基于智能客戶端的跑步氣象指數預報方法研究

樂益龍，盧晶晶，鮑晗澍

（1.寧波鄞州區氣象局，浙江 寧波 315012；2.寧波市氣象服務中心，浙江 寧波 315012）

引言

跑步作為一種最大眾化和最經濟的運動健身方式，越來越多的成為大眾日常健身的首選運動項目之一。據有關部門統計，跑步是參與人數最多的一項運動，很受廣大群眾歡迎。由于跑步運動主要是在戶外進行，無論是對于普通民眾健身還是專業人士的跑步成績，氣象條件都會對其有較明顯的影響。如何根據天氣條件，選擇適宜的氣象條件開展跑步運動成了眾多跑步愛好者關心的事情。目前氣象部門針對公眾開發了很多生活氣象指數產品，如：旅游指數，逛街指數，登山指數等，為公眾出行、旅游、運動提供氣象建議和指導。像這類戶外活動指數的設計，研究方法主要基于天氣現象，風力、氣溫等天氣要素對戶外活動的影響程度，以氣象條件的利好程度作為分級指標，而像跑步這種更具有專業性的氣象指數，還要考慮氣象因子本身的變化規律對跑步活動的影響程度。目前專門針對跑步設計的氣象指數并不多見，知名天氣預報應用The Weather Channel［1］新增了一個有趣的功能：跑步預報。能夠查看最佳的跑步時間，并且還能預報一周內哪一天的天氣適合跑步，以及自定義GoRun指數。該指數在天氣類的APP里實現應用，獲得了很好的應用反饋，但由于是國外APP，在融入本地應用市場方面還存在一定的欠缺。國內主流的跑步類APP［2］，如咕咚，悅跑圈，小米運動等，已占據了市場大部分份額，均擁有各自的忠實用戶。這些APP主要是幫助用戶記錄運動健身數據、指數等功能，并不具備建議適宜跑步的氣象條件的功能，因此需要為智能化客戶端建立一套“量身打造”的跑步指數產品預報方法。指數設計根據手機，手表等智能化客戶端應用特點，可提供分區域、分時段的精細化跑步氣象指數預報產品，真正為用戶提供科學有效的應用建議。

1 資料與方法

影響跑步的氣象因素主要有天氣狀況、氣溫、風力、濕度和空氣質量等，還有些非氣象因子，在此不做考慮。項目研究利用的氣象資料取自寧波市一般氣象觀測站、自動氣象站和紫外線觀測儀?？諝赓|量資料取自寧波市環境監測站。

跑步氣象指數采用十分制的評分方法，設計原理是考量各氣象因子對跑步運動的綜合影響進行“打分”，再通過對不同氣象因子影響程度賦予不同的權重，綜合評判得到最后的評分結果。對各氣象影響因子最優氣象條件的評分設為10分，最差氣象條件評分為0分，將最適宜跑步的氣象條件作為氣象因子評分最優指標，分數的變化區間與上述6個等級相匹配，最后綜合考慮各氣象因子的評分結果。由于每個氣象因子的數值單位都不相同，對每個氣象要素進行歸一化。歸一化標準化也稱為離差標準化，是對原始數據的線性變換，使結果值映射到［0-1］之間。根據氣象因子的最優評分指標確定各氣象因子的評分臨界值，根據氣象因子與臨界值的誤差值建立歸一化樣本，然后采用十分制進行評分。評分公式如下：

其中max為樣本數據最大值，min為樣本數據最小值，x0為樣本臨界值。利用該方法可以使評分線性變化，在設定的某一數值范圍內評分將隨著氣象因子數值的增大或減小線性遞增或遞減。

