人们生活在大气的底层, 身体的健康状况与感觉舒服的程度与气象条件有着密切的关联.一年之中有热、炎热、酷热、温暖、凉爽、寒冷、严寒等感觉, 周而复始.这些感觉主要是人对气象场中的温、湿度及风速的综合感受, 可以使用一系列的指数如体表温度、体感温度、不舒适度和着衣指数来表示, 这些指数的本身及指标分类都是环境气象学研究的课题之一.过去研究气象条件与人的感觉的目的, 在于改善某些特殊部门的工作人员的工作环境从而提高工作效率.在生产力高度发展的今天, 特别是电风扇、空调机和空气湿度调节器等的普及、衣着质量的改进及数量的增加, 广大公众控制局部小气候的能力也都有了极大的提高.因此, 在环境气象的有关研究及天气预报的基础上, 进行体表温度、体感温度、舒服度及着衣指数的预报, 指导公众的着衣、小气候电器的使用, 不仅能方便公众的日常和旅行生活, 对节约能源、提高工作效率也会有很大的意义.为此, 有必要对这些指数进行一次分析研究, 以利于预报工作的进行.
1 定义与计算公式 1.1 体表温度 (mean skin temperature)在裸衣条件下, 人体皮肤表面的温度, 对夏季天气的舒适程度有很好的响应.体表温度在35~37 ℃时人们会逐渐感到炎热, 33~34 ℃时最为适宜, 31~32 ℃时就会有凉的感觉.在不同气象条件下的体表温度的计算公式, 可按以下的推算过程求得:
根据高桥浩一郎[1]的记述, 人体简化模型如图 1, 人体温度为T=37 ℃, 皮肤层厚为d=5 mm, 皮肤表面温度为Ts, 空气温度为Ta, 皮肤与空气之间的边界层厚度为W.那么人体内向皮肤外传递的热量Q应为:
(1) |
其中, k为导热系数约为2.0921×10-3 J/(cm-1·s·℃).S为皮肤面积取为1 m2.人体产生的热量Q需通过边界层传送给大气使体温稳定.热量Q是以辐射、传导和蒸发水分的过程进入大气的, 因此, 下式成立:
(2) |
其中温度的单位都是 ℃; V为人体高度上的风速 (m/s); Es为人体皮肤表面的饱和水汽压 (hPa); Ea为气温所对应的饱和水汽压 (hPa); r为空气的相对湿度, Q的单位kJ/(m2·h).那么由式 (1)、(2) 可解得
(3) |
由于Q中的蒸发分量Q蒸发也是体表温度Ts的函数, 因此解此方程时需用数值近似求解.平均体表温度Ts小于29 ℃或大于35 ℃将产生不舒适的感觉.图 2给出了在室内环境风速为0.5 m/s时的不同温、湿度条件下的人体皮肤表面的温度.环境风速为5.0 m/s的情况见图 3.当体表温度大于35 ℃或小于29 ℃人们将感到不舒适[2].图中酷热、炎热和暑热的划分标准将在1.5节讨论.置人于死地的温、湿度条件见表 1.
由图 2、3可见, 空气湿度可加重热的感觉, 例如风速为0.5 m/s气温为35 ℃, 在相对湿度为0.10的环境中人的皮肤表面温度可保持在32~33 ℃的宜人状态, 但当相对湿度为0.90的环境中人的皮肤表面温度则升到36 ℃的炎热状态, 如果这时风速增加到5 m/s, 人体表温度则降到35 ℃.然而在高温高湿的情况下风速的增加还会加重湿热的感觉.例如在气温为40 ℃, 相对湿度为0.90时, 风速0.5 m/s, 体表温度为38 ℃, 而风速为5.0 m/s, 体表温度为38.6 ℃.因此在高温高湿的环境中风扇是不会起降温作用的, 这时使用空调机才能使环境舒适起来.在表 1中配合的空气温湿度都将使人体表温度升到41 ℃以上.
