基于氣象數據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

現今，人們生活水平提高，在吃飽穿暖的基礎上，越來越追求優雅精致。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，研究各類氣象數據、個人因素與穿衣厚度的關系，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，穿衣厚度與環境因素、人體的感受等密切相關。劉燕等[1]研究了著裝厚度氣象指數，提出簡單的穿衣厚度公式，并根據不同厚度值給出對應的服裝款式。朱凌云等[2]在著裝氣象指數研究中，表示穿衣厚度與環境因素密切相關。而劉梅等[3]以熱量平衡為基礎研究體感溫度，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預報。賈碩等[5]、穆璐等[6～7]分別研究了基于氣象數據的穿衣指數。本文將從體感溫度的推導入手，結合文獻[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據為例進行應用研究，為人們提高生活質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表示體內新陳代謝所產生熱量(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，其自變量包括氣溫T、風速V、相對濕度S以及體內新陳代謝所產生熱量Q。由于體內新陳代謝所產生熱量Q隨年齡、性別等因素的不同而不同，因而本節根據[10]中的數據,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的經驗公式[1]為：

(6)

但穿衣厚度除受到如溫度、風速等環境因素的影響，還會受濕度的影響，并根據性別、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，其自變量與體感溫度Ta相同。

(三)穿衣推薦。在本節中，我們結合體感溫度、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，相同氣象環境中的不同人群的體感溫度差異是存在的。總的來看，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

(續表2)

三、鄭州地區的應用研究

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據(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據(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

根據這些氣象數據，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

數據表明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，穿衣厚度出現了負數，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據，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。