氣象條件對馬拉松成績影響的研究

武雪蓮

馬拉松比賽時長為2～5h，屬于高強度運動。整個運動過程是對人體極限的挑戰(zhàn)，除了對體質(zhì)和技能要求很高，其成績受天氣影響也很大。Trapasso L M[8]分析了1957—1987年波士頓男子馬拉松特異成績與氣象條件關(guān)系，認(rèn)為陰天并伴有微量降水的天氣較容易破紀(jì)錄，Timo Vihma[9]分析了1980—2008年斯德哥爾摩馬拉松成績與天氣的關(guān)系，表明氣溫、風(fēng)速、濕度與日光照射都可以影響未完成比賽的人數(shù)比例。Ely等[5]研究了10～36年間美國和加拿大馬拉松賽，認(rèn)為濕球溫度與馬拉松成績有很大相關(guān)。Zhang Suping[11]，趙國 雄[3]，葉 殿 秀 等[2]研 究 了 北 京馬拉松比賽成績與天氣條件的影響，從不同角度做出不同的結(jié)論。以上研究大都是針對具體地區(qū)進(jìn)行研究，有必要對世界所有馬拉松賽事進(jìn)行研究，以從整體上把握天氣條件對馬拉松賽事的影響。本研究通過研究世界優(yōu)秀馬拉松賽事與天氣的相互關(guān)系，以及不同性別、不同競技能力水平的人群所受的影響，探尋不同氣象因子在不同范圍內(nèi)對運動成績的影響規(guī)律，以期為運動訓(xùn)練計劃和比賽狀態(tài)調(diào)整、提高運動成績提供理論依據(jù)和預(yù)防措施。

1 研究對象與方法

馬拉松的比賽成績分別從國際田聯(lián)網(wǎng)站和各城市馬拉松的網(wǎng)站獲得的官方數(shù)據(jù)，選取了10年內(nèi)各賽次的前3名平均成績、前8名平均成績、第25名、第50名、第100名成績代表不同競技能力水平的群體作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計依據(jù)，其中世錦賽和奧運會8場賽事的參賽運動員成績不足百人，故取其余43場賽事第100名平均值代替。所查閱的比賽有世界錦標(biāo)賽（6）、奧運會馬拉松比賽（2）、倫敦馬拉松賽（8）、紐約馬拉松賽（11）、巴黎馬拉松賽（3）、柏林馬拉松賽（12）、東京馬拉松賽（5）、芝加哥馬拉松賽（4）等51場比賽（以上括號內(nèi)的數(shù)字為所參閱的比賽場次），所選賽次皆為近幾年來世界著名的馬拉松賽事，無論從比賽規(guī)模和比賽成績都是世界頂尖級的。

氣象數(shù)據(jù)來自世界氣象組織網(wǎng)站對當(dāng)時當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r的官方數(shù)據(jù)記載，其數(shù)據(jù)精確到每半小時天氣情況。因為所選賽次的運動員比賽成績在2～3h之間，為此，統(tǒng)計比賽時段的氣象要素時，如鳴槍時間不為正點或正半點，則以之前正點或正半點和之后兩個整點觀測值進(jìn)行統(tǒng)計，如鳴槍時間為正點或正半點，則以之后3h觀測值進(jìn)行統(tǒng)計。分別從賽中平均氣溫、濕度、風(fēng)速、海平面壓等4個氣象因子分析天氣對馬拉松比賽成績的影響。人類的實際冷熱感不僅取決于單個氣象指數(shù)，人體生物氣象綜合指數(shù)，例如風(fēng)冷指數(shù)（Ko）、不適指數(shù)（Ic）、有效溫度（有風(fēng)，ETv）等對機體產(chǎn)生影響的因子也在分析之列。其公式如下：

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析處理，顯著性水平為P＜0.05，非常顯著性水平為P＜0.01。

