气象参数对人体舒适度的影响研究郑有飞1,2　余永江1,2　谈建国3　吴荣军2　许遐祯4(1江苏省气象灾害重点实验室,2南京信息工程大学环境科学与工程学院,南京210044;3上海市城市环境气象中心,上海200135;4江苏省气象局气候中心,南京210008)江苏省气象灾害重点实验室项目(K LME05005)、中国气象局气象新技术推广项目(CMATG2006M15)和江苏省社会发展计划项目(BS2007066)共同资助作者简介:郑有飞,男,1959年生,教授,博士生导师,从事环境气象方面的教学和研究,Email :zhengyf @ 收稿日期:2007年5月28日;定稿日期:2007年10月12日摘要　为研究气象参数对人体舒适度的影响,用慕尼黑人体热量平衡模型(MEMI )分析了南京舒适感的概率分布、年际、月际变化以及气象参数和生理等效温度(PET )的相互关系。

结果表明:各舒适感觉出现的频率差别较大,在年际分布上有波动,月际分布上很不均匀。

PET 随温度线性增加,在多云天气1m/s 风速时增幅最大;PET 和平均辐射温度之间也是线性增加关系,温度较高时增幅大;PET 随着风速的增加呈现先快后慢的非线性减小关系,低温时降幅明显,高温阴天时降幅最小;相对湿度在高温时可使PET 显著增加。

关键词　MEMI 模型　生理等效温度(PET )　气象参数　人体舒适度引言人体舒适度是以人类机体与周围环境之间热量交换原理为基础,从气象角度评价人在不同环境气象条件下舒适感的一项生物气温指标,其在城市环境气象服务中具有重要地位[1]。

目前我国已广泛开展了人体舒适度的预报和研究工作,如徐大海等详细分析了体表温度、舒适指数和着衣指数[2];陈胜军等针对海岛旅游特点提出了“宜人频率”的概念[3];张德山等根据北京气候特点制定了北京市高温中暑4级标准和相应体系[4];严明良等提出了环境气象指数和人体舒适度指数的7种设计方法[5];谈建国在绝对舒适度指数上又开发了衡量夏季暑热程度的相对舒适度指数[6];吴兑的研究指出,目前的几十种人体舒适度预报公式实际上都是生物气温指标的各种变形,并讨论了它们之间的差异和适用性[7]。

生理等效温度(PET :Physiological Equivalent Temperature )是在慕尼黑人体热量平衡模型(M E 2M I :Munich Energy Balance Model for Individuals )基础之上推导出的热指标,定义为给定环境下的生理平衡温度,其值等于典型室内环境下达到室外同等的热状态所对应的气温[8～9]。

该指标综合考虑了主要气象参数、活动、衣着以及个人参数对舒适度的影响,2001年谈建国等用PET 和舒适感觉参照关系研究了华东地区的人体舒适度[10],但对于舒适程度的年际、月际分布状况以及气象参数对其影响还鲜见报道。

据此本文分析了舒适度在南京的分布状况,同时探讨了气象条件对它的影响。

1　资料与方法本文资料选用南京地区1951～2005年逐日14:00的温度、云量、风速、相对湿度等资料。

M E 2M I 模型的方程主要有如下4个:M +W +R +C +E D +E Re +E Sw +S =0(1)式中:M 为新陈代谢率,W 为做功项,R 为辐射热交换项,C 为对流热通量项,E D 为“隐汗”热损失(皮肤表面没有汗液时看上去干燥,但事实上仍有水分通过表层直接蒸发到周围空气中去,称为“隐汗”),E Re 为呼吸热损失,E Sw 为汗液蒸发项,S 为储热项。

上述各项和气象参数密切相关,其中C 、E Re 项依赖于气温;E D 、E Re 、E Sw 和相对湿度密切相关;C 、E Sw 依赖于风速;R 取决于平均辐射温度T mrt (定义为发射黑体辐射的环境表面均一温度,该黑体环第35卷第6期2007年12月 气　象　科　技M ETEOROLO GICAL SCIENCE AND TECHNOLO GYVol.35,No.6Dec.2007境与人体的辐射热交换和真实环境一致。

