氣象要素對馬拉松運動的影響機理

摘 要：統計馬拉松運動員的各個比賽的成績和記錄當時比賽時候的氣溫、氣壓、相對濕度、大氣含氧量，找出各個氣象要素與運動員比賽成績之間的關聯，試圖給出定量化的預報關系，進而驗證大氣含氧量對馬拉松運動員比賽表現影響的相關性是否高于單個氣象因子對運動員比賽表現影響的相關性。結果證實氣溫、氣壓對馬拉松運動員比賽表現的影響具有統計學意義上的相關性，相關系數為0.25和-0.26；相對濕度的影響并不顯著，相關系數僅為-0.01；而大氣含氧量對馬拉松運動員比賽表現影響的相關系數為-0.27。由此得出，大氣含氧量對馬拉松運動員比賽表現影響的相關性高于單個氣象因子的相關性。大氣含氧量對中長跑運動員的表現具有更直接的影響。

關鍵詞：氣象要素；馬拉松比賽；氣溫；氣壓；相對濕度；大氣含氧量

中圖分類號：P463.2 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

氣象條件對馬拉松運動員比賽表現的影響不容忽視，已有關于中長跑運動表現的研究多關注單個氣象因子對運動員訓練和比賽的影響，而實際上大氣含氧量是由多重氣象要素決定的，對中長跑運動員的表現可能具有更直接的影響[1]。綜合考慮由多重氣象要素決定的大氣含氧量因素，通過收集相關數據，找出比賽成績和大氣含氧量之間的相關性，分析證實其對馬拉松表現的影響機理與關鍵作用，在此基礎上可以找出取得優異成績時的氣象指標，有利于為運動員制定比賽計劃時提供有效的氣象依據[2-3]。

1 資料和方法

1.1 數據資料分析

為檢驗不同運動員的能力，從每年的馬拉松比賽結果中提取高水平（半程馬拉松最好成績快于1 h 40 min）馬拉松運動員成績，共計23人，均為男性。根據運動員近10年所有比賽的最好成績對各個運動員成績進行篩選，剔除異常成績，每人可收集的有效比賽數據為5～20場。查詢這些運動員所參加的賽事對應當時當地的各個氣象要素情況（包括氣溫、相對濕度和氣壓），并通過公式計算出相應大氣含氧量。在所有馬拉松比賽中，其比賽總耗時一般為2～3 h，因此氣溫、氣壓和相對濕度這3個氣象要素的選擇為比賽過程中整點記錄時的數據平均值。

大氣氧氣是人體呼吸和新陳代謝的重要因子。大氣含氧量與大氣壓密切相關，不論是平原還是高原，氧的相對濃度基本相同（20.93%），但是大氣中氧分壓和含氧量隨著密度和總大氣壓的下降也會相應減小[4]。

計算大氣含氧量的有關公式為：

ρ=80.67（ p-e）/（273+t）（1）

式（1）中，ρ為含氧量（g/m3），t為氣溫（℃），p為氣壓（hPa），e為水壓（hPa）。

從上述公式中可以看出，環境中氣溫、氣壓和水汽壓與大氣含氧量都有直接關系。

根據大氣運動方程組計算出這些運動員所參加過的比賽的大氣含氧量。統計每個運動員在各個比賽中的成績和比賽時的大氣含氧量之間的關聯，采用線性方法將比賽成績與大氣含氧量進行擬合，并計算其相關系數。

1.2 數據資料處理

比較氣溫、氣壓、相對濕度、大氣含氧量4個氣象要素對23名運動員近10年各個比賽成績的影響。分析每位運動員在考慮氣溫、氣壓、相對濕度和大氣含氧量等因素影響后的比賽成績，并通過最佳擬合線來計算修正后的成績，進而確定相關系數，然后對相關系數（4個氣象要素×23名運動員比賽成績）進行顯著性檢驗，采用單個總體比例的假設檢驗，樣本正/負相關比例P=a/n，a為正（負）相關數目，n為樣本數目。當n充分大時，a近似服從正態分布N[nπ，nπ（1-π）]；相應地自然有P=a/n近似服從正態分布N[π，π（1-π）/n]。實際上，當0.1≤π≤0.9，n達到一定標準時可認為a和P近似服從正態分布。因此，對于假設H0：π =π0，在H0成立的前提下，當n達標時公式如下：

z=（p-π0）/（2）

式（2）中，z＜Z0.025，則接受假設，比賽成績與氣象要素正/負相關顯著；z＜Z0.025，則拒絕假設，比賽成績與氣象要素正/負相關不顯著。使用SPSS軟件進行分析。

