基于气象数据和体感温度的穿衣厚度分析及应用

王浩宇 钟志江 刘 涛 范 静

一、引言

现今，人们生活水平提高，在吃饱穿暖的基础上，越来越追求优雅精致。譬如，在不同的天气条件下，着装既要舒适又要得体。同时，因为个人年龄、性别不同，每个人对着装的需求也存在着明显差异。因此，研究各类气象数据、个人因素与穿衣厚度的关系，计算穿衣厚度，并挑选与之对应的服装款式与种类就显得尤为重要。

已有的研究表明，穿衣厚度与环境因素、人体的感受等密切相关。刘燕等[1]研究了着装厚度气象指数，提出简单的穿衣厚度公式，并根据不同厚度值给出对应的服装款式。朱凌云等[2]在着装气象指数研究中，表示穿衣厚度与环境因素密切相关。而刘梅等[3]以热量平衡为基础研究体感温度，利用线性回归模型来计算穿衣厚度。杨雪艳、任丽梅[4]研究了长春市居民着装厚度与穿衣指数预报。贾硕等[5]、穆璐等[6～7]分别研究了基于气象数据的穿衣指数。本文将从体感温度的推导入手，结合文献[3]，研究不同性别、不同年龄的人群在不同天气条件下的穿衣厚度，并推荐相应的穿衣款式。进一步地，以河南省郑州市的天气数据为例进行应用研究，为人们提高生活质量提供有力的理论支撑。

二、体感温度的研究

体感温度是指人体所感受到的冷暖程度，会受到气温、风速与相对湿度的综合影响。文献[3]得到了体感温度的计算公式，而其中缺少相对湿度这个影响因素。因此，本文提出体感温度的修正公式。

(一)体感温度的修正公式。对于日常正常作息的人而言，根据物理学中的热力学定律，人体热平衡方程为：

Qw+Q=Qv+(1-Φ2)Qu

(1)

在(1)式中,Q表示体内新陈代谢所产生热量(单位：Wm-2)，Qw表示通过皮肤和衣服所吸收的太阳辐射(单位Wm-2)，Qv表示肺呼吸作用失热量(单位：Wm-2)，Qu表示人体裸露部分失热量(单位：Wm-2)，Φ2表示人体衣着覆盖率。

本文讨论的是人们处于室内且通风良好，还未穿衣的情况，于是，皮肤和衣服吸收太阳辐射均为零，人体衣着覆盖率为零的情况，即Qw=0，Φ2=0。因此，由(1)式，可得

Qu=Q-Qv

(2)

由文献[3]，肺呼吸作用失热量的计算公式

Qv=0.143-0.00112T-0.0168ea

(3)

其中，T表示气温(单位：℃)，ea表示空气中的水汽压(单位：kPa)。为简便起见，记K=kPa。

同时，由物理学欧姆定律可得，人体裸露部分失热的计算公式为：

(4)

其中：

Ta表示体感温度，即本节所求。

Zs表示皮肤潜热传输阻力，Zs的变化对体感温度的影响不大[8]，因此，取为Zs=0.00446m2KW-1[3]。

Rs表示皮肤显热传输阻力，在体内温度Tb=37℃时，取Rs=0.0408。

将(2)式、(3)式、Ra,Za,ea的计算公式及Tb,Rs,eb,Zs的取值代入(4)式，可得到关于体感温度Ta的计算公式：

(5)

因此，体感温度Ta是一个四元函数，其自变量包括气温T、风速V、相对湿度S以及体内新陈代谢所产生热量Q。由于体内新陈代谢所产生热量Q随年龄、性别等因素的不同而不同，因而本节根据[10]中的数据,给出了两种年龄段不同性别的平均Q值(详见表1)。

表1 不同人群的平均Q值/(Wm-2)

将表1中代谢热量Q值代入(5)式，即可计算四种不同人群在不同气温、风速、相对湿度条件下的体感温度。

(二)穿衣厚度的计算公式。一般情况下，穿衣厚度y的经验公式[1]为：

(6)