其值取决于环境中的长短波辐射,也可通过云量估算)[11]。

V b =[6.3+75(T c -36.6)]/[1+0.5×(34-T s )](2)式中:V b 为人体到皮肤的血流量,T c 为体内核心处温度,T s 为皮肤表面平均温度。

F CS =V b ρb C b (T c -T s )(3)式中:F CS 为人体内部流向皮肤表面的热通量,ρb 为血液浓度,C b 为血液比热。

F SC =1/I cl (T s -T cl )(4)式中:F SC 为皮肤表层到达服装表面的散热量,I cl 为衣服的热阻,T cl 为服装表面温度,而F SC =R +C (对流和辐射散热之和)。

根据以上方程给定气象条件、代谢率和衣着类型,可得出T c 、T s 等热生理参数[12]。

2　结果分析2.1　人体舒适感的分布特征根据表1中PET 和人体感觉的等级划分[10],可作出舒适度的预报。

图1描述了南京地区的生物气候状况,可看出9个舒适感所占的百分比差别较大。

图2给出了舒适感觉的年际变化,很冷的年天数有明显减少的趋势,感觉舒适的天数也有减少的趋势但不明显,热和很热有逐渐增加的趋势,其他舒适感在年代分布上均有波动但无明显的变化趋势(图略)。

图3给出了舒适度的月际分布,热胁迫主要分布在7、8月、感觉舒适多分布在4、5、10月、冷胁迫主要分布在1、2、3月。

表1　生理等效温度及相应人体感觉生理等效温度/℃人体感觉生理应激水平<4很冷极端冷应激反应4～8冷强烈冷应激反应8～13凉中等冷应激反应13～18微凉轻微冷应激反应18～23舒适无热应激反应23～29微暖轻微热应激反应29～35暖中等热应激反应35～41热强烈热应激反应>41很热极端热应激反应图1　南京地区舒适感觉概率分布图2　南京地区人体舒适感觉年际变化828 气 象 科 技 第35卷图3　南京地区人体舒适感觉月际变化2.2　气象参数对体感温度的影响2.2.1　温度和PET的关系通过分析不同云天状况、风速条件下温度和PET的关系,发现二者呈较好的线性增长关系,但增幅不同。

从图4可看出,风速为1m/s时增幅最大,温度每升高1℃PET可增加1.3593～1.382℃;风速为8m/s时增幅次之,为1.2849～1.3716℃;风速为0时增幅最小,为1.2042～1.3786℃。

不同云天状况下,PET随温度的增幅也稍有不同,多云时增幅最大,晴天、阴天时增幅稍小。

2.2.2　平均辐射温度和PET的关系MEMI采用平均辐射温度T mrt模拟人体与环境之间的辐射热交换。

从图5中可以看出,T mrt和PET之间基本呈线性增长关系,且相关性在风速为0时最好。

不同气温下PET随T mrt的增加幅度也不一样,25～40℃时增幅最大,可达到0.8430～114098℃;10～25℃时增幅次之,约为017382～01826℃;-5～10℃时增幅最小,约为0.5843～0.7314℃。

图4　晴天(a)、多云(b)、阴天(c)时温度和生理等效温度(PET)关系图5　温度为-5～10℃(a)、10～25℃(b)、25～40℃(c)时平均辐射温度和生理等效温度(PET)的关系928第6期 郑有飞等:气象参数对人体舒适度的影响研究 2.2.3　风速和PET 的关系裸露皮肤、服装与空气之间的温差引发对流热交换(自然对流和受迫对流),风能增强受迫对流,出汗时还能加快蒸发,因此风速和PET 的关系较为复杂。

