基于氣象數(shù)據(jù)和體感溫度的穿衣厚度分析及應用

王浩宇 鐘志江 劉 濤 范 靜

一、引言

現(xiàn)今，人們生活水平提高，在吃飽穿暖的基礎(chǔ)上，越來越追求優(yōu)雅精致。譬如，在不同的天氣條件下，著裝既要舒適又要得體。同時，因為個人年齡、性別不同，每個人對著裝的需求也存在著明顯差異。因此，研究各類氣象數(shù)據(jù)、個人因素與穿衣厚度的關(guān)系，計算穿衣厚度，并挑選與之對應的服裝款式與種類就顯得尤為重要。

已有的研究表明，穿衣厚度與環(huán)境因素、人體的感受等密切相關(guān)。劉燕等[1]研究了著裝厚度氣象指數(shù)，提出簡單的穿衣厚度公式，并根據(jù)不同厚度值給出對應的服裝款式。朱凌云等[2]在著裝氣象指數(shù)研究中，表示穿衣厚度與環(huán)境因素密切相關(guān)。而劉梅等[3]以熱量平衡為基礎(chǔ)研究體感溫度，利用線性回歸模型來計算穿衣厚度。楊雪艷、任麗梅[4]研究了長春市居民著裝厚度與穿衣指數(shù)預報。賈碩等[5]、穆璐等[6～7]分別研究了基于氣象數(shù)據(jù)的穿衣指數(shù)。本文將從體感溫度的推導入手，結(jié)合文獻[3]，研究不同性別、不同年齡的人群在不同天氣條件下的穿衣厚度，并推薦相應的穿衣款式。進一步地，以河南省鄭州市的天氣數(shù)據(jù)為例進行應用研究，為人們提高生活質(zhì)量提供有力的理論支撐。

二、體感溫度的研究

體感溫度是指人體所感受到的冷暖程度，會受到氣溫、風速與相對濕度的綜合影響。文獻[3]得到了體感溫度的計算公式，而其中缺少相對濕度這個影響因素。因此，本文提出體感溫度的修正公式。

(一)體感溫度的修正公式。對于日常正常作息的人而言，根據(jù)物理學中的熱力學定律，人體熱平衡方程為：

Qw+Q=Qv+(1-Φ2)Qu

(1)

在(1)式中,Q表示體內(nèi)新陳代謝所產(chǎn)生熱量(單位：Wm-2)，Qw表示通過皮膚和衣服所吸收的太陽輻射(單位Wm-2)，Qv表示肺呼吸作用失熱量(單位：Wm-2)，Qu表示人體裸露部分失熱量(單位：Wm-2)，Φ2表示人體衣著覆蓋率。

本文討論的是人們處于室內(nèi)且通風良好，還未穿衣的情況，于是，皮膚和衣服吸收太陽輻射均為零，人體衣著覆蓋率為零的情況，即Qw=0，Φ2=0。因此，由(1)式，可得

Qu=Q-Qv

(2)

由文獻[3]，肺呼吸作用失熱量的計算公式

Qv=0.143-0.00112T-0.0168ea

(3)

其中，T表示氣溫(單位：℃)，ea表示空氣中的水汽壓(單位：kPa)。為簡便起見，記K=kPa。

同時，由物理學歐姆定律可得，人體裸露部分失熱的計算公式為：

(4)

其中：

Ta表示體感溫度，即本節(jié)所求。

Zs表示皮膚潛熱傳輸阻力，Zs的變化對體感溫度的影響不大[8]，因此，取為Zs=0.00446m2KW-1[3]。

Rs表示皮膚顯熱傳輸阻力，在體內(nèi)溫度Tb=37℃時，取Rs=0.0408。

將(2)式、(3)式、Ra,Za,ea的計算公式及Tb,Rs,eb,Zs的取值代入(4)式，可得到關(guān)于體感溫度Ta的計算公式：

(5)

因此，體感溫度Ta是一個四元函數(shù)，其自變量包括氣溫T、風速V、相對濕度S以及體內(nèi)新陳代謝所產(chǎn)生熱量Q。由于體內(nèi)新陳代謝所產(chǎn)生熱量Q隨年齡、性別等因素的不同而不同，因而本節(jié)根據(jù)[10]中的數(shù)據(jù),給出了兩種年齡段不同性別的平均Q值(詳見表1)。

表1 不同人群的平均Q值/(Wm-2)

將表1中代謝熱量Q值代入(5)式，即可計算四種不同人群在不同氣溫、風速、相對濕度條件下的體感溫度。

(二)穿衣厚度的計算公式。一般情況下，穿衣厚度y的經(jīng)驗公式[1]為：

(6)

