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Publicação
Urban dynamics of thermal comfort assessment : a bioclimatological approach with climatewalks
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
O século XXI é o século da cidade, e até 2050 cerca de 83% da população mundial viverá em áreas urbanas. Este crescimento, aliado a um aumento médio de 0.5°C nas zonas urbanas nos últimos 25 anos, coloca as cidades na linha da frente dos riscos para a saúde humana associados às alterações climáticas. O ambiente urbano resulta da interação entre estruturas construídas, materiais e atividades humanas, sendo à microescala que estes elementos influenciam diretamente o ambiente, e a saúde dos seus habitantes. Apesar do interesse crescente, ainda se sabe pouco sobre os impactes do microclima nas pessoas, em ambiente real. Esta tese aborda essa lacuna, integrando dados ambientais e dados fisiológicos para analisar padrões de stress térmico em meio urbano. Este trabalho insere-se no âmbito do projeto europeu eMOTIONAL Cities, cujo objetivo é produzir evidência científica sobre os impactos do ambiente urbano e natural na resposta humana. Com o objetivo de contribuir para esta evidência e reforçar o conhecimento sobre a relação entre clima urbano e saúde, esta investigação procurou responder a três questões centrais: (a) Existe algum padrão fisiológico de stress térmico em diferentes ambientes urbanos?, (b) Se sim, então como é que diferentes ambientes urbanos influenciam essas respostas fisiológicas ao stress térmico?, e (c) Existe alguma associação entre a resposta fisiológica e um ambiente urbano específico? O estudo foi realizado em Lisboa, Portugal, em seis áreas: Belém, Lapa, Gulbenkian, Baixa, Graça e Parque das Nações. Estas áreas correspondem a percursos de 1 km e 15 minutos de duração, definidos por especialistas. A recolha de dados, com climatewalk, ocorreu entre abril e outubro de 2024, entre as 9h e as 19h, com 59 aquisições e 40 participantes. A recolha foi feita com o equipamento Multi-environment wearable data acquisition unit, uma estação meteorológica móvel no formato de uma mochila, equipada com sensores ambientais e fisiológicos que permitem recolha sincronizada de das seguintes variáveis: temperatura do ar (), humidade relativa (HR%), velocidade do vento (WS), irradiância (GHI), frequência cardíaca (HR) , intervalo entre batimentos (IBI), resposta galvânica da pele (GSR) e temperatura da pele (ST). Os dados tiveram três etapas de tratamento. Correção do GPS, para assegurar precisão espacial, através correção do traçado GPS em relação aos percursos reais, eliminando desvios causados por falhas de sinal ou obstáculos. Conversão e derivação de métricas, através correção de erros de registo dos sensores e cálculo de variáveis derivadas. E a agregação de períodos estacionários, usando dados de acelaração. Foram aplicados quatro modelos de análise. Esse modelos foram (i) Hotspot analysis Getis-Ord Gi*, (ii) Moran’s I Local Bivariado, (iii) Análise Fatorial para Dados Mistos, (iv) Modelo Linear Generalizado com Efeitos Mistos. Os resultados revelaram a existência sobreposições sistemáticas entre hotspots ambientais (, GHI e UTCI) e fisiológicos (ST e HR) em zonas sem sombra, sem vegetação e com pavimentos de alcatrão ou calcário. Verificou-se ainda que a morfologia urbana influencia significativamente esses padrões. Por exemplo, os hotspots ambientais associam-se a zonas mais expostas e abertas, enquanto os coldspots fisiológicos surgem em zonas verdes, com sombra e ventilação. A análise bivariada de Moran revelou fortes associações espaciais entre características térmicas e ST. Em algumas zonas, sobretudo ribeirinhas, observaram-se padrões discordantes, como high-low, que sugerem a influência das brisas. A HR e a GSR demonstraram relações mais complexas e não lineares com as variáveis ambientais. A GHI mostrou-se um fator determinante no aumento da ST. O vento apresentou efeito mitigador, enquanto que a HR% veio revelar um comportamento mais inconsistente. As análises espaciais permitiram uma leitura mais detalhada dos fenómenos locais, evidenciando o papel crítico da estrutura urbana e da hora do dia na resposta fisiológica. O modelo de dados mistos destacou uma forte influência da variabilidade entre as várias áreas de estudo, da inclinação dos percursos e da tipologia urbana na variação dos dados, tanto fisiológicos como ambientais. Destaca-se também a associação entre áreas sem árvores ou vegetação, pavimentadas com alcatrão, que à tarde apresentaram valores de stress térmico forte a muito forte. Em contraste, áreas verdes ou com vegetação urbana e corpos de água apresentaram ausência de stress térmico. Segundo o modelo de efeitos mistos, a e o UTCI revelaram-se os principais fatores associados à ativação fisiológica, provocando o aumento do HR e da ST, bem como uma diminuição do IBI, indicando uma maior excitação fisiológica em contextos de calor. De forma semelhante, a GHI apresentou uma associação positiva com a HR e a GSR. Por outro lado, a WS revelou um efeito mitigador, geralmente associada