2 氣象因素對跑步的影響分析

根據前人對影響跑步的氣象因素研究以及對跑步愛好者的調研結果，對跑步主要的影響包括氣象條件本身對戶外活動的影響和氣象要素變化對跑步者生理產生的影響。氣象條件本身對戶外活動的影響主要包括天氣狀況和環境，如大雨、雪、雷電、重污染等，一般上述天氣出現的時候不利于在戶外跑步。對跑步者產生生理影響的氣象條件主要包括氣溫、風速、濕度、降水等。根據武雪蓮［3］，劉韜［4］等對氣象因素對跑步影響的研究，氣溫在12到20℃之間都是最適合跑步的溫度，但如果氣溫過高和氣溫過低則不適合長時間的跑步，因為氣溫過高，跑步者出汗太多，會喪失大量水分和微量元素，容易造成脫水，而氣溫過低，人的肌肉會發生收縮，過冷的空氣也不利于呼吸道系統。葉殿秀［5］等研究表明，馬拉松跑步運動適宜風速指標在2～5m·s-1，說明一定的風速對跑步有積極的作用，當風速＜5m·s-1，風速的作用主要是散熱與助力，當風速＞5m·s-1風速的作用主要變成了阻力。濕度過大，不利于汗液的蒸發和身體散熱，跑步者會感到煩惱郁悶，濕度太小，空氣過于干燥，跑步者長時間運動會容易脫水。劉韜［4］的研究表明，比較適合長跑的空氣相對濕度范圍是30%～60%。降水對跑步的影響主要是氣象條件本身的影響，不過微量的降雨也會對跑步者產生一定的生理影響，有研究表明下毛毛雨對跑步者來說是適宜的天氣。

上述分析表明，對大雨、雪、雷電、重污染等不利于出行跑步的氣象條件，可根據上述氣象條件的出現程度直接判定跑步氣象等級。氣溫、風速、濕度等氣象因子的變化可對跑步者產生不同程度的影響，因此對此類氣象因子可采取線性評分的方法，當氣象因子數值隨時間發生變化時，評分也相應的產生變化，線性評分可以反映氣象因子對跑步者影響程度的變化。

3 跑步氣象等級劃分

基于智能客戶端應用的跑步氣象指數預報最終呈現方式為跑步氣象等級，首先根據十分制的評分方法劃分跑步氣象等級，分數越高，越適宜跑步，分數越低越不適宜跑步。表1按照分數的大小劃分6個跑步氣象等級，由于各氣象影響因子評分在0～10之間線性變化，因此對各氣象影響因子的評分原則上要對應6個跑步氣象等級的分級標準，跑步氣象等級各級別內的評分的線性變化體現了適宜程度的大小。

表1 跑步氣象等級

4 各氣象因子的評分方法

4.1 生理氣象條件評分方法

根據上述分析，氣溫、降水、風速、濕度都可對跑步者產生一定的生理影響，根據影響程度，可采用線性評分方法。每個氣象因子評分總分設為10分，分數越高，對跑步者的影響越小，跑步條件越好，分數越低，對跑步者的影響越大，跑步條件越差。下面根據各氣象因子的特點分析各氣象因子的評分指標，并確定樣本臨界值，均采用公式（1）進行線性化評分。表2給出了各氣象因子的具體評分方法。

（1）氣溫

根據對跑步者的調研結果，一定范圍內氣溫的變化對跑步者的影響不大，因此將12到20℃設為最優氣溫指標，該氣溫區間內的分數均設為10分；當氣溫升高或降低到某種程度時，會對跑步者產生明顯的影響，設定氣溫低于2℃，或者高于35℃，評分不能高于5分。樣本臨界值分別取值12℃、20℃、2℃和35℃。

（2）降雨

降雨量為0時，評分設為10分，有研究表明，微量降雨對跑步者也是適宜的天氣，設定12h雨量＜0.5mm的評分為9～10分，樣本臨界值取值為0mm。評分最大上限雨量設為5mm，隨著雨量增大評分也線性降低，這樣的設計既考慮了微量降雨對跑步者特別是長時間慢跑帶來的舒適程度，也考慮到對降水有較高的敏感度的人群。

（3）風速

考慮到風速對跑步的助力作用，設定2～5m·s-1為最優的風速指標，跑步評分均為10分，隨著風速增大評分也線性降低；評分的最大上限風速設為10.8 m·s-1（6級風），如果風速達到8m·s-1及以上，評分不能高于5分。樣本臨界值分別取值2m·s-1、5m·s-1、8m·s-1。

（4）濕度

設定30%～60%為最優的相對濕度指標，考慮到濕度對跑步的影響程度比其他因子較低，濕度最低評分設為7分。如果其他氣象因素的評分低于7分，則主要的影響天氣不考慮濕度影響。樣本臨界值分別取值30%和60%。

