اول آن در اوایل فصل بهار و به طور متوسط ازدهه دوم فروردین ماه آغاز و تا20 اردیبهشت ماه تداوم دارد.

تعداد روزهای همراه با آسایش اقلیمی طی این دوره بترتیب 24 و25 روز برای صبح‌ها و عصر‌ها بدست آورده شده است. دوره دوم آسایش اقلیمی بعد از سپری شدن فصل گرم سال و به صورت پراکنده در طی مهر ماه اتفاق می افتد تعداد این روز‌ها برای صبح‌ها 14 و برای عصر‌ها 21 روز می باشد که نسبت به دوره ابتدای سال کوتاهتر است. اما شرایط در ساعات 21:30 کاملا متفاوت است.دوره آسایش اقلیمی به صورت یک دوره ممتد 59 روز در طی ماه‌های تیر و مرداد ماه اتفاق می‌افتد.

 با نزدیک شد به فصل سرد سال تنش‌های سرمایی(PET>18) ظاهر می گردند. نفوذ زبانه‌های پرفشار ترمو دینامیکی سیبری و ریزش هوای سرد و خشک به شمال شرق ایران در طی فصل سرد سال (علیجانی، 1381) را می‌توان باعث وجود تنش‌های سرمایی در این دوره دانست که محدودیت‌های زیست اقلیمی را به وجود می آورد. شدیدترین و طولانی ترین تنش‌های سرمایی (احساس حرارتی سرد و خیلی سرد) در بین ساعات بررسی شده مربوط به ساعت 21:30 است. طبق شکل2،44 درصد از شب‌های سال احساس حرارتی بسیار سرد در شهر مشهد حاکم است که بر اساس ماتریس روزانه شرایط (شکل1) این تنش‌ها در دو دوره توزیع شده است دوره اول در ابتدای سال تا تقریباً 19 فروردین ماه و دوره دوم از ابتدای آبان شروع وتا آخر سال ادامه دارد. به استثناء دهه اول فروردین ماه، تنش‌های سرمایی در بخش زمانی صبح و عصر‌ها در 7 ماه اول سال دیده نمی‌شوند.

طبق شکل 2 فراوانی غالب زیست اقلیمی شهر مشهد در صبح‌ها احساس حرارتی خیلی سرد با 24درصد و بعد از آن احساس گرم (20درصد) است. اما به طور مشخص احساس حرارتی داغ (با فراوانی 19درصد) در ساعات بعد از ظهر غالب است. همچنین تنها شرایط خیلی داغ در این ساعات رخ می دهد اگرچه شرایط احساس حراتی داغ در ماتریس روزانه (شکل1) بدلیل معدل گیری دوره 20 ساله دیده نمی شود اما در شکل 2 که بر اساس فراوانی وقوع در کل روز‌های دوره محاسبه شده است2.3درصد را نشان می دهد.

 

 

 

شکل 2 – فراوانی وقوع شاخص PET بر اساس طبقه بندی احساس حرارتی در ساعات09:30، 15:30 و 21:30 برای دوره آماری1387-1368شهر مشهد

 

 