2 研究結(jié)果與分析

在過熱或過冷氣候下進(jìn)行馬拉松賽事是具有爭議性的[7]，大部分馬拉松賽事也大都是在比較涼爽的天氣條件下進(jìn)行的[4]。根據(jù)田徑競賽規(guī)則，公路賽跑在4月或5月，或者9月至12月，故而氣象值少有極端值出現(xiàn)。然而，競賽中的天氣變化常常是難以預(yù)測，甚至是一個競賽過程中的溫差，風(fēng)速等都會有不同變化。例如，2011年巴黎馬拉松在比賽過程中的前3h內(nèi)溫差變化7℃，競賽日的溫差變化為15℃，因此，天氣變化的不確定性無法讓競賽者給自己充分的準(zhǔn)備。只能是盡可能了解氣象的信息，使其能在訓(xùn)練中做好足夠的適應(yīng)。天氣對運動員的影響主要反應(yīng)在環(huán)境對體熱的控制。馬拉松運動過程中的體熱變化主要反應(yīng)在熱平衡調(diào)控，即能量代謝所產(chǎn)生的熱量與環(huán)境的交換。熱平衡方程可以描述熱能與環(huán)境交換過程：

S是指機體所儲存的熱量，M即機體代謝所產(chǎn)生的熱能，W代表用于做體外工作的小部分熱量，對流（C）和輻射（R）主要是熱能交換，E是蒸發(fā)丟失的熱量。通過公式可知，馬拉松運動過程中環(huán)境對機體的影響主要是熱能交換。其方式主要是以皮膚為媒介，通過輻射、對流和蒸發(fā)等方式進(jìn)行熱交換。

2.1 氣象條件與比賽成績的關(guān)系

2.1.1 氣溫與運動成績

從表1、表2中可看出，氣溫與運動員成績的相關(guān)性具有性別差異。男子優(yōu)秀運動員前3名與前8名平均成績都與氣溫呈正相關(guān)，表明氣溫越高，比賽耗時越多，成績越差。女運動員的相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果有所不同，第25名 、第50名、第100名 的比賽成績與氣溫都呈負(fù)相關(guān)，表明氣溫越高，比賽耗時越少，成績越好。從男、女對比中發(fā)現(xiàn)，男子優(yōu)秀馬拉松運動員對高溫反應(yīng)比較敏感，而非優(yōu)秀女運動員對冷較為敏感，高溫未能影響優(yōu)秀女運動員創(chuàng)造優(yōu)異成績，這與葉殿秀等研究結(jié)果一致[2]。

從個別賽事、運動員個體角度依然可以看出明顯的氣溫與運動成績，以及男、女差異的關(guān)系，2007年大阪國際男子馬拉松賽事，早晨7：00鳴槍時，當(dāng)?shù)貧鉁鼐鸵堰_(dá)28℃，濕度則高達(dá)81%；至比賽結(jié)束時，濕度下降到67%，溫度則上升到33℃。高溫高濕造成運動員們的成績普遍偏低，其成績是所選51場馬拉松賽事中成績最低的一屆?？夏醽嗊\動員吉貝特最終用了2h15min 59s奪得了冠軍，這一成績比他的賽季最好成績慢了5min 52s。而女子比賽過程中最高溫度也一度達(dá)到30℃，最低溫度28℃，然整個比賽成績雖在近幾屆世界錦標(biāo)賽表現(xiàn)最低，但在51場賽事成績中列于中等。

表1 男子馬拉松比賽運動員運動成績與氣象因子相關(guān)系數(shù)一覽表Table1 Correlation Coefficient between Men’s Marathon Athletes’Performance and Meteorological Factor

表2 女子馬拉松比賽運動員運動成績與氣象因子相關(guān)系數(shù)一覽表Table2 Correlation Coefficient between Women’s Marathon Athletes’Performance and Meteorological Factor

