微气候对职业足球场运动热舒适度的影响路径：以中国寒冷地区为例

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Pathways of Microclimate Effects on Exercise Thermal Comfort in Professional Football Stadiums: A Case Study in Cold Regions of China

运动热舒适度研究基于足球场环境特征、感知、心理因素，采用PLS-SEM模型分析显示环境因素影响最大，心理特征起调节作用，并验证了冬夏季及运动员/观众角色间的路径差异，模型解释力达78.4%-92.6%。

　　

杨兆静|史立刚|齐新竹|毕晓彤|刘佳鸥|黄天添

哈尔滨工业大学建筑与设计学院，中国哈尔滨，150090

摘要

户外运动时的热舒适度（ETC）是影响运动员表现和高度投入的观众体验的关键因素。现有研究主要强调单一变量的直接影响，而由多个因素相互作用产生的间接影响路径仍需进一步探讨。本研究旨在探索足球环境中ETC的直接和间接影响路径，首先对热舒适度相关文献进行了系统性回顾，以确定关键潜在构念和结果变量。随后在足球场进行了实地测量和问卷调查，共获得848个有效数据。在确认测量可靠性和有效性后，为冬季和夏季的运动员及观众分别建立了四个偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）。通过复合模型测量不变性（MICOM）评估了各组间的测量一致性，使用基于排列的多组分析（MGA）比较了路径系数，并通过组内敏感性分析检验了模型的稳健性。这些模型在研究范围内表现出显著的解释能力和预测相关性，决定系数（R2）值介于0.784至0.926之间。在影响ETC的直接因素中，相对重要性顺序为：环境特征（EC）>热感知（TP）>心理特征（PC）。感知构念在EC与ETC之间的中介作用在观众中更为显著（冬季：-0.086；夏季：0.151），而在运动员中则较弱（冬季：-0.022；夏季：0.069）。心理特征（PC）的调节作用在所有模型中均显著。这些发现为理解影响ETC的潜在路径提供了见解。

引言

作为半户外空间，足球场内的微气候参数受多种建筑布局的影响[1,2]，从而影响人类的热感知（TP）[3]。先前的研究表明，微气候显著影响运动员在体育活动中的生理反应和运动表现[4]，同时也决定了观众在比赛条件下的舒适需求。因此，研究动态环境参数如何影响热舒适度至关重要。

热舒适度被定义为对热环境的主观满意状态，这种状态源于人体与其周围环境之间的热平衡[5]。最佳热舒适度对应于热中性状态，此时无需通过行为调整来应对环境刺激[6]。运动热舒适度（ETC）是在运动过程中体验到的动态热满足状态，反映了代谢产热与环境热交换之间的平衡[7]。在过热条件下运动存在运动性热病的风险。环境感知（EP）是对外部热信号的主观解释，它在物理环境刺激与热感觉之间起中介作用。过去三十年中，与足球运动相关的运动性热病死亡案例显著增加[8]。在比赛中持续暴露于热应力下，观众也会面临严重的健康风险[9]。相反，在凉爽且有风的环境中，强烈的对流散热可能导致穿着轻便服装的个体过度降温甚至出现体温过低的情况[10]。

微气候是区分室内和室外空间的主要因素[11]，特别是空气流速和太阳辐射对人类热感知（TP）有交互作用[6]，直接影响户外热舒适度（OTC）以及户外空间的使用模式。微气候暴露直接影响与运动者健康相关的生理因素[12]。早期基于实地测量的研究确定了影响热舒适度的关键环境参数，并建立了个体微气候变量与热舒适度之间的定量关系[13,14]。然而，由于研究地点和气候的差异，模型结果并不一致，因此研究重点转向调整热舒适度指数的阈值[15,16]。

除了微气候外，心理特征（PC）也可能在一定程度上影响热舒适度[17, [18], [19]]，这些特征包括生理因素（如体液平衡、人体测量学和营养）以及认知和情感属性（如期望、偏好和耐受性）。随着活动强度的增加，热不适感增强，中性温度也会发生变化[20]。根据人体能量平衡理论和体温调节模型，先前的研究考察了环境和个人因素对热感知（TP）的影响，心理特征（PC）也具有影响力[21]。人们会根据一天[22]、一周[23]、一个月[24]、季节以及气候带[25,26]调整对环境条件的期望，这反过来又改变了热感知（TP）和热舒适度指数的阈值。

微气候可以通过遥感[27,28]、便携式气象站[29,30]或实验仪器[31,32]进行测量，而心理特征（PC）通常通过参与者问卷[33, [34], [35]收集。生理因素可以通过三种方法获得：使用专业医疗设备进行实时记录、利用计算公式或先前研究的预测模型进行估算，以及基于固定代谢值的分类。尽管直接赋值不如生理测量准确，但由于其简单性和基于权威标准，这种方法在户外ETC研究中被广泛使用。

在医学研究中，运动热应力通常通过皮肤温度、出汗率和核心温度等指标进行评估。由于在运动过程中难以准确测量核心温度，因此常通过环境条件与症状之间的关联来推断热应力[36]。因此，结合直接的环境测量和参与者问卷来研究环境参数与热舒适度之间的路径是一种实用且必要的方法。