در شکل 3 روند تغییرات شاخصPET در ساعات09:30،15:30،21:30و همچنین میانگین شبانه روزی آن نشان داده شده است. بر طبق جدول 1 محدوده عددی 18 الی 23 درجه سانتیگراد شاخص به عنوان منطقه آسایش(بدون تنش) است که به صورت‌هایلایت نشان داده شده است. به طور مشخص روند تغییرات شاخص PET در طول سال حالتی نوسانی دارد که نقطه اوج آن که همراه با مقادیر بالای شاخص (اعداد بالای 35 درجه) و احساس حرارتی گرم و داغ است از اواسط ماه خرداد شروع و تا اواسط شهریور ماه ادامه دارد. نقطه کمینه این منحنی در اوسط دی ماه قرار دارد. اگر چه چند روز اول فروردین ماه همراه با تنش‌های سرمایی است و نمودار شاخص PET در زیر منطقه آسایش است اما از اواسط فروردین تا تقریباً تا اوایل خرداد ماه در منطقه آسایش قرار دارد. با گرمتر شدن هوا تنش‌های گرمایی نیز شروع می شوند. بالاترین تنش‌های گرمایی مربوط به منحنی ساعات 15:30 بعد از ظهرهاست و در زیر آن بترتیب منحنی ساعات 09:30 و سپس میانگین روزانه و در نهایت منحنی ساعت 21:30 قرار دارد بیشترین اختلاف این منحنی با ساعات دیگر در فصل گرم سال دیده می شود. بنظر می‌رسد به دلیل دخالت داده دماهای حداقلی و حداکثری منحنی روزانه شرایطی شبیه به منحنی ساعت9:30 دارد. به استثناء منحنی ساعت 21:30 بر قررار ی شرایط آسایش به عنوان یک دوره کوتاه و زود گذر در عبور از از فصل سرد به دوره گرم سال و بالعکس حادث می‌شود. به تبعیت از روند تغییرات درجه حرارت هوا نقطه اوج منحنی PET در تیر ماه و نقطه کمینه آن در دی ماه واقع شده است یک چنین الگویی در منحنی سالانه درجه حرارت کشور نیز دیده می‌شود (مسعودیان و کاویانی، 1387).

 

 

 

شکل3 - روند تغییرات شاخص PET برای ساعات 09:30،15:30و21:30 وضعیت آسایش اقلیمی

(23>PET>18) با رنگ سبز نشان داده شده است


فراوانی وقوع پدیده‌های موثر بر آسایش اقلیمی

 اگر چه اطلاعات منفرد اقلیمی (از قبیل درجه حرارت، رطوبت نسبی، سرعت باد وغیره) و یا اثر ترکیبی پارامترهای جوی از قبیل آسایش حرارتی و شاخص‌های زیست اقلیمی بسیار مورد توجه و استفاده کنندگان اطلاعات زیست اقلیمی می باشد، اما کماکان در ارزیابی سیستماتیک اثر جو و پارامتر‌های آن بر انسان دارای محدودیت‌هایی هستند. ازینرو لازم است همراه با اطلاعات زیست اقلیمی، اطلاعات تکمیلی دیگری همچون مولفه‌های فیزیکی و زیبا شناختی نیز در نظر گرفته شوند تا به ارزیابی جامعی از شرایط زیست اقلیمی دست یابیم
(De freitas,1990). شکل 4 فراوانی وقوع هر یک از طبقات احساس حرارتی شاخص PET (جدول1) و توزیع آنها را در مقیاس ماهیانه نشان می دهد. طبق این شکل تنش‌های سرمایی ویژگی غالب شهر مشهد است. علاوه بر آن بر فراوانی وقوع هر یک از مولفه‌های حرارتی (شامل آسایش دمایی، استرس سرمایی و گرمایی) و مولفه‌های زیبا شناختی از قبیل ابرناکی و مه همچنین مولفه‌های فیزیکی از قبیل سرعت باد، بارندگی و یخبندان بر اساس آستانه‌های تعریف شده در جدول 2 محاسبه و نتایج آن در شکل 5 نشان داده شده است. همه محاسبات در محیط اکسل 2007 و در مقیاس زمانی ماهیانه صورت گرفته است. یکی از مهمترین بخش‌هایی که شدیداً به شرایط اقلیمی و جوی وابسته است و نیاز مبرم به اطلاعات جامع زیست اقلیم دارد بخش گردشگری است. با توجه به این که مشهد یکی از قطب‌های گردشگری کشور محسوب می‌گردد این اطلاعات می تواند مورد استفاده برنامه‌ریزان و دست اندرکاران این بخش قرار گیرد. و براساس فراوانی و احتمال وقوع هر یک از پدیده، تمهیدات لازم در نظر گرفته شود (به طور مثال احتمال مواجه شدن با بارندگی، یخبندان یا تنش‌های فیزیولوژیکی).