2.1.2 濕度與比賽成績

從表1和表2中可以看出，相對濕度與馬拉松運動員比賽成績并沒有呈統(tǒng)計上的顯著相關(guān)。從整體角度無法看出相對濕度對成績的影響。Trapasso和Cooper[8]研究曾表明，干球溫度和相對濕度并不能夠很好地解釋其與馬拉松成績的關(guān)系。Hentschel G[6]認(rèn)為，氣溫適中的前提下，相對濕度變化對人體影響較少，只有極高或極低氣溫下，相對濕度才能對人體所感受到的有效溫度產(chǎn)生影響。因此，濕度對人體的影響須從更細(xì)致的角度，或者與氣溫等其他氣象因子結(jié)合才能有所表現(xiàn)。

2.1.3 風(fēng)速與比賽成績

風(fēng)速對溫度的影響主要是因為風(fēng)可以使得空氣流動加快，把處于高溫的機體熱量帶走。同時風(fēng)速大，蒸發(fā)散熱也會加強。另外，風(fēng)速過大時，克服空氣阻力會增加體力消耗進(jìn)而影響競賽成績。從表1、表2相關(guān)性統(tǒng)計分析結(jié)果看，風(fēng)速對于馬拉松運動員成績沒有很大影響，僅女子第50名與第100名運動員成績與風(fēng)速呈顯著相關(guān)，表明風(fēng)速對于非優(yōu)秀女子馬拉松運動員成績影響較大。但風(fēng)速值過大時對所有運動員都有影響，所選取的賽事中風(fēng)速相對比較穩(wěn)定，大都在20km/h（5.6m/s）以下，但是，有3場比賽日本東京2010、2009和2007年賽事的風(fēng)速超過25km/h（6.9m/s）。這3場賽事所有成績都較東京馬拉松其他年份賽事成績降低很多。

2.1.4 海平面氣壓與比賽成績

通常情況下人們很少關(guān)心大氣壓力的變化及其影響。人體對氣壓的變化有較強的適應(yīng)能力，對運動成績的影響不像溫度、濕度那么顯著，但也不能完全忽略不計。氣壓對人體的影響可歸納為生理影響和心理影響。從生理角度主要是影響人體內(nèi)氧氣的供給，人每天需要大約750 mg的氧氣，其中20%為大腦所用。當(dāng)自然氣壓下降時，大氣中氧分壓、肺泡中氧分壓以及動脈血氧飽和度都隨之下降，血氧過少，運動員容易疲勞。因此，高氣壓有利于運動員成績的發(fā)揮。氣壓會使人心理上產(chǎn)生壓抑感，例如，低氣壓下的陰雨和濕冷天氣以及高溫、高濕的悶熱天氣，常會使人憂郁煩躁，這會引起即植物神經(jīng)趨于緊張，釋放腎上腺素，導(dǎo)致血壓上升、心率加快、呼吸急促等。這些影響對于優(yōu)秀運動員來說，大多都能通過訓(xùn)練產(chǎn)生適應(yīng)，故未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計上的顯著差異。本研究將男、女所有前8名共408個成績?nèi)∏?0%與后10%，各40人的成績進(jìn)行散點圖對比（圖1、圖2），男子前40名成績的氣壓都均勻分布在1 200hpa左右，呈倒三角形，而男子后40名成績則約分布在約1 015hpa的兩側(cè)，呈 W型，表明氣壓高更易獲得優(yōu)異成績，但大部分成績都產(chǎn)生于1 010hpa以上。而女子成績的氣壓分布則表現(xiàn)不同，女子前40名運動員成績大都分布在1 010hpa與1 020hpa之間呈X型，后40名運動員成績大都分布在1 010hpa左右，呈有傾斜的U型。通過對比圖可知，男子運動員優(yōu)秀成績出現(xiàn)在1 015～1 025hpa之間，而女子運動員優(yōu)異成績則出現(xiàn)在1 010～1 020hpa之間，稍滯后于男子。