à redução da GSR e da ST. A HR% apresentou relações mais inconsistentes, mas tendeu a acompanhar ligeiramente a variação da ST. A análise dos padrões espaciais evidenciou que as características morfológicas urbanas desempenham um papel determinante na relação entre o ambiente térmico e a resposta humana. A sobreposição recorrente entre hotspots ambientais (, GHI e UTCI) e fisiológicos (ST e HR) confirma a forte ligação entre o microclima e o stress térmico humano, especialmente em áreas expostas, sem vegetação e com materiais de baixo albedo. Em contrapartida, as sobreposições de coldspots em zonas verdes e bem ventiladas reforçam o potencial destas áreas como elementos mitigadores de stress térmico e fisiológico, sublinhando a importância da vegetação, da sombra e dos corredores de ventilação no desenho urbano. O modelo Bivariado Local Moran’s I confirmou o emparelhamento entre o ambiente térmico e a ST, destacando o papel da GHI como fator capaz de elevar a ST, mesmo sem aumentos locais da ou do UTCI. As discordâncias observadas na HR, sobretudo junto à frente ribeirinha, sugerem o impacte das brisas no arrefecimento convectivo, reduzindo o esforço cardiovascular. O modelo de dados mistos demonstrou que a morfologia urbana e o período do dia são os principais fatores explicativos, enquanto o modelo de efeitos mistos evidenciou que a é o principal motor do stress fisiológico, com associações positivas com a HR e a GSR. Em conjunto, os resultados reforçam que o stress térmico resulta de uma interação complexa entre variáveis ambientais e respostas fisiológicas, influenciada tanto pela estrutura urbana como pela variabilidade individual. Este trabalho apresenta diversas limitações, das quais se destacam: (1) o período de recolha dos dados, limitado ao período diurno e aos meses mais quentes do ano; (2) o facto de as rotas de recolha terem sido previamente definidas, o que pode limitar a abrangência da análise climática urbana; e (3) a utilização de sensores fisiológicos em ambientes não controlados, o que impossibilita isolar com total certeza a resposta fisiológica a estímulos específicos. Este estudo teve como objetivo compreender os padrões de resposta fisiológica aos estímulos ambientais, com foco no stress térmico em ambientes urbanos. Através da utilização de sensores móveis que recolheram dados ambientais e fisiológicos durante climatewalks, foi possível obter novos contributos sobre a interação entre o microclima urbano e o corpo humano. Os resultados demonstraram que esta relação é fortemente condicionada pelas características do ambiente construído. As sobreposições entre hotspots ambientais e fisiológicos ocorreram sistematicamente em áreas expostas, com pouca ou nenhuma sombra, reduzida presença de vegetação e materiais de baixo albedo, como o calcário ou o alcatrão. Em contraste, os coldspots foram identificados em zonas verdes e bem ventiladas, evidenciando o papel mitigador da vegetação e da ventilação na redução do stress térmico e fisiológico. Foi também observada uma associação positiva entre as condições térmicas do ambiente e a ST, com a GHI a destacar-se como um fator determinante, capaz de aumentar a ST de forma independente dos outros elementos. Por outro lado, a GSR e a HR mostraram padrões de discordância com as variáveis térmicas, sobretudo junto às frentes ribeirinhas, onde a ventilação natural e as brisas locais parecem reduzir o esforço fisiológico. A heterogeneidade dos percursos, em termos de tipologia, morfologia e inclinação revelou-se essencial para compreender a variabilidade dos resultados. As análises estatísticas demonstraram que, enquanto os métodos tradicionais captam tendências globais, os métodos espaciais oferecem uma leitura mais detalhada e explícita dos fenómenos locais, reforçando a sua importância. Em termos de aplicação prática, os resultados confirmam que a estrutura urbana, o tecido construído e a cobertura superficial são elementos determinantes na resposta fisiológica ao ambiente térmico. Assim, as intervenções urbanas devem priorizar: (a) a redução dos ganhos de calor através da seleção de materiais com albedo adequado, combinando-os com sombreamento natural ou artificial; (b) o reforço da evapotranspiração e do arrefecimento radiativo, promovendo infraestruturas verdes, solos permeáveis e coberturas verdes; e (c) a melhoria da ventilação ao nível pedonal, assegurando a continuidade de corredores verdes e azuis. Para o futuro, propõe-se a aplicação de modelos de aprendizagem automática e abordagens não lineares. A inclusão de novas variáveis ambientais, como o ruído e as partículas em suspensão, poderá oferecer uma abordagem mais holística ao estudo do stress ambiental. O desenvolvimento de modelos de simulação baseados nos dados recolhidos permitiria validar resultados e avaliar a escalabilidade dos modelos. Por fim, a integração do feedback dos participantes e a análise comparativa entre diferentes contextos urbanos e culturais poderão aprofundar a compreensão das respostas fisiológicas e perceptivas, apoiando estratégias de mitigação e adaptação climática.