4.2 戶外氣象條件評分方法

氣象條件對戶外活動的影響主要包括天氣狀況和環境，氣象因子評分主要考慮天氣狀況、紫外線和空氣質量，由于影響戶外活動的天氣基本都屬于不利的天氣條件，因此可根據天氣的影響程度直接定級評分，不考慮分數的線性變化。具體評分標準如下（表3）。

晴或多云天氣評分為10分，降雨量超過5mm考慮不適合進行戶外跑步活動，直接評分為0分。風速大于6級（10.8m·s-1）考慮不適合戶外跑步，直接評分為0分。出現雪或雷電時考慮不適合戶外跑步，直接評分為0分。紫外線和空氣質量基本屬于氣象條件本身對跑步的影響，由于紫外線和空氣質量已有相應的等級標準，則直接按照紫外線等級和空氣質量等級進行評分。相對來說紫外線對跑步的影響并沒有空氣質量的影響大，所以紫外線評分最低值設定為6分，而空氣質量達到重度污染級別時，設定評分為0分。

表2 影響生理氣象條件的評分方法

表3 影響戶外氣象條件的評分方法

5 確立跑步氣象指數

根據上述各項氣象因子評分的結果綜合評價跑步指數為G，跑步指數的具體評價方法是選取各項氣象因子評分的最小值，當跑步指數低于6分時，最小值對應的氣象條件作為首要影響天氣，若首要影響天氣為兩項或兩項以上時，并列為首要影響天氣?？紤]到每個跑步者對生理氣象因子的敏感程度有所差異，這里對氣溫、風速、雨量和濕度的生理氣象條件評分設置了關心權重，關心權重分為低、中、高三個等級，滿分為100%，最低關心權重為50%。跑步者可根據自己對氣象條件的關心程度設置關心權重，跑步指數G的計算公式如下：

f(T)氣溫評分，f(R)降水評分，f(V)風力評分，f(Z)紫外線評分，f(A)空氣質量，f(S)天氣現象。nT，nV，nR，nRH，分別表示氣溫、風速、雨量、濕度的關心權重，單位%。

在相同氣象條件下，由于自定義的關心權重不同，跑步指數的數值也存在差異，如圖1所示，不考慮關心權重時，最小跑步指數為6分，降雨為首要影響天氣，根據跑步氣象指數等級（表1），跑步指數在7分以上適合跑步，6分以下不適合跑步，代表有降雨天氣出現不適宜外出跑步，如果跑步者對降雨敏感不高，認為下雨天仍可以外出跑步，把降雨的關心權重設為中等60%，跑步指數最小為7分，所以該指數的設計對于每個跑步者來說都是個性化的。這個設計可以讓跑步者根據自身情況調整，預報符合自己適合跑步的時間和天氣。

圖1 不同關心權重的跑步指數案例

6 結論與討論

（1）指數設計采取10分制評分，考慮了氣象因子的線性變化，可以體現一段時間內指數隨氣象因子的時間變化，也可以體現不同區域氣象條件差異所引起的指數變化。比起傳統的等級式指數，評分制的指數設計可以實現分區域、分時段的精細化預報，滿足了在智能手機客戶端上按時間和地理位置定制以及跟蹤服務的功能。

（2）指數基于智能客戶端應用設計，增加了用戶的體驗感，根據用戶自身對氣象因子關心程度的需求，設計了不同氣象條件的關心權重設置，通過人機交互式的選擇，用戶可以很方便的定制自己關心的產品。

（3）目前指數設計比較簡單，對生理氣象條件的臨界指標取值只是停留在文獻和部分跑步用戶的調研階段，對更深層次的影響并未深究，另外，戶外條件的影響由于觀測資料和預報數據的局限性，沒有考慮如城市積澇，結冰等因素的影響，指數的設計算法還有待進一步的提高。

（4）由于指數的設計只考慮了跑步者對氣象條件的感受和戶外天氣條件利好程度，對跑步時段或跑步地點的選擇更多的取決于跑步者的主觀因素，所以跑步指數只是為跑步者提供一種基于氣象條件的建議，由于目前對跑步指數還沒有一個很好的檢驗標準，只能在實際應用中根據用戶體驗進一步改進算法，提升用戶應用效果。