生物舒適度指數(shù)分級(jí)模型的對(duì)比與改進(jìn)

呂玉嫦，譚晗凌，湯晶晶

(廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣州 510080)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，氣象預(yù)測(cè)預(yù)警的重要性日益加強(qiáng)，大眾旅游出行對(duì)生物舒適度的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)的需求也越來(lái)越大。舒適度預(yù)報(bào)的公式也有很多種[1]。廣東省已經(jīng)大規(guī)模采用生物舒適度自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，全省各地市氣象局都安裝了生物舒適度儀，生物舒適度觀測(cè)取得了社會(huì)廣泛認(rèn)可，為制作出門(mén)指數(shù)、釣魚(yú)指數(shù)、著裝指數(shù)、旅游指數(shù)和感冒指數(shù)等服務(wù)產(chǎn)品提供了技術(shù)支撐。目前廣東省在用的生物舒適度指數(shù)等級(jí)[2，3]統(tǒng)一采用廣州地區(qū)的普適模型，由于不同地市存在地域、人群、氣候的差異，因此會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。文章基于全省已布點(diǎn)的生物舒適度測(cè)量?jī)x，通過(guò)對(duì)不同年齡、地域、季節(jié)的人群開(kāi)展舒適度調(diào)查，采集和分析全省1 a(四季)各地市不同人群的舒適度感受，利用最小二乘法曲線擬合原理，對(duì)生物舒適度指數(shù)進(jìn)行反復(fù)對(duì)比和驗(yàn)證，給出修正的建議，以建立符合廣東省各地市絕大多數(shù)人的生物舒適度指數(shù)分級(jí)模型。

1 生物舒適度

生物舒適度，定義為健康人群無(wú)需借助任何防寒、避暑裝備的情況下對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)總輻射等氣象因子體感的適宜程度。

生物舒適度指數(shù)，定義為描述人體對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)總輻射等綜合感受的指數(shù)。

生物舒適度指數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中，Id為人體舒適度指數(shù)；Td為干球溫度，單位為℃；Tu為濕球溫度，單位為℃；J為太陽(yáng)總輻射量，單位為W·m-2；u為風(fēng)速，單位為m/s。

生物舒適度儀觀測(cè)的要素有：干球溫度、濕球溫度、黑球溫度、太陽(yáng)總輻射和風(fēng)速。

生物舒適度觀測(cè)儀硬件主要包括數(shù)據(jù)采集傳感器和支架兩個(gè)部分[4，5]。采集器因要測(cè)量3路溫度輸入、1路輻射輸入和1路風(fēng)速輸入，所以硬件電路至少需滿足4路模擬量的采集和1路脈沖信號(hào)的采集，并且能夠進(jìn)行串口通訊，具有水位監(jiān)測(cè)和水泵自動(dòng)控制功能。

2 舒適度感受調(diào)查采樣

為了收集不同地市不同人群的個(gè)人舒適度感受，文章開(kāi)發(fā)了一款安裝在手機(jī)上的舒適度個(gè)人感受數(shù)據(jù)采集程序(APP)。參與舒適度感受調(diào)查采樣的人員在首次登錄生物舒適度感受調(diào)查頁(yè)面時(shí)，需要填寫(xiě)個(gè)人的基本信息(比如姓名、性別、年齡段、體型、所在地等)，信息保存后，再次登錄時(shí)則默認(rèn)不再輸入基礎(chǔ)信息，直接選擇穿衣類(lèi)型和舒適度感受，就可以點(diǎn)擊保存并提交。同時(shí)個(gè)人基本信息也可以進(jìn)行修改和保存。

文章收集了2018年7月-2019年12月廣東省27個(gè)地市的個(gè)人舒適度感受，各地市的人員在提交了舒適度感受后，數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器里。

3 器測(cè)值與感受值對(duì)比分析

3.1 差值平均和標(biāo)準(zhǔn)差比較

將采集到的各地市人體舒適度感受與對(duì)應(yīng)地市的生物舒適度儀的數(shù)值進(jìn)行一一對(duì)比。以人體感受值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算觀測(cè)值的誤差序列，其差值平均為-2.063，標(biāo)準(zhǔn)差為1.952，顯示觀測(cè)值總體偏低，而且誤差的離散性較大。女性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的差值平均和標(biāo)準(zhǔn)差較男性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)稍微偏大，但其偏差的方向是一致的，并沒(méi)有出現(xiàn)男女感受對(duì)立或者分化的現(xiàn)象(表1)。

表1 舒適度指數(shù)差值統(tǒng)計(jì)