1.2 着衣指数 (Clothing index)
不管相对湿度及风速如何, 只要气温在25 ℃以下, 一般裸人的体表温度就会降到32 ℃以下, 从而有了凉的感觉, 需要着衣.着衣的厚度以着衣指数来表达, 指数的单位为clo, 它也是衣服的热阻单位.1个clo的衣著能在每小时每平方米热流量为4.1841 kJ的条件下保持衣服两侧的温度差为0.18 ℃.成人在静坐条件下基础代谢产生的热量约在209.21 kJ/(m2·h), 在不考虑空气热阻、辐射、蒸发及气流等作用时, 1个clo的衣著能保持衣服两侧的温度差为9 ℃, 此时环境温度为24 ℃时就能保持人体体表温度为舒适的33 ℃.据文献[3], 具有4个clo热阻的衣服约为1英寸 (2.54 cm) 厚.在考虑到空气热阻、辐射、蒸发及气流的作用时的着衣指数公式可用简单人体热平衡方法得到:
(4) |
其中Ic为所需衣服的热阻 (clo), Ts为人体体表温度 (℃) 取为舒适的33 ℃, Ta为环境空气温度 (℃), Tv为风速致冷的等效温度 (℃), Tr为辐射的等效升温 (℃), H为人体代谢的热量kJ/(m2· h), rat为人体消耗于水分蒸发的热量对代谢热量的比值, Ia为空气的热阻 (clo).风速致冷的等效温度Tv可用试验数据拟合为:
(5) |
其中V为地面以上10 m高度处的风速, 静风时取0.5 m/s, 风速大于32 m/s时则取为32 m/s, 离地面2 m高度处的风速取为10 m处的0.723倍.
辐射的等效升温Tr是由十分制的总云量Nt和低云量Nl、衣着对辐射的吸收率a和空气热阻Ia确定.随衣着的颜色与质地, a的变化很大, 可从百分之几变化到0.88以上, 这里取均值0.5.
(6) |
人体代谢的热量H (单位: MET, 1个MET=209.21 kJ/(m2·h)), 取决于人的运动状态和环境气象条件, 见文献[1], [4], [5], 由文献[1]可以给出以下的经验公式
(7) |
该式用于环境温度在0 ℃以上, 休息状态的人体.其中系数0.93244是为了保证在环境温度25 ℃时的代谢热量为一个MET而加上的.在具体的着衣指数的计算中, 在环境温度小于25 ℃时的基础代谢均取一个MET, 因为在着衣条件下的代谢热量与环境温度的关系不同于式 (7).人体消耗于水分蒸发的热量对代谢热量的比值rat按文献[1]可写为
(8) |
在具体的着衣指数的计算中, 当环境温度大于25 ℃时使用式 (8) 计算rat, 当环境温度小于25 ℃时rat取为0.24.
空气的热阻Ia的本身与风速有关, 按文献[3]提供的数据, 该关系式可写为:
(9) |
Ia的单位为clo, V为人体高度处的风速值 (单位 m/s), 由10 m高处风速乘0.723得到.
由上述各式的自变量可见, 只要预报出气象站百叶箱高度的气温、10 m高的风速及总、低云量便能据此预报出着衣指数.为了直观地看到着衣指数与风速、气温的关系, 在总、低云量都为0.5的条件下计算出了图 4.由图 4可见, 当10 m高的风速为0.5 m/s时, 26 ℃的环境温度, 着衣对保持体温并不是必需的.如风速增加到4 m/s, 那么只要能保持足够的蒸发水分, 在室外无太阳直射处的30 ℃的气温中, 还是能着单薄衣服的.室内风速一般是室外风速的0.1倍左右, 一般不会超过1 m/s, 计算室内着衣指数时应注意到这一点.由图 4还可见在室内31 ℃以上, 如无电扇, 着衣就会感到热.以上是指休息状态下的人, 在运动状态下则需按[5][6]选取代谢热量H代入式 (4) 中再行求算着衣指数.
1.3 体感温度 (sensation temperature)
为了定量的表达人对冷热的感觉, 而使用‘感觉指标’ (sensation indicator) 一词, 在1920's开始使用‘有效温度’ (effective temperature) 来表达‘感觉指标’, ‘有效温度’的原来定义为[8]:与给定温、湿度组合的空气的热感觉相同的饱和湿空气的温度.‘体感温度’一词将两者的含义结合了起来.1937年Missenard[6]给出的有效温度将相对湿度与环境气温联系了起来, 他定义有效温度Te为
(10) |
由于室外的有效温度还需考虑风的作用, 他同时给出
(11) |
要注意的是这两者都未考虑日射的作用, 因此只能表示在荫影环境下感觉指标, 考虑日射影响的有效温度计算公式见文献[8].人对不同有效温度的感觉见表 2.有效温度值在12到24 ℃的范围, 是人的最佳感觉区.±30 ℃以外的有效温度是有中暑或冻伤危险的范围.表 3~5给出了风速为0.25 m/s、2 m/s和8 m/s的有效温度与气温、湿度的关系.同样的环境温度下, 湿度的减小总是使有效温度减低.在大风时, 很高的湿度会使低气温感觉急剧加强, 对高气温感觉也不减弱, 表 5表现得最明显:风速8 m/s, 相对湿度为100%时, 零下20 ℃气温的感觉是零下46.9 ℃, 而40 ℃的高温的感觉为41.4 ℃.无风公式 (10) 的计算结果与式 (11) 的风速为0.25 m/s的计算结果很相近, 不再讨论.
