When a project materialises – microclimate aspects

After a long wait, we are pleased to introduce our mobile meteorological measurement station. Thanks to this station, we have the opportunity to observe microclimate conditions in and around spatio-climatic devices at pedestrian level.

The spatio-temporal mobility of observations is a key element in thermal comfort assessment in outdoor urban spaces (Häb et al., 2015; Le Bras, 2015; Liu et al., 2017; Lenzholzer et al., 2018); and it has many advantages: e.g. a greater spatial resolution of microclimatic properties, the ease of access of spatio-climatic devices and its urban environments, a wider scope of measurement and reduced costs (Le Bras, 2015; Liu et al. 2017; Yokoyama et al., 2018).

There are many non-stationary studies, based on different microclimatic sensors and supports: portable in a backpack (Brandsma and Wolters 2012; Le Bras, 2015; Camponovo et al., 2016; Tsin et al., 2016; Chokhachian et al., 2017; Gallinelli et al. , 2017) or coming in an earpiece format (Potvin, 2000), attached to bicycles (Brandsma and Wolters, 2012; Drach and Drach, 2014; Heusinkveld et al. , 2014; Liu et al., 2017; Rajkovich and Larsen, 2016; Yokoyama et al., 2018), on carts (Kastendeuch et al., 2016; Nakayoshi and Nakashima, 2018; Middel and Krayenhoff, 2019), on diabolos (Klok et al., 2018) or on electric golf trolleys (Häb et al., 2015). Inspired by the work of Middel and Krayenhoff (2019), we opted for robust, scientific sensors mounted on a hand-drawn cart. For non-stationary measurements, a very short response time was targeted (Table 1). Thus, the choice of equipment was based on an exhaustive bibliographic study including about thirty publications on the thermal comfort evaluation of the pedestrian and the urban microclimate in outdoor spaces. Microclimatic variables, which will be measured, include air temperature, relative humidity, wind direction and speed, and long- and short-wave solar radiation.

Air temperature and relative humidity

A mixed probe will provide measurements of air temperature and relative humidity. For that, the HMP155A Vaisala model has been chosen. Its installation is under a RAD14 weather shelter with natural ventilation, protecting the sensors from bad weather (precipitation, sun, wind, etc.) and insect intrusion.

Wind

The wind speed and direction are measured by the 2D ultrasonic anemometer, WindSonic type1. Its handling is simple and without moving parts, which reduces costs and maintenance time.

Solar radiation

Concerning the net radiation measurements, the NR01 sensor from Hukseflux was chosen. It is a robust set, consisting of a pair of pyranometers and a pair of pyrgeometers. Thanks to the representation of the net radiation in its components of short wavelength radiation and long wavelength infrared radiation, it is used in scientific works aiming a detailed representation of energy balances. In our case, the mobile meteorological station is equipped with 3 NR01 sensors, oriented laterally east-west, north-south and vertically between the sky and the ground. These measurements will then be used to determine the mean radiant temperature (Höppe, 1993; Spagnolo and Dear, 2003; Ali-Toudert and Mayer, 2007; Thorsson et al., 2007; Guo et al., 2020).

Data logger

The sensors are connected to the Campbell Scientific CR1000X data logger and control unit with a CDM-A116 expansion module. It supports sensor management, direct and remote communications, data analysis, external device control, and data and program storage. Its autonomy is ensured by a 12V – 24Ah battery (BP24) allowing measuring and storing data during several consecutive days of field trip. The set is placed in a GRP protection box type ENC 16/18.

All sensors, with the exception of thermocouples, and the data logger are from Campbell Scientifics. These sensors have been tested and calibrated at the factory by professionals.

Quand un projet se concrétise – volet microclimat

Après une longue attente, nous avons le plaisir de vous présenter notre station de mesures microclimatiques mobile. Grâce à cette station, nous avons la possibilité d’observer les conditions microclimatiques dans et autour des dispositifs spatio-climatiques au niveau du piéton. La mobilité spatio-temporelle des observations est un élément clé dans l’évaluation du confort thermique en espace urbain extérieur (Häb et al., 2015; Le Bras, 2015; Liu et al., 2017; Lenzholzer et al., 2018) et présente des nombreux avantages, comme par exemple une plus grande résolution spatiale des propriétés microclimatiques, la facilité d’accès des dispositifs spatio-climatiques et ses environnements urbains, un périmètre de mesures élargi et des coûts réduits (Le Bras, 2015; Liu et al., 2017; Yokoyama et al., 2018).