 

 

 

شکل 4- دیاگرام فراوانی وقوع طبقات احساس حرارتی شاخص PET

بر حسب مقاس زمانی ماهانه شهر مشهد دوره آماری1387- 1368

 

جدول 2- پدیده‌های تاثیر گذار بر آسایش اقلیمی و آستانه‌های هر کدام (Matzarakis,2007)

مولفه

تعاریف

محقق

آسایش اقلیمی

18 °C <PET<29 °C

Matzarakis ,2007

استرس سرمایی

PET< 8 °C

Matzarakis ,2007

استرس گرمایی

PET > 35 °C

Matzarakis and Mayer, 1996

روز داغ

PET > 41 °C

Matzarakis and Mayer, 1996

روز طوفانی

Wind speed > 8 m/s

Besancenot,1990, Gomez martin, 2004

روز مرطوب

Precipitation > 5 mm

Matzarakis ,2007

روز آفتابی

Sky cover < 5/8

Gomez martin, 2004

روز همراه با مه

Relative humidity >93 %

Matzarakis ,2007

روز بارانی

Precipitation > 1 mm

Matzarakis ,2007

 

 

شکل5- احتمال وقوع پدیده‌های موثر بر آسایش اقلیمی شهر مشهد برای دوره 1387-1368

 


- نتیجه‌گیری

بر این اساس نتایج به دست آمده، دوره آسایش اقلیمی شهر مشهد در دو بازه زمانی مجزا از همدیگر قرار دارد دوره اول در ابتدای فصل بهار و دوره دوم آن در انتهای دوره گرم و همزمان با آغاز دوره سرد می باشد که تعداد روز‌های آسایش در دوره اول بیشتر است. در طی ساعات بررسی شده بیشترین فراوانی وقوع شرایط همراه با آسایش شهر مشهد، با 59 روز از کل سال مربوط به ساعت21:30 است که بر خلاف ساعات صبح و عصر به صورت پیوسته در طی ماه‌های تیر و مرداد رخ می‌دهد. نکته قابل توجه تفاوت فاحش در شرایط زیست اقلیمی در فصل گرم سال(ماه‌های خردا، تیر،مرداد و شهریور) است، در شرایطی که نتایج ارزیابی شرایط صبح‌ها و به خصوص عصر‌ها را همراه با تنش‌های گرمایی زیاد نشان می دهد، ساعات سر شب (21:30) طی این مدت در بهترین شرایط زیست اقلیم قرار دارد. همچنین تعداد روز‌های همراه با آسایش برای ساعت‌های 09:30 و15:30 بترتیب 38 و 46 روز بدست آورده شده است. بیشترین تنش‌های سرمایی با 44 درصد فراوانی (160روز) مربوط به ساعت 21:30 شب می باشد و رتبه دوم با 24 درصد(87 روز) مربوط به ساعت 09:30 صبح است. بدلیل وقوع دماهای حداکثری در بعد از ظهر‌ها بیشترین تنش‌های گرمایی با 19 درصد فراوانی(69 روز) در این زمان از روز رخ می دهد. همچنین تنها شرایط خیلی داغ (با فراوانی3.2درصد)در طی این ساعت از روز اتفاق می‌افتد. روند تغییرات منحنی‌های شاخص PET در طی سال حالتی گوسی دارد در ابتدای سال منحنی‌هایPET در زیر منطقه آسایش قرار دارد (دارای تنش سرمایی) تقریباً از اواسط فروردین تا اوایط خرداد ماه در منطقه آسایش اقلیمی قرار می گیرد. تقریباٌ او خرداد ماه تنش‌های گرمایی آغاز می گردد. بالاترین تنش‌های گرمایی(PET>41) در بعد از ظهر‌های تیر ماه رخ می‌دهد. با کاسته شدن از گرمای هوا منحنی شاخص PET حالتی نزولی به خود می گیرد و بعد از عبور از منطقه آسایش تقریباً از اوسط آبان ماه تنش‌های سرمایی آغاز می‌گردد که تا انتهای سال تداوم دارد. کمترین مقادیر شاخص در منحنی سالانه (شکل3) در طی ساعات برررسی شده مربوط به ساعت21:30 است که با اختلاف 5 الی10 درجه سانتیگرادی در زیر بقیه منحنی‌ها قرار دارد. بیشترین این اختلاف مربوط به فصل تابستان است. با توجه به تداوم و شدت تنش‌های سرمایی در طی فصل سرد سال به نظرمی رسد عمده ترین محدودیت زیست اقلیمی شهر مشهد طی ساعات بررسی شده، وجود تنش‌های سرمایی بسیار زیاد و طولانی است. همچنین وجود تنش‌های گرمایی طی ماه‌های تیر و مرداد که در بعداز ظهر‌ها احساس حرارتی داغ و گاهاً بسیار داغ را به وجود می آورد عمده ترین محدودیت زیست اقلیم دوره گرم سال است. همچنین بررسی احتمال وقوع پدیده موثر بر آسایش اقلیمی نشان می دهد بیشترین احتمال روز‌های آسایش در مهر ماه واقع شده است (با احتمال50 درصد) و کمترین آن مربوط به آذر، دی و بهمن ماه (احتمال5درصد) است. بیشترین احتمال وقوع استرس سرمایی(PET<8) با احتمال80 درصد مربوط به دی و بهمن ماه است. در مقابل احتمال وقوع استرس گرمایی(PET>35) با 40 درصد مربوط به تیر و مرداد ماه می باشد. طبق نتایج ارائه شده در شکل5، طی 5 ماه از سال(خردا تا مهر) به احتمال 90 درصد روزها همراه با شرایط آفتابی خواهد بود. یشترین احتمال وقوع یخبندان مربوط به بهمن ماه با احتمال80 درصد است. وبالاترین احتمال وقوع بارندگی با 30 درصد مربوط به ماه‌های بهمن و اسفند است.