2.1.5 生物氣象因子與比賽成績

根據(jù)本研究所查閱到的氣象信息，所能計算出的生物氣象因子包括：有效溫度（有風(fēng)）、風(fēng)冷指數(shù)和舒適指數(shù)。對于女子運動員來說，生物氣象學(xué)指標(biāo)比單一氣象指標(biāo)相關(guān)性要好（表2），有效溫度（有風(fēng)）、舒適度都與女運動員成績呈顯著負(fù)相關(guān)，意味著有效溫度和舒適度越高，運動成績越好。風(fēng)冷指數(shù)則與女運動員成績呈正相關(guān)，風(fēng)冷指數(shù)是表示人體散熱能力的指標(biāo)，其值越高成績越差，表示散熱大則成績差。女子風(fēng)冷指數(shù)和舒適度與成績的相關(guān)性表明，女運動員耐熱不耐冷。但是，男子的生物氣象指數(shù)大部分沒有表現(xiàn)統(tǒng)計上的顯著性（表1），僅有舒適度指標(biāo)與成績呈顯著正相關(guān)，舒適指數(shù)越大，則成績越差（由計算公式可知，氣溫越高，舒適指數(shù)越大），表明男運動員對熱的耐受力差，這一研究結(jié)果與葉殿秀等研究結(jié)果一致[2]。

圖1 男子馬拉松比賽成績與氣壓分布散點圖Figure1.Grade Scatter Distribution of Men’s Performance and Air Pressure

圖2 女子馬拉松比賽成績與氣壓分布散點圖Figure2.Grade Scatter Distribution of Women’s Performance and Air Pressure

2.2 氣象成績分類

氣象成績分類能更明確地發(fā)現(xiàn)每個氣象因子在不同類別下對成績影響的程度，本研究根據(jù)前人研究的成果對各個氣象因子分類，其結(jié)果如下。

2.2.1 風(fēng)速分類

葉殿秀等[2]研究表明，男子馬拉松運動適宜風(fēng)速指標(biāo)為2～4m/s，女子為2～5m/s。本研究以每1m/s劃分一個類別，分類為＞4m/s，3～4m/s，2～3m/s，＜2m/s四個類別，比較均值變化。結(jié)果表明男子在各個分類上成績并不具有顯著差異（表略），而女子各名次成績與風(fēng)速則都具有顯著差異（表3），主要差異都存在＞4m/s與2～3 m/s，＜2m/s的風(fēng)速下（P＜0.05），表明風(fēng)速越大對女子成績影響越大。風(fēng)速的作用主要是散熱與阻力或助力，當(dāng)風(fēng)速大于4m/s，散熱能力加強，運動員所受阻力或者助力增加，女運動員較男運動員速度慢，力量弱，對抗阻力能力較差，風(fēng)大散熱快，對其耐熱不耐冷的體質(zhì)特點也會不利，其成績會受到影響。而男運動員不耐高熱的特點在大風(fēng)散熱快的條件下有所補償，對成績影響不大。

2.2.2 不同有效溫度分類對男子運動員的影響

人體在戶外條件下感覺等級分類主要是基于有效溫度，有效溫度是指個體對周圍溫度的知覺，是個體的主觀感受。許多因素會使有效溫度發(fā)生變化，主要有濕度、風(fēng)速。根據(jù)Hentschel[6]的研究表明，有效溫度是解釋炎熱和悶熱程度的最合適指標(biāo)。對于戶外娛樂、旅游和人類生活來說12℃≤ET≤24℃屬于比較舒適的溫度，而0～12℃則是感覺比較涼爽，大于30℃則會感覺炎熱。對于競賽中的溫度是否是一致？Zhang Suping[11]對北京國際馬拉松賽9年的成績分類發(fā)現(xiàn)8～15℃是最適合馬拉松運動員出成績的有效溫度。基于以上研究本研究以5℃為一個階段進(jìn)行分類。