最近的研究探讨了建筑环境变化如何改变温度和风速等微气候变量，进而影响感知热舒适度。然而，仅依靠热力学、生理学和物理方法无法完全捕捉行为和心理因素对热感知（TP）的影响[37]。基于实证测量的模型可以同时表示物理、生理和心理因素的直接影响，以及行为、场地条件和热历史之间的间接影响[38]。因此，系统分析直接、间接和调节效应可以为个性化热适应策略提供依据。

在全球气候变化和城市热岛效应加剧的背景下，户外运动热舒适度已成为一个跨学科领域，涉及运动科学、环境工程和公共卫生。在体育活动中，身体与动态热环境之间的多维热交换影响运动表现和生理安全，这种影响受到季节性微气候变化、运动强度和个人适应能力等相互作用因素的制约。它们的非线性耦合产生了复杂的热舒适度影响路径。然而，仍存在一些空白：耦合机制往往仅进行定性讨论，缺乏定量建模，且ETC研究主要集中在低代谢强度的活动（如步行和慢跑）上，对于高强度户外运动的证据较少。

本研究探讨了半封闭足球活动环境中的ETC。所提出的路径框架位于ETC的感知和心理层面。因此，本研究从感知和心理中介的角度补充了传统的热舒适度模型，而不是替代生理传导路径。由于当前现场数据集中未收集核心生理指标，因此未明确量化生理传导过程。未来的工作应纳入生理指标，以便测试完整的EC–生理–TP–ETC路径。

在经典的热舒适度理论中，环境暴露通常被理解为影响生理热平衡和体温调节，从而影响热感觉和随后的舒适度评估。基于这一理论框架，本研究说明了EC如何通过EP和TP体现，以及心理特征（PC）如何调节环境和感知信息在转化为热舒适度过程中的权重和解释。主要理论贡献如下：

(1)

提出了一个基于路径的理论框架，用于研究EC与ETC之间的直接和间接关联，通过EP、TP和PC进行探讨。

(2)

量化并整合了客观环境特征和主观评估，构建了一个解释性和预测性框架，以研究环境、感知和心理因素在多因素耦合下对ETC的联合影响。

(3)

在特定的足球背景下，采用基于不变性的多组分析方法，比较了不同季节和活动角色下的路径结构，从而区分了季节性环境和活动强度共同作用下的内在关联。

本研究采用文献回顾、问卷调查和现场测量的综合方法，识别和验证影响运动过程中热舒适度的关键因素。通过数据建模，本研究旨在定量分析这些因素影响热舒适度的路径。具体研究目标如下：

(1)

为半封闭足球环境中的ETC建立EC、EP、TP和PC的测量和建模数据集。

(2)

以足球活动为研究背景，估计和解释连接EC与ETC的直接、中介和调节路径。

(3)

基于不变性测试和多组比较，研究关键路径关系在不同季节和角色群体间的差异。

部分内容摘要

材料与方法

本研究考察了半封闭足球场内参与比赛人群的运动热舒适度（ETC）。鉴于冬季和夏季是气候条件最具挑战性的两个季节，因此选择了这两个季节进行对比分析。图1概述了研究方法框架。首先回顾了OTC相关文献，以确定关键影响因素，然后明确了相关潜在变量和控制变量，以指导现场数据收集。

数据处理

在中国超级联赛的冬季和夏季期间共进行了914次数据收集。数据按季节和角色分为四组：冬季观众、冬季运动员、夏季观众和夏季运动员。为减少组内异质性，排除了标记为“普通观众”和其他类别的记录。在导入SmartPLS之前，应用了六步预处理流程。

讨论

作为一种稳健的定量分析方法，结构方程模型（SEM）特别适合研究环境特征如何影响ETC的路径。在热舒适度文献中，SEM已被用于研究室内、室外和半室外环境中的舒适度和满意度相关机制。基于协方差的SEM与PLS-SEM的主要区别在于估计方法，PLS-SEM在处理复杂的高阶模型时更具效率和适用性。

结论

为了解决半户外运动空间中传统舒适度分析方法的局限性，特别是它们在捕捉多因素相互作用方面的不足，本研究应用SEM揭示了潜在变量与观测变量之间的隐藏关系。这些发现为户外空间和ETC的设计决策提供了宝贵的指导。本研究在中国一个寒冷地区的专业足球场进行。

作者贡献声明

杨兆静：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、数据收集、概念构建。史立刚：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、资金筹集。齐新竹：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、项目管理。毕晓彤：数据收集、数据管理、监督工作。刘佳鸥：数据收集、数据管理、监督工作。黄天添：数据收集、数据管理、监督工作。

作者贡献声明

杨兆静：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、数据收集、概念构建。史立刚：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、资金筹集、概念构建。齐新竹：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、项目管理。毕晓彤：监督工作、数据收集。刘佳鸥：监督工作、数据收集。黄天添：监督工作。