2 氣象條件對比賽成績的影響

2.1 氣溫對比賽成績的影響

根據已有數據研究發現，表1和表5所示正相關比例P=0.826，采用比例檢驗法進行顯著性檢驗，假設H0：π =π0=0.9，zlt;Z0.025，氣溫與比賽時間正相關顯著，表明氣溫與運動員完賽時間的相關性較顯著，具有明顯的正相關，且正相關比例為82.6%，負相關比例為17.4%，明顯偏離±50%的比例，其平均相關系數為0.25。表明氣溫越高，比賽耗時越長，比賽成績越差，氣溫在14～16 ℃時運動員比賽表現最佳。

在眾多氣象要素中，氣溫對運動員比賽表現的影響最顯著。人體體溫調節功能在氣溫變化時會作出反應，當氣溫變化時，人體的散熱方式和新陳代謝強度也會相應改變，研究證實溫度過高或過低時都不利于運動員體能的正常消耗。

從大氣角度看，根據理想氣體狀態方程式：

P=ρRT（3）

式（3）中，P為氣壓（hPa），ρ為大氣密度（g/m3），T為氣溫（K），R為理想氣體常數（J·K/mol）。

在同一環境下，大氣壓強不變，當溫度升高時大氣密度會隨之下降，而大氣密度主要與大氣含氧量有關，大氣含氧量也隨著大氣密度下降而下降，同理大氣含氧量的變化也會影響氣溫的變化。由上述結果可知，氣溫下降有利于長跑運動員在比賽中獲得良好的成績，當大氣含氧量升高，氣溫隨之下降，這兩種條件對中長跑運動員發揮出最佳水平都是有益的。

2.2 氣壓對比賽成績的影響

如表2、表5所示負相關比例P=0.739，采用比例檢驗法進行顯著性檢驗，假設H0：π =π0=0.8，zlt;Z0.025，氣壓與比賽時間負相關顯著。可以發現，氣壓對運動員完賽時間的影響也具有較為顯著的相關性，且有明顯的負相關，負相關比例為73.9%，正相關比例為26.1%，結果明顯偏離正負50%的比例，平均相關系數為-0.26。表明氣壓越高，比賽耗時越短，比賽成績越好，氣壓在1 015～1 020 hPa時運動員比賽表現最佳。

運動員運動強度越大時，對氣壓的反應越敏感。以從低海拔到高海拔為例，人的血壓會隨大氣壓的下降而下降，導致人體機能下降，運動能力水平也顯著下降，由于氣壓下降，人體只能通過加速呼吸和血液循環來補償氧氣，進而出現呼吸急促和心率加快的現象，使運動員體力消耗殆盡，速度減慢和力量顯著減弱，對耐力類項目（如自行車、中長跑、游泳、足球等）都會有不同程度的影響。但因人體具有較強能力來適應氣壓變化，因此對于專業運動員來說，可以通過一定的訓練來減少氣壓變化對比賽成績的影響。

2.3 相對濕度對比賽成績的影響

如表3、表5所示正相關比例P=0.552，采用比例檢驗法進行顯著性檢驗，假設H0：π =π0=0.8，zgt;Z0.025，拒絕假設，相對濕度與比賽時間相關不顯著。由此可以看出，相對濕度與運動員完賽時間之間不具有顯著的相關性，正相關比例為52.2%，負相關比例為44.8%，結果并沒有明顯偏離±50%的比例，平均相關系數為-0.01。相對濕度在30%～60%之間時運動員表現最佳，相對濕度對運動員比賽表現的影響并不顯著。

Hentschel G認為，當氣溫處于適中條件時，相對濕度的變化對人體并沒有顯著影響，只有在極端氣溫條件下，才能影響人體感受到的有效溫度。但相對濕度主要通過影響機體散熱功能來影響運動員運動功能，這與許多相關研究有一致結論。由于舉辦馬拉松運動時較少出現極端天氣，氣溫基本適中，所以較難分析相對濕度對運動員比賽成績的影響。