1.4 不舒适指数 (discomfort index)
与有效温度相似, 还有不舒适指数的定义, 文献[9, 10]给出的定义为
(12) |
文献[11]给出的定义为
(13) |
这两个不舒适指数的计算结果与无风条件下的有效温度相近似.在此基础上加上太阳辐射和风速的影响后可得
(14) |
以上3个式子中的Ta为空气温度 (℃), Tw为空气的湿球温度 (℃), V为环境风速 (m/s), Si为太阳辐射总量 (J/m2·h)
式 (12)、(13) 的计算结果与无风时的有效温度计算公式的结果在数值上相差不大.式 (14) 的计算表明, 在室内 (风速: 0.5 m/s, Si=0 J/(cm2·h)), 温度到达45 ℃, 相对湿度为100时, Di很接近于100, 按表 1这时的环境气象条件是不能忍受的.一般地说, Di超过80所有的人都对热天气感到不适.在暖季Di不到70是不会有闷热感的.图 5与图 6表明在不同湿, 湿与风速条件下的不适指数的变化曲线。式 (14) 和式 (10) 不同之处在于, 风速的增大总是使不舒适指数减少, 而有效温度在高温高湿的条件下, 风速的增加并不会使其值减少.此外式 (14) 中Di值对日射因子的依赖很强, 而日射总量资料又不易取得, 因此式 (14) 在具体使用中一般较难掌握.
1.5 体表温度、体感温度、不舒适指数和着衣指数的比较
为了分析与掌握这些有关人的生物环境参数, 将几个试验的数据结果进行了对比计算, 表 6为日本横滨测候所观测的气温、湿球温度和人的感觉[1], 这里按气温和湿球温度计算了对应的体感温度、体表温度、不舒适指数和着衣指数.横滨是海洋性气候, 其纬度约在35.5度附近, 它的居民对空气温湿度的感受与大陆季风区的人应有所不同, 似乎他们的适宜温度要低一点, 详细的情形可从表 6看到.
武汉中心气象台曾对武汉市的市民中暑人数与气象条件做过分析研究, 指出中暑人数与风速并无很大相关, 而与温、湿度相关较大.根据文献[12]给出的有关数据, 给出了图 7~图 10.图 7中体感温度与中暑人数的拟合相关系数的平方R2达0.68, 图 8中体表温度与中暑人数的拟合R2=0.67, 图 9中的不舒适指数与中暑人数的R2=0.66, 图 10中的着衣指数与中暑人数的R2仅为0.55.再根据上述图上各个阈值, 给出表 7, 该表表现了我国长江以南的居民对上述4个指数的体感状态.同时上述报告中引用的资料表明, 居民能进入睡眠时的阈值气温应在27~28 ℃之间, 计算了室内相应的体感温度、体表温度、不适指数和着衣指数后结合表 7, 得到表 8.该表扩展了表 2和表 6的高温段的感觉分类, 可作为我国华中一带的体感参照表, 估计该表能大体上代表我国南方居民对天气的感受.我国北方、东北与西北居民的体感阈值还有待研究.
2 预报
上述4个指数的预报问题可归结为气温、相对湿度、风速、总云量和低云量的预报问题, 具体实施中, 我们调整了MM4中尺度区域天气预报模式的有关参数, 使其在地面层输出的预报要素满足上述要求, 加上计算上述4个指数的子程序, 并在准业务系统中进行了试验, 效果是令人满意的.由于云量的预报难度较大, 且有关指数对云量的敏感程度高, 在第一阶段, 以预报一般室内的指数为主, 室外的指数预报仅做参考.图 11为1997年6月9日预报14:00的着衣指数图, 图中我国东部地区除东北外着衣指数已接近于零, 可着夏装; 而青藏高原需着春装乃至冬装.
3 结论
本文通过对体表温度、体感温度、不舒适指数和着衣指数的分析研究, 可得到以下结论:
(1) 体表温度以及不舒适指数适用于夏季人对天气的感受, 体表温度的使用更为直观明确.
(2) 体感温度可表达全年人对天气的感觉, 可综合表达温度、湿度和风速的作用.但表达不直观, 向公众发布时不易被理解.
(3) 着衣指数适用于需着衣的天气条件下, 能定量化地给出着衣厚度.当着衣指数为负值时表示需要启动电风扇或空调机帮助人体散热.
[1] | 高桥浩一郎. 应用气象论. 东京: 岩波书店, 1961. |
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[12] | 武汉中心气象台.武汉中暑人数与气象因子的逐步回归分析.全国气候会议论文集.北京:科学出版社, 1974.135~141. |