表3 風(fēng)速分類對女子馬拉松比賽運動員的影響一覽表Table3 Women’s Wind Speed Classification （±SD）

表3 風(fēng)速分類對女子馬拉松比賽運動員的影響一覽表Table3 Women’s Wind Speed Classification （±SD）

注：＊代表P＜0.05。

＞4m/s 3～4m/s 2～3m/s ＜2m/s F P前3名 9 118±622 8 859±378 8 667±145 8 752±299 2.83 0.04＊前8名 9 321±659 9 018±393 8 818±159 8 894±299 3.32 0.03＊第25名 10 597±560 10 338±500 10 028±362 10 052±497 3.6 0.02＊第50名 11 223±413 10 595±376 10 680±389 10 650±523 4.56 0.01＊第100名 11 802±474 11 495±385 11 360±328 11 259±390 4.29 0.01＊

從表4中可以看出，對于男子前3名與前8名運動員，4個有效溫度類別下的成績有顯著差異，進(jìn)一步檢驗后表明對于前3名運動員，＞20℃的成績與15℃～20℃（P＜0.05），10℃～15℃（P＜0.01），＜10℃（P＜0.01）都有顯著差異，成績明顯在＞20℃條件下有較大下降，而15℃～20℃與10℃～15℃有效溫度條件下的成績也有顯著差異（P＜0.05）。對于前8名運動員也有類似的趨勢。但第25名與第50名、第100名運動員成績在不同的有效溫度分類下成績并沒有顯著差異。由此可知，對于男子優(yōu)秀馬拉松運動員 （前8名）受有效溫度影響較高，10℃～15℃是較適宜出成績的溫度，隨著溫度升高，其成績變化呈下降趨勢，而對于非優(yōu)秀運動員的影響相對較弱。這主要是由于男運動員速度較快，代謝產(chǎn)熱高，同時高溫帶來大量排汗，礦物質(zhì)流失嚴(yán)重，容易疲勞。

表4 有效溫度分類對男子馬拉松比賽運動員的影響一覽表Table4 Men’s Effective Temperature Classification （±SD）

表4 有效溫度分類對男子馬拉松比賽運動員的影響一覽表Table4 Men’s Effective Temperature Classification （±SD）

注：＊＊代表P＜0.01，＊代表P＜0.05。下同。

＞20℃ 15℃～20℃ 10℃～15℃ ＜10℃F P前3名 7 887±235 7 726±100 7 638±99 7 694±127 5.28 0.00＊＊前8名 7 963±215 7 845±120 7 747±102 7 784±135 4.27 0.01＊第25名 8 370±258 8 577±217 8 459±362 8 610±368 0.97 0.41第50名 9 011±480 8 984±234 8 935±184 8 955±236 0.17 0.91第100名 9 429±186 8 481±191 9 392±190 9 432±161 0.78 0.51

2.2.3 不同有效溫度分類對女子運動員的影響

為了便于了解性別差異，將女運動員的分類標(biāo)準(zhǔn)等同于男運動員。從表5中可以看出，對于女子前3名和前8名運動員來說，有效溫度并沒有給成績帶來很大影響，而第25名、第50名、第100名運動員受影響較大，其在＞20℃條件下成績明顯好（P＜0.05），而15℃～20℃與10℃～15℃條件下的溫度也有差異（P＜0.05），說明女子非優(yōu)秀運動員對于低溫更敏感，耐高溫能力較男子更強，與前述一致。

2.2.4 風(fēng)冷指數(shù)分類

葉殿秀等研究認(rèn)為[2]，男、女最適合的風(fēng)冷指數(shù)為400～500，本研究根據(jù)這一結(jié)果將風(fēng)冷指數(shù)分類4類：＞600，500～600，400～500，＜400。分析結(jié)果表明，不同的風(fēng)冷指數(shù)分類結(jié)果并未對男子運動員有影響（表略），而對女子具有顯著差異（表6），進(jìn)一步做各水平間的比較發(fā)現(xiàn)，前3名運動員均值與前8名運動員均值的差異都表現(xiàn)在風(fēng)冷指數(shù)＞600下的成績差于其他類別（P＜0.05）。而第25名、第50名、第100名運動員成績各水平間的顯著差異表現(xiàn)在＜400類別下成績明顯高于其他類別。表明優(yōu)秀女運動員對于＞600的風(fēng)冷指數(shù)比較敏感，而非優(yōu)秀運動員在＜400的風(fēng)冷指數(shù)下成績明顯見好。