2.4 大氣含氧量對比賽成績的影響

如表4、表5所示，負相關比例P=0.826，采用比例檢驗法進行顯著性檢驗，假設H0：π =π0=0.9，zgt;Z0.025，大氣含氧量與比賽時間負相關顯著。由此可以看出，大氣含氧量與運動員完賽時間的相關性也較顯著，且有明顯負相關，負相關比例為82.6%，正相關比例為17.4%，結果明顯偏離±50%的比例，平均相關系數為-0.27。表明大氣含氧量越高，比賽耗時越短，比賽成績越好。

大氣氧氣是人體呼吸和新陳代謝的重要因子，在一定范圍內增加大氣含氧量使人體感覺更加舒適，因此當大氣含氧量越高時，可使人體感到舒適并為運動員提供充足的攝氧量，以維持馬拉松長跑。但空氣中的氧氣含量并不是越高越好，超過一定界限，也會出現負面影響。

隨著海拔升高，大氣壓強下降，空氣中含氧量也下降，含氧量與大氣壓強呈正比。根據大氣含氧量計算公式：

ρ=80.67（p-e）/（273+t）（4）

式（4）中，大氣含氧量與環境中的溫度（t）、大氣壓（p）、水汽壓（e）等也有直接關系。由于馬拉松比賽是一種有氧運動，在運動過程中，人體吸入的氧氣滿足運動需求，才能達到生理上平衡狀態。氣溫、氣壓、相對濕度等氣象要素本質上也是通過影響人體供氧和體內血氧消耗、新陳代謝的，從而影響機體運動能力。

根據23名運動員最好比賽成績和最差比賽成績中的氣象要素數值對比看，同一運動員最好比賽成績與最差比賽成績之差在1 000～2 500 s，在大部分運動員最好成績中氣溫、氣壓、相對濕度、大氣含氧量都處于上述結論中的適宜范圍，且與最差成績對比可以明顯看出，當溫度過高時、氣壓過低或大氣含氧量過低時，運動員比賽時間顯著增加。運動員隨著氣溫下降、氣壓升高或在大氣含氧量較高的環境下更容易發揮運動水平，而且最好比賽成績與最差比賽成績中相對濕度的差異并不明顯。

結合表5可以看出，大氣含氧量與運動員比賽成績影響的相關系數大于單個氣象因子對比賽成績影響的相關系數，大部分運動員比賽成績最好與最差時的氣溫、氣壓、相對濕度變化不大，因此可以看出大氣含氧量對比賽成績影響更大，驗證了其對中長跑運動員的比賽表現具有更直接影響，與完賽時間呈明顯負相關。

3 結論

第一，馬拉松運動員比賽表現受氣象因素的影響較大，其中單氣象因子和綜合氣象要素的影響程度各有不同。

第二，從單個氣象因子看，氣溫最易被感知，與馬拉松運動員比賽成績之間有顯著正相關，氣溫越高，比賽耗時越長。氣壓與運動員比賽表現之間有負相關，在一定范圍內氣壓越高，有利于取得好成績。相對濕度雖然與運動員比賽成績相關性不顯著，但對馬拉松運動員的熱平衡和溫熱感也很重要。

第三，從綜合氣象因素看，大氣含氧量對運動員比賽成績的影響較氣溫、氣壓、相對濕度這3個單氣象因子更顯著。由此證明，運動員對大氣含氧量變化的反應更敏感，相關程度明顯高于單氣象因子，驗證了大氣含氧量的關鍵作用。

參考文獻

[1] 孟廣琳，張蘇平.天氣條件對馬拉松跑的影響：北京國際馬拉松比賽調查分析[J].體育科學，1992（2）：33-36，46，94.

[2] 馬淑俊.拉薩市決策氣象服務系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2011.

[3] 盛裴軒.大氣物理學[M].北京：北京大學出版社， 2013.

[4] 趙國雄.氣象與田徑運動[J].廣東氣象，1996（2）：23-24.

作者簡介：華夢琪（1999—），女，江西樂平人，助理工程師，主要從事氣象綜合業務工作。#通信作者：劉如意（1989—），女，江西橫峰人，工程師，主要從事氣象裝備保障工作，E-mail：670535704@qq.com。