[1] - Thom

[2] - Siple

[3] -Steadman

[4] -0lgay

[5] - Terjung

[6] - Tourism Climate Index

[7] - Thermo-Physiological

[8] - Physiological Equivalent Temperature

[9] - predict Mean Vote

[10] - Standard Effictive Temperature

[11] - Brone and Gillespie

[12] - Budyko

[13] - HEBIDEX and STEBIDEX

[14] - Klima-Michel

[15] - MEMI

[16] - MENEX

[17] - Munich Energy Balance Model for Individuals

[18] -Fanger

[19] - Predicte Precentage Dissatisfied

[20] -Jendritzky

[21] -Mean Radiant Temperature

[22] - Rayman

اسماعیلی، رضا،1390، پهنه بندی اقلیم آسایشی کشور با استفاده از شاخص دمای معادل فیزیولوژیک، رساله دکتری اقلیم شناسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، به راهنمایی دکتر گندمکار و دکتر منتظری

اسماعیلی، رضا، گندمکار، امیر، حبیبی نوخندان، مجید،1390، ارزیابی اقلیم آسایشی چند شهر اصلی کشور با استفاده از شاخص دمای معادل فیزیولوژیک، مجله پژوهش‌های جغرافیایی طبیعی، شماره 75، بهار 1390

اسماعیلی، رضا، صابر حقیقت، اکرم، ملبوسی، شراره، 1389، ارزیابی شرایط اقلیم آسایشی بندر چابهار در جهت توسعه گردشگری، مجموعه مقالات چهارمین کنگره جغرافیدانان جهان اسلام، بهار 1389زاهدان،156 -164.