Il existe de nombreuses études non-stationnaires se basant sur différents capteurs microclimatiques et supports : portables dans un sac à dos (Brandsma and Wolters, 2012; Camponovo et al., 2016; Le Bras, 2015; Tsin et al., 2016; Chokhachian et al., 2017; Gallinelli et al., 2017) ou en format d’écouteur (Potvin, 2000), ou bien fixés sur des vélos (Brandsma and Wolters, 2012; Drach and Drach, 2014; Heusinkveld et al., 2014; Liu et al., 2017; Rajkovich and Larsen, 2016; Yokoyama et al., 2018), sur des chariots (Kastendeuch et al., 2016; Nakayoshi and Nakashima, 2018; Middel and Krayenhoff, 2019), sur des diabolos (Klok et al., 2018) ou sur des chariots de golf électriques (Häb et al., 2015). Inspirés par les travaux de Middel and Krayenhoff (2019), nous avons opté pour des capteurs à caractère scientifique et robuste fixés sur un chariot tiré à la main. S’agissant de mesures non-stationnaires, un temps de réponse très court a été visé (Tableau 1). Ainsi, le choix d’équipement s’est basé sur une étude bibliographique exhaustive comprenant une trentaine de publications sur l’évaluation du confort thermique du piéton et du microclimat urbain en espace extérieur. Les variables microclimatiques mesurées sont notamment la température de l’air, l’humidité relative, la direction et la vitesse du vent et le rayonnement solaire à grande et courte longueur d’onde.

Température de l’air et humidité relative

Une sonde mixte assure les mesures de température de l’air et d’humidité relative. Il s’agit du modèle HMP155A Vaisala. Son installation est sous abri météorologique de type RAD14 avec une ventilation naturelle, afin de protéger les capteurs des intempéries (précipitations, soleil, vent, etc.) et d’intrusion d’insectes.

Vent

La vitesse et la direction du vent sont mesurées par un anémomètre ultrasonique 2D, de type WindSonic1. Sa manipulation est simple et sans parties mobiles, ce qui réduit le coût et le temps de la maintenance.

Rayonnement solaire

Pour les mesures du rayonnement net, le capteur NR01 de chez Hukseflux a été choisi. C’est un ensemble robuste, composé d’un couple de pyranomètre et de pyrgéomètre. Grâce à la représentation du rayonnement net dans ses composantes de rayonnement à courtes longueurs d’ondes et de rayonnement infrarouge de grandes longueurs d’ondes, il est utilisé dans des travaux scientifiques ayant pour objectif une représentation de qualité du bilan énergétique. Pour le projet, la station météorologique mobile est équipée de 3 capteurs NR01, orientés latéralement est-ouest, nord-sud et verticalement entre le ciel et le sol. Ces mesures serviront ensuite à la détermination de la température rayonnante moyenne (Höppe, 1993; Spagnolo and de Dear, 2003; Ali-Toudert and Mayer, 2007; Thorsson et al., 2007; Guo et al., 2020).

Centrale de mesures et de stockage

Les capteurs sont connectés à une centrale de mesure et de contrôle de Campbell Scientific CR1000X avec un module d’extension CDM-A116. Elle permet la gestion des capteurs, les communications directes et à distance, les analyses des données, le contrôle des périphériques externes ainsi que le stockage des données et des programmes. Son autonomie est assurée par une batterie 12V – 24Ah (BP24) permettant de mesurer et de stocker les données pendant plusieurs journées de terrain consécutives. L’ensemble est placé dans un coffre de protection GRP de type ENC 16/18.

L’ensemble de capteurs, à l’exception des thermocouples, et la centrale de mesures proviennent de chez Campbell Scientific. Ces capteurs ont été testés et étalonnés en usine par des professionnels.

References

Ali-Toudert, F., Mayer, H., 2007. Thermal comfort in an east–west oriented street canyon in Freiburg (Germany) under hot summer conditions. Theoretical and applied climatology 87, 223–237.

Brandsma, T., Wolters, D., 2012. Measurement and Statistical Modeling of the Urban Heat Island of the City of Utrecht (the Netherlands). J. Appl. Meteor. Climatol. 51, 1046–1060. https://doi.org/10.1175/JAMC-D-11-0206.1

Camponovo, R., Gallinelli, P., Guillot, V., 2016. CityFeel – An innovative protocol and instrument to better understand urban microclimate. Presented at the Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt, Genève.

Chokhachian, A., Santucci, D., Vohlidka, P., Auer, T., 2017. Framework for Defining a Transient Outdoor Comfort Model in Dense Urban Spaces, Processes & Findings. Presented at the 7th International Doctoral Conference, Architecture and Urbanism: Contemporary Research, Faculty of Architecture CTU, Prague, pp. 51–54.