The 21st century is the ’city century’, with urban areas projected to host over 80% of the global population by 2050. This demographic trend, coupled with climate change, intensifies the risks of exposure to urban heat and its consequences for public health and urban liveability. While urban climatology has longhighlighted the role of built structures, surface materials, and human activity in shaping microclimates, there is limited understanding of how these conditions translate into physiological responses in real-world settings.This study addresses this gap by integrating environmental and physiological data to examine thermal stress in six urban areas of Lisbon, Portugal. A wearable mobile equipment, combining meteorological and physiological sensors, was used in climatewalks to capture atmospheric conditions and human responses. The analysis applied Hotspot Analysis Getis-Ord ∗, Bivariate Moran’s I, Factorial Analysis of Mixed Data, and generalised linear mixed models to identify patterns of interaction between environmental stimuli and physiologicalvariables. Results revealed that environmental hotspots consistently overlapped with physiological hotspots in exposed locations characterised by limited shading, sparse vegetation and materials such as tar or limestone, while coldspots appeared in greener and ventilated areas. Skin temperature showed a strong positive association with air temperature and UTCI, and irradiance raised skin temperature independently of biometeorological indices. In contrast, heart rate and galvanic skin response frequently showed discordances, particularly in waterfront areas, where ventilation appeared to buffer cardiovascular strain. Thefindings also highlighted the role of urban morphology, slope, and transitional spaces in shaping thermalstress. By showing the added value of spatial statistics over traditional methods, this work reinforces theimportance of incorporating bioclimatic insights into targeted urban interventions that prioritise physiologicalhealth and strengthening the adaptive capacity of urban systems in the face of environmental and healthchallenges.
The 21st century is the ’city century’, with urban areas projected to host over 80% of the global population by 2050. This demographic trend, coupled with climate change, intensifies the risks of exposure to urban heat and its consequences for public health and urban liveability. While urban climatology has longhighlighted the role of built structures, surface materials, and human activity in shaping microclimates, there is limited understanding of how these conditions translate into physiological responses in real-world settings.This study addresses this gap by integrating environmental and physiological data to examine thermal stress in six urban areas of Lisbon, Portugal. A wearable mobile equipment, combining meteorological and physiological sensors, was used in climatewalks to capture atmospheric conditions and human responses. The analysis applied Hotspot Analysis Getis-Ord ∗, Bivariate Moran’s I, Factorial Analysis of Mixed Data, and generalised linear mixed models to identify patterns of interaction between environmental stimuli and physiologicalvariables. Results revealed that environmental hotspots consistently overlapped with physiological hotspots in exposed locations characterised by limited shading, sparse vegetation and materials such as tar or limestone, while coldspots appeared in greener and ventilated areas. Skin temperature showed a strong positive association with air temperature and UTCI, and irradiance raised skin temperature independently of biometeorological indices. In contrast, heart rate and galvanic skin response frequently showed discordances, particularly in waterfront areas, where ventilation appeared to buffer cardiovascular strain. Thefindings also highlighted the role of urban morphology, slope, and transitional spaces in shaping thermalstress. By showing the added value of spatial statistics over traditional methods, this work reinforces theimportance of incorporating bioclimatic insights into targeted urban interventions that prioritise physiologicalhealth and strengthening the adaptive capacity of urban systems in the face of environmental and healthchallenges.
Descrição
Some of the data used in this dissertation originate from the project eMOTIONAL Cities, funded by European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 945307. This document reflects only the author’s view, and the Commission is not responsible for any use that may be made of the information it contains.
Palavras-chave
Thermal stress Physiological responses Wearable sensors Mobile weather station Stress térmico Respostas fisiológicas Sensores fisiológicos Estação meteorológica móvel