3.2 回歸分析

采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，即以人體感受值為標(biāo)準(zhǔn)，采用線性回歸模型、多項(xiàng)式回歸模型、指數(shù)回歸模型和冪函數(shù)回歸模型等方式，結(jié)果顯示，直接采用對(duì)比數(shù)據(jù)擬合函數(shù)所得的決定系數(shù)R2遠(yuǎn)小于1，難以有效訂正儀器測(cè)量值、提高測(cè)量準(zhǔn)確性。經(jīng)分析數(shù)據(jù)范圍和最小步長(zhǎng)等原因，認(rèn)為主要是由于舒適度指數(shù)是分級(jí)數(shù)據(jù)，同一級(jí)別的測(cè)量偏差相對(duì)接近，但是各級(jí)測(cè)量偏差并不是線性的，所有的樣本數(shù)據(jù)采用相同的權(quán)重直接擬合是不合理的，如圖1所示。

圖1 對(duì)比數(shù)據(jù)直接擬合曲線

3.3 分級(jí)誤差和分段訂正

將樣本和誤差數(shù)據(jù)按升序重新排列，得到直觀的分級(jí)誤差分布(圖2)，舒適度等級(jí)為4～11時(shí)，各級(jí)別中誤差逐漸增大，由此得出分級(jí)誤差明細(xì)(表2)?？梢?jiàn)，各級(jí)別誤差逐漸增大，且在低溫嚴(yán)寒和高溫酷暑的情況下誤差都比較大。原因分析如下：現(xiàn)有舒適度計(jì)算模型是一種多變量線性模型，在廣東省氣候條件下，多數(shù)情況，即涼爽或者舒適的時(shí)候，儀器測(cè)量值能夠較準(zhǔn)確地反映人體舒適度，因?yàn)榇藭r(shí)人體與外界容易達(dá)到熱量平衡；在冬季寒冷的時(shí)間里，戶外人體熱量的擴(kuò)散加快，因此感覺(jué)“更冷”；在較為高溫的環(huán)境，即熱、炎熱和酷熱情況下，人體戶外運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的冗余熱量擴(kuò)散到體外的速度變慢，因此感覺(jué)“更熱”[6]。

圖2 分級(jí)誤差分布

表2 分級(jí)誤差明細(xì)

根據(jù)分級(jí)誤差明細(xì)反演各級(jí)測(cè)量值，再次進(jìn)行擬合得到分級(jí)的舒適度等級(jí)訂正曲線(圖3)。

圖3 分段訂正曲線

線性函數(shù)的決定系數(shù)R2為0.9536，表明該函數(shù)的估計(jì)值與實(shí)際值的擬合程度較高，數(shù)據(jù)訂正效果良好。

因此，設(shè)原模型計(jì)算的舒適度指數(shù)測(cè)量值為X，舒適度等級(jí)Y的分段訂正如下：

當(dāng)X≤40，Y=1；

當(dāng)40

當(dāng)57≤X<69，Y=ROUND(((X-57)/6+3)×2.91-7.77)；

當(dāng)69≤X≤90，Y=ROUND(((X-69)/20+5)×2.91-7.77)；

當(dāng)90

當(dāng)95≤X，Y=11。

其中ROUND()函數(shù)的功能是對(duì)其中的計(jì)算值進(jìn)行四舍五入取整。

推算范圍表示如下：

當(dāng)X≤40，Y=1；

當(dāng)40

當(dāng)60.2≤X≤62.2，Y=3；

當(dāng)62.2

當(dāng)64.3≤X<66.4，Y=5；

當(dāng)66.4≤X≤68.4，Y=6；

當(dāng)68.4

當(dāng)74≤X≤80.8，Y=8；

當(dāng)80.8

當(dāng)87.7≤X<92.8，Y=10；

當(dāng)92.8≤X，Y=11。

4 分級(jí)修正

分級(jí)修正后得出的生物舒適度指數(shù)如表3所示。

表3 生物舒適度指數(shù)修正后的分級(jí)

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比分析中剔除了個(gè)別明顯異常的樣本數(shù)據(jù)，例如濕球溫度與干球溫度接近時(shí)次或風(fēng)速總體偏低站點(diǎn)，即梅州市大埔縣生物舒適度儀，其數(shù)據(jù)在4-5月的時(shí)候測(cè)量值為11，屬于酷熱等級(jí)，原因是濕球裝置未及時(shí)加水，濕球溫度偏高。除了缺水原因，輻射傳感器未清潔維護(hù)、風(fēng)速傳感器老舊導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大等原因都會(huì)極大地影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此舒適度測(cè)量?jī)x的最終測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確是由多種原因造成的，數(shù)據(jù)訂正只是針對(duì)計(jì)算模型的一項(xiàng)改進(jìn)和完善。

根據(jù)舒適度指數(shù)修正后的分級(jí)，對(duì)中山、東莞和湛江3個(gè)站點(diǎn)生物舒適度儀的觀測(cè)值和感受值進(jìn)行兩個(gè)月的對(duì)比和驗(yàn)證，證實(shí)了文章給出的修正建議合理。修正后的舒適度數(shù)據(jù)更加符合大多數(shù)人的真實(shí)舒適度感受，達(dá)到了預(yù)期的修正效果，這對(duì)今后生物舒適度的預(yù)報(bào)及優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。