Drach, P., Drach, H., 2014. Mobile Meteorological Survey Station: Applying Measurement Tools on a bike to create the Meteobike, in: Counting the Cost of Comfort in a changing world. Presented at the 8th Windsor Conference, Cumberland Lodge, London, UK: Network for Comfort and Energy Une in Buildings.

Gallinelli, P., Camponovo, R., Guillot, V., 2017. CityFeel – micro climate monitoring for climate mitigation and urban design. Energy Procedia 122, 391–396. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.427

Guo, H., Aviv, D., Loyola, M., Teitelbaum, E., Houchois, N., Meggers, F., 2020. On the understanding of the mean radiant temperature within both the indoor and outdoor environment, a critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 117, 109207. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.06.014

Häb, K., Middel, A., Ruddell, B.L., 2015. Relationship between Land Use and Microclimate based on Mobile Transect Measurements. Presented at the 9th International Conference on Urban Climate, July 20-24, 2015, Toulouse.

Heusinkveld, B.G., Steeneveld, G.J., Hove, L.W.A. van, Jacobs, C.M.J., Holtslag, A. a. M., 2014. Spatial variability of the Rotterdam urban heat island as influenced by urban land use. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 119, 677–692. https://doi.org/10.1002/2012JD019399

Höppe, P.R., 1993. Heat balance modelling. Experientia 49, 741–746. https://doi.org/10.1007/BF01923542

Kastendeuch, P.P., Najjar, G., Philips, N., Nerry, F., Roupioz, L., Colin, J., Luhahe, R., 2016. Mesures pour l’étude des ambiances climatiques à Strasbourg lors de la canicule 2015. Presented at the Colloque AIC, Besançon.

Klok, L., Rood, N., Kluck, J., Kleerekoper, L., 2018. Assessment of thermally comfortable urban spaces in Amsterdam during hot summer days. International Journal of Biometeorology 63.

Le Bras, J., 2015. Le microclimat urbain à haute résolution : mesures et modélisation (Thèse de doctorat). Université de Toulouse, Toulouse.

Lenzholzer, S., Klemm, W., Vasilikou, C., 2018. Qualitative methods to explore thermo-spatial perception in outdoor urban spaces. Urban Climate, ICUC9: The 9th International Conference on Urban Climate 23, 231–249. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2016.10.003

Liu, L., Lin, Y., Wang, D., Liu, J., 2017. An improved temporal correction method for mobile measurement of outdoor thermal climates. Theor Appl Climatol 129, 201–212. https://doi.org/10.1007/s00704-016-1769-y

Middel, A., Krayenhoff, E.S., 2019. Micrometeorological determinants of pedestrian thermal exposure during record-breaking heat in Tempe, Arizona: Introducing the MaRTy observational platform. Science of The Total Environment 687, 137–151. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.06.085

Nakayoshi, M., Nakashima, T., 2018. Performance of Globe Anemo-radiometer in Mean Radiant Temperature Evaluation in Stationary and Mobile Observation. Presented at the 10th International Conference on Urban Climate/14th Symposium on the Urban Environment, American Meteorological Society.

Potvin, A., 2000. Assessing the microclimate of urban transitional spaces, in: Proceedings of PLEA2000. Presented at the Passive Low Energy Architecture, Cambridge.

Rajkovich, N.B., Larsen, L., 2016. A Bicycle-Based Field Measurement System for the Study of Thermal Exposure in Cuyahoga County, Ohio, USA. Int J Environ Res Public Health 13. https://doi.org/10.3390/ijerph13020159

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, 721–738. https://doi.org/10.1016/S0360-1323(02)00209-3

Thorsson, S., Lindberg, F., Eliasson, I., Holmer, B., 2007. Different methods for estimating the mean radiant temperature in an outdoor urban setting. International Journal of Climatology 27, 1983–1993. https://doi.org/10.1002/joc.1537

Tsin, P.K., Knudby, A., Krayenhoff, E.S., Ho, H.C., Brauer, M., Henderson, S.B., 2016. Microscale mobile monitoring of urban air temperature. Urban Climate 18, 58–72. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2016.10.001

Yokoyama, H., Ooka, R., Kikumoto, H., 2018. Study of mobile measurements for detailed temperature distribution in a high-density urban area in Tokyo. Urban Climate 24, 517–528. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2017.06.006

Authors

Xenia Laffaille and Ignacio Requena


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