پاینده، نصرالله، (1384)، پهنه بندی دمای مؤثر درسطح کشور با تاکید بر جغرافیایی نظامی، رساله دکتری اقلیم شناسی دانشگاه اصفهان، به راهنمای دکتر کاویانی و دکتر غیور

ذوالفقاری، حسن، (1386)، تعیین تقویم زمانی مناسب گردشگری در تبریز با استفاده از شاخص‌های PET وPMV، پژوهش‌های جغرافیایی، شماره 62صص129-141

فرج‌زاده، منوچهر، احمد آبادی، علی، (1389)، ارزیابی و پهنه بندی اقلیم گردشگری ایران با استفاده از شاخص اقلیم گردشگریTCI، پژوهش‌های جغرافیایی طبیعی، شماره 71 صص42-31

علیجانی، بهلول، (1381)، آب و هوای ایران، انتشارات پیام نور، چاپ ینجم

کاویانی، محمد رضا، (1372)، بررسی نقشه زیست اقلیم انسانی ایران، فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، شماره 27

کسمایی، مرتضی، (1369)، اقلیم و معماری، نشر خاک، اصفهان،فصل دوم ص 15-13.

مسعودیان، ابوالفضل، کاویانی، محمد رضا، (1387)، اقلیم شناسی ایران، انتشارات دانشگاه اصفهان

Blazejczyk K (1994) New climatological-and-physiological model of the human heat balance outdoor (MENEX) and its applications in bioclimatological studies in different scales. [in:] Blazejczyk K, Krawczyk B, Bioclimatic research of the human heat balance. Zeszyty IGiPZ PAN, 28 pp. 27-58.

Brown R D, Gillespie T J (1986) Estimating outdoor thermal comfort using a cylindrical radiation thermometer and an energy budget model. Int J Biometeorol, 30, 1: 43-52.

Budyko M I, Cicenko G V (1960) Climatic factors of thermal sensations in humans. (in Russian), Izv AN SSR, Geogr, 3: 3-11.

de Freitas, C.R. (2001) Theory, concepts and methods in climate tourism research. Proceedings ofthe first international workshop on climate, tourism and recreation. (Ed.) A. Matzarakis and C.R. de Freitas. International Society of Biometeorology, Commission on Climate Tourism and Recreation. 3-20

de Freitas C R (1985) Assessment of human bioclimate based on thermal response. Int J Biometeorol, 29: 97-119.

Fanger, P. O. (1972). Thermal comfort. New York: McGraw Hill.

Gagge, A. P., Fobelets, A. P., & Berglund, L. G. (1986). A standard predictive index of human response to the thermal environment. ASHRAE Transactions, 92,709e731.

Gulya sa, Agnes , Ja nos Ungera, Andreas Matzarakis(2006), Assessment of the microclimatic and human comfort conditions in a complex urban environment: Modelling and measurements, journal of  Building and Environment 41 (2006) 1713–1722

Höppe P (1984) Die Energiebilanz des Menschen. Wiss Mitt Met Inst Univ Munchen, 49.

Hoppe P (1999) The Physiological Equivalent Temperature-aUniversal Index for the Biometeorological Assessment of the Thermal Environment. Int. J.Biometeorology. 43:71-75.

Hwang, Ruey-Lung, Tzu-Ping Lin b, Andreas Matzarakis(2010) Seasonal effects of urban street shading on long-term outdoor thermal comfort , journal of  Building and Environment, doi:10.1016/j.buildenv.2010.10.017

Jendritzky G (1990) Bioklimatische Bewertungsgrundlage der Räume am Beispiel von mesoskaligen Bioklimakarten, [in:] Schirmer H (ed), Methodik zur räumlichen Bewertung der thermischen Komponente im Bioklima des Menschen, ARL Hannover, 114, pp. 7-69.