但穿衣厚度除受到如温度、风速等环境因素的影响，还会受湿度的影响，并根据性别、年龄的不同而不同。因此，本文采用与文献[4]相似的做法，用体感温度Ta取代(6)式中气温T：

(7)

从而，穿衣厚度y也是一个复杂的四元函数，其自变量与体感温度Ta相同。

(三)穿衣推荐。在本节中，我们结合体感温度、穿衣厚度的计算公式(5)和(7)，计算了在相对湿度为60%，风速为3m/s的条件下，当体内温度Tb=37℃时，不同人群在不同天气和温度下的体感温度及穿衣厚度，并结合文献[1]推荐了相应的穿衣款式(详见表2)。从表2可以看出，相同气象环境中的不同人群的体感温度差异是存在的。总的来看，体感温度从高到低的排列次序为，青壮年男性、青壮年女性、老年男性、老年女性。但差异还是比较小的。

表2 穿衣厚度对照表

(续表2)

三、郑州地区的应用研究

河南省郑州市属于北温带大陆性季风气候，冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明。春季干燥少雨多旱，冷暖多变大风多；夏季比较炎热，降水高度集中；秋季气候凉爽，时间短促；冬季漫长而干冷，雨雪稀少。因此，本文选取郑州市的具体天气情况为例，进行实际的应用研究。

(一)一年内穿衣厚度的变化研究。选取郑州2019年春季3月的风速、温度及相对湿度等天气数据(见图1～图3)，来求一个典型青壮年男性的体感温度以及穿衣厚度。

图1 郑州三月每日风速 图2 郑州三月每日平均温度 图3郑州三月每日平均湿度

运用体感温度计算公式(5)以及穿衣厚度计算公式(7)，可绘制2019年3月他的每日体感温度折线图(图4)和穿衣厚度折线图(图5)。

图4 典型青壮年男性的体感温度 图5 典型青壮年男性的穿衣厚度

进一步地，我们收集了2019年6月、9月、12月的每日平均温度、平均风速和平均湿度数据(详见图6至图8)。

图6 日平均温度 图7 日平均风速 图8 日平均相对湿度

根据这些气象数据，可计算此人的体感温度及穿衣厚度(详见图9和图10)。

图9 典型青壮年男性的各月份体感温度 图10 典型青壮年男性在各月份穿衣厚度

数据表明3月以及12月温度较低，穿衣厚度值明显偏大，6月及9月处于夏季初和夏季末，天气较炎热，穿衣厚度值明显减小。另外，值得注意的是，当体感温度超过25.8℃时，穿衣厚度出现了负数，这一方面说明，人体的不适感很强烈；另一方面说明，在(1)式中取皮肤和衣服吸收太阳辐射均为零，会造成穿衣厚度偏小。

(二)穿衣厚度趋势研究。本节将郑州市2011年3月、12月的平均气温分别与2019年3月、12月的平均气温进行对比，折线图详见图11和图12。

图11 2011年3月与2019年3月的日平均温度对比 图12 2011年12月与2019年12月的日平均温度对比

从对比图可看出，在多数情况下，2019年3月、12月的平均气温明显高于2011年同期气温。通过计算得到的穿衣厚度折线图(见图13和图14)，可以得出，2011年3月、12月的青壮年男性群体穿衣厚度要比2019年同期明显厚一些。

图13 2011年3月与2019年3月穿衣厚度对比 图14 2011年12月与2019年12月穿衣厚度对比

四、结语

本文引入了相对湿度和气温，得到以温度、风速、相对湿度等环境因素及新陈代谢热量为变量的体感温度的精确计算公式，进而得到穿衣厚度计算公式。在给定风速、相对湿度的情况下，给出青壮年、老年男性及女性的体感温度及穿衣厚度，并推荐了穿衣款式。之后，利用郑州市2019年四个不同月份的气候数据，计算了一位青壮年男性每天的体感温度及相应的穿衣厚度。最后，对比分析了2011年及2019年的3月及12月的青壮年男性的穿衣厚度变化趋势，明显可以看出，穿衣厚度变化趋势与实际情况基本相符，同时，全球变暖的趋势使得人们在穿衣厚度上已有了明显的体现。