但穿衣厚度除受到如溫度、風速等環(huán)境因素的影響，還會受濕度的影響，并根據(jù)性別、年齡的不同而不同。因此，本文采用與文獻[4]相似的做法，用體感溫度Ta取代(6)式中氣溫T：

(7)

從而，穿衣厚度y也是一個復雜的四元函數(shù)，其自變量與體感溫度Ta相同。

(三)穿衣推薦。在本節(jié)中，我們結(jié)合體感溫度、穿衣厚度的計算公式(5)和(7)，計算了在相對濕度為60%，風速為3m/s的條件下，當體內(nèi)溫度Tb=37℃時，不同人群在不同天氣和溫度下的體感溫度及穿衣厚度，并結(jié)合文獻[1]推薦了相應的穿衣款式(詳見表2)。從表2可以看出，相同氣象環(huán)境中的不同人群的體感溫度差異是存在的?？偟膩砜?，體感溫度從高到低的排列次序為，青壯年男性、青壯年女性、老年男性、老年女性。但差異還是比較小的。

表2 穿衣厚度對照表

(續(xù)表2)

三、鄭州地區(qū)的應用研究

河南省鄭州市屬于北溫帶大陸性季風氣候，冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明。春季干燥少雨多旱，冷暖多變大風多；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時間短促；冬季漫長而干冷，雨雪稀少。因此，本文選取鄭州市的具體天氣情況為例，進行實際的應用研究。

(一)一年內(nèi)穿衣厚度的變化研究。選取鄭州2019年春季3月的風速、溫度及相對濕度等天氣數(shù)據(jù)(見圖1～圖3)，來求一個典型青壯年男性的體感溫度以及穿衣厚度。

圖1 鄭州三月每日風速 圖2 鄭州三月每日平均溫度 圖3鄭州三月每日平均濕度

運用體感溫度計算公式(5)以及穿衣厚度計算公式(7)，可繪制2019年3月他的每日體感溫度折線圖(圖4)和穿衣厚度折線圖(圖5)。

圖4 典型青壯年男性的體感溫度 圖5 典型青壯年男性的穿衣厚度

進一步地，我們收集了2019年6月、9月、12月的每日平均溫度、平均風速和平均濕度數(shù)據(jù)(詳見圖6至圖8)。

圖6 日平均溫度 圖7 日平均風速 圖8 日平均相對濕度

根據(jù)這些氣象數(shù)據(jù)，可計算此人的體感溫度及穿衣厚度(詳見圖9和圖10)。

圖9 典型青壯年男性的各月份體感溫度 圖10 典型青壯年男性在各月份穿衣厚度

數(shù)據(jù)表明3月以及12月溫度較低，穿衣厚度值明顯偏大，6月及9月處于夏季初和夏季末，天氣較炎熱，穿衣厚度值明顯減小。另外，值得注意的是，當體感溫度超過25.8℃時，穿衣厚度出現(xiàn)了負數(shù)，這一方面說明，人體的不適感很強烈；另一方面說明，在(1)式中取皮膚和衣服吸收太陽輻射均為零，會造成穿衣厚度偏小。

(二)穿衣厚度趨勢研究。本節(jié)將鄭州市2011年3月、12月的平均氣溫分別與2019年3月、12月的平均氣溫進行對比，折線圖詳見圖11和圖12。

圖11 2011年3月與2019年3月的日平均溫度對比 圖12 2011年12月與2019年12月的日平均溫度對比

從對比圖可看出，在多數(shù)情況下，2019年3月、12月的平均氣溫明顯高于2011年同期氣溫。通過計算得到的穿衣厚度折線圖(見圖13和圖14)，可以得出，2011年3月、12月的青壯年男性群體穿衣厚度要比2019年同期明顯厚一些。

圖13 2011年3月與2019年3月穿衣厚度對比 圖14 2011年12月與2019年12月穿衣厚度對比

四、結(jié)語

本文引入了相對濕度和氣溫，得到以溫度、風速、相對濕度等環(huán)境因素及新陳代謝熱量為變量的體感溫度的精確計算公式，進而得到穿衣厚度計算公式。在給定風速、相對濕度的情況下，給出青壯年、老年男性及女性的體感溫度及穿衣厚度，并推薦了穿衣款式。之后，利用鄭州市2019年四個不同月份的氣候數(shù)據(jù)，計算了一位青壯年男性每天的體感溫度及相應的穿衣厚度。最后，對比分析了2011年及2019年的3月及12月的青壯年男性的穿衣厚度變化趨勢，明顯可以看出，穿衣厚度變化趨勢與實際情況基本相符，同時，全球變暖的趨勢使得人們在穿衣厚度上已有了明顯的體現(xiàn)。