Jendritzky, G Birger Tinz(2009), The thermal environment of the human being on the global scale, Global Health Action 2009. 2009 Gerd Jendritzky and Birger Tinz. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-Noncommercial 3.0 Unported License

Lin ,Tzu-Ping and Andreas Matzarakis (2011), Tourism climate information based on human thermal perception in Taiwan and Eastern China, Journal of Tourism Management, 32 (2011) 492-500

Lin, T. P and Richard de Dearb and Ruey-Lung Hwangc. (2010). Effect of thermal adaptation on seasonal outdoor thermal comfort. INTERNATIONAL JOURNAL OF CLIMATOLOGY Int. J. Climatol. (2010) Published online in Wiley InterScience

Matzarakis, A., 2007: Assessment method for climate and tourism based on daily data. In: A. Matzarakis, C. R. de Freitas, D. Scott (Eds.), Developments in Tourism Climatology, 52-58

Matzarakis, A. (2001).Climate and Bioclimatic Information for the Tourism in Greece. Proceedings of the 1st International workshop on climate, tourism and recreation. International society of biometeorology, commission on climate, tourism and recreation. 171-182

Matzarakis, A., Mayer, H., & Iziomon, M. G. (1999). Applications of a universal thermal index: physiological equivalent temperature. International Journal of Biometeorology, 43, 76e84

Matzarakis, A., Rutz, F., Mayer, H., (2007) Modelling radiation fluxes in simple and complex environments—application of the RayMan model. International Journal of Biometeorology 51, 323-334.

Mieczkowski, Z. (1985). The tourism climate index: a method for evaluating world climates for tourism. The Canadian Geographer, 29, 220e233.

Moreno, Alvaro and Amelung, Bas(2009) 'Climate Change and Tourist Comfort on Europe's Beaches in Summer: A Reassessment', Coastal Management, 37: 6, 550 — 568, First published on: 01 November 2009 (iFirst)

Nielsen B, Kassow K, Aschengreen F E (1988) Heat balance during exercise in the sun.Europ J Appl Physiolog, 58: 189-196.

  • olgay,v,1973,design with climate ,Princeton university press.,p.185
Siple PA, Passel CF (1945) Measurements of dry atmospheric cooling in subfreezing temperatures. Proc Am Philos Soc 89:177–199

Shiue, Ivy and Andreas Matzarakis, Estimation of the tourism climate in the Hunter Region, Australia, in the early twenty-first century, International journal of biometeorology DOI 10.1007/s00484-010-0369-2

Spagnolo J, de Dear R(2003)A field study of thermal comfort in outdoor and semi-outdoor environments in subtropical Sydney Australia. Building and Environment;38:721–38.

Steadman, R. G. (1979). The assessment of sultriness. Part I. A temperature humidity index based on human physiology and clothing science. Journal of Applied Meteorology, 18, 861e873

Terjung, W.H.1968., World Patterns of the Monthly Comfort Index. International journal of biometeorology, vol., 12, n. 2, pp. 119 –123, 141.

Thom EC (1959) The discomfort Index. Weatherwise 12:57–60VDI (1998) Methods for the human-biometerological assessment of climate and air hygiene for urban and regional planning.Part I: Climate. VDI guideline 3787. Part 2. Beuth, Berlin

Thomson,Madeleine C.Garcia-Herrera Ricardo, Beniston Martin (2008) Seasonal forecasts, climatic change and human health: health and climate , Springer Science + Business Media B.V,232 pages

Thorsson, Sofia , Maria Lindqvist ,Sven Lindqvist (2004), Thermal bioclimatic conditions and patterns of behaviour in an urban park in G_teborg, Sweden , International Journal of Biometeorology, 48:149–156

Vanos , Jennifer K & Jon S. Warland & Terry J. Gillespie , Natasha A. Kenny(2010), Review of the physiology of human thermal comfort while exercising in urban landscapes and implications for bioclimatic design, International Journal of Biometeorology, 54:319–334

VDI. (1998). Methods for the human biometeorological evaluation of climate and air quality for the urban and regional planning. Part I: Climate. VDI guideline 3787.Part 2. Berlin: Beuth.