表5 女子馬拉松比賽有效溫度分類一覽表Table5 Women’s Effective Temperature Classification （±SD）

表5 女子馬拉松比賽有效溫度分類一覽表Table5 Women’s Effective Temperature Classification （±SD）

＞20℃ 15℃～20℃ 10℃～15℃ ＜10℃F P前3名 8 901±112 8 669±135 8 798±388 9 089±412 2.52 0.07前8名 8 952±100 8 836±161 8 974±399 9 258±652 2.19 0.10第25名 9 430±193 10 051±555 10 363±339 10 504±544 7.04 0.00＊＊第50名 10 305±646 10 729±574 10 918±279 11 097±467 3.73 0.02＊第100名 10 866±448 11 352±445 11 535±365 11 649±439 4.54 0.01＊

表6 不同風(fēng)冷指數(shù)分類對女子馬拉松比賽運動員的影響一覽表Table6 Women’s Wind Chill Index Classification （±SD）

表6 不同風(fēng)冷指數(shù)分類對女子馬拉松比賽運動員的影響一覽表Table6 Women’s Wind Chill Index Classification （±SD）

＞600 500～600 400～500 ＜400F P前3名 9 203±584 8 739±326 8 743±342 8 773±289 3.70 0.02＊前8名 9 373±654 8 939±323 8 877±373 8 920±287 3.43 0.02＊第25名 10 584±561 10 360±305 10 211±476 9 975±555 3.63 0.02＊第50名 11 175±471 10 902±278 10 955±263 10 593±587 3.99 0.01＊第100名 11 717±339 11 544±353 11 549±389 11 196±400 4.28 0.01＊

3 結(jié)論

馬拉松比賽受天氣條件影響較大，但不同性別，具不同競技能力的群體所受影響不同。

1.氣溫對男、女馬拉松比賽運動員成績都有影響，優(yōu)秀男子馬拉松運動員（前8名）對高溫反應(yīng)比較敏感，而女運動員對冷較為敏感，高溫則未能影響優(yōu)秀女運動員（前8名）成績發(fā)揮。

2.海平面壓對男、女運動員運動成績影響表現(xiàn)不同，男運動員對于氣壓高更易獲得優(yōu)異成績，大部分成績都產(chǎn)生于1 010hpa以上，優(yōu)異成績更多頻次出現(xiàn)在1 015～1 025hpa之間，而女運動員優(yōu)異成績則出現(xiàn)在1 010～1 020hpa之間。

3.單個濕度因子對馬拉松比賽運動成績并沒有很大影響，風(fēng)速對于馬拉松運動員成績影響也不大，僅女子第50名與第100名運動員成績與風(fēng)速呈顯著相關(guān)，表明風(fēng)速對于女子非優(yōu)秀馬拉松運動員成績影響較大。在分類比較中也發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越大對女子運動員成績影響較大，大于4m/s成績降低很多。

4.優(yōu)秀男子馬拉松運動員（前8名）受有效溫度影響較高，10℃～15℃是較適宜出成績的溫度，隨著溫度升高，其成績變化呈下降趨勢；而對于非優(yōu)秀運動員（第25、50、100名）的影響并未見顯著差異。女子優(yōu)秀運動員并沒有受有效溫度影響很大，非優(yōu)秀運動員在＞20℃有效溫度下成績相對較高，其耐高溫能力更強，進(jìn)一步表明女運動員耐高溫能力較男子強。

5.男、女運動員比賽成績對綜合氣象因子的反應(yīng)不完全一致。生物氣象學(xué)指標(biāo)對于女子運動員而言比單一氣象指標(biāo)相關(guān)性要好，有效溫度、風(fēng)冷指數(shù)和舒適度與成績大都呈顯著性相關(guān)，而男子運動員的成績僅與舒適度指標(biāo)顯著相關(guān)。

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