从图6可以看出:①在各种天气形势下PET 随风速的增加均呈先快后慢的非线性减小关系。

风速较低时(小于4m/s )很小的波动可以引发PET 值产生较大的变化,而当风速增大这种变化趋势逐渐减小并趋于0。

②不同温度下PET 随风速的降幅差异较大。

低温时降幅较大,高温时降幅小,尤其在阴天35℃以上时风速对PET 的影响最小。

图6　晴天(a )、阴天(b )时风速和生理等效温度(PET )的关系图7　风速为0、平均辐射温度为45℃时相对湿度和生理等效温度(PET )的关系2.2.4　相对湿度和PET 的关系相对湿度通过呼吸潜热蒸发和汗液蒸发两项影响热平衡,其中汗液蒸发项在不同天气状况下差别较大,可对人体舒适度产生较大影响。

夏季高温、高湿时人明显感觉不舒适,从图7可以看出,温度较低时由于体表没有汗液蒸发,相对湿度对PET 的影响较小;高温时当相对湿度大于一定的临界值后PET 急剧升高,且温度越高临界值越小。

3　结论与讨论(1)各种舒适感觉出现的概率不同,在月分布上很不均匀,年分布上有波动。

其中冷胁迫有减少的趋势,热胁迫有增加的趋势。

(2)温度是决定PET 值的主要因素,PET 随温度升高线性增加,在多云、风速为1m/s 时增幅最大。

平均辐射温度也是决定PET 的重要气象因素,二者呈线性增加关系且在高温时增幅较大。

风速对PET 的影响表现为:①各种天气条件下PET 随风速的增加呈先快后慢的非线性减小关系;②温度越低、体表越湿润风速对PET 的影响越大;高温时相对湿度可使PET 显著增加。

(3)在中国的南方冬季常会出现“湿冷”现象,即气温不太低但湿度大时人往往感觉非常寒冷,这主要是由于湿空气热传导速率比干空气大,导致更多的人体热量散失到空气中。

目前M EM I 模型还不能反映气温较低时相对湿度对体感温度的影响,有待于进一步的研究和完善。

38 气 象 科 技 第35卷参考文献[1]　刘梅,于波.人体舒适度研究现状及其开发应用前景[J ].气象科技,2002,30(1):11-18.[2]　徐大海,朱蓉.人对温度、湿度、风速的感觉和着衣指数的分析研究[J ].应用气象学报,2000,11(4):430-439.[3]　陈胜军,樊高峰,郭力民.浙江海岛休闲旅游适宜时段研究[J ].气象科技,2006,34(6):720-723.[4]　张德山,邓长菊,尤焕苓,等.北京地区中暑气象指数预报与服务[J ].气象科技,2005,33(6):574-576.[5]　严明良,沈树勤.环境气象指数的设计方法探讨[J ].气象科技,2005,33(6):583-588.[6]　谈建国.衡量上海夏季暑热程度的相对舒适度指数研究[J ].南京气象学院学报,2005,28(2):213-218.[7]　吴兑.多种人体舒适度预报公式讨论[J ].气象科技,2003,31(6):370-372.[8]　Peter H ppe.The physiological equivalent temperature —a univer 2sal index for the biometeorological assessment of the thermal envi 2ronment [J ].Int.J.Biometeorol ,1999,43(2):71-75.[9]　Matzarakis A ,Mayer H.Heat stress in Greece [J ].Int.J.Biometeorol ,1997,41(1):34-39.[10]谈建国,邵德民,马雷鸣,等.人体热量平衡模型及其在人体舒适度预报中的应用[J ].南京气象学院学报,2001,24(3):384-390.[11]Matzarakis A ,Rutz F.Application of RayMan for tourism andclimate investigations [J ].Annalen der Meteorologie ,2005,41(2):631-636.[12]H ppe P R.Heat balance modeling [J ].Experientia ,1993,49(12):741-746.Influence of Meteorological Parameters on H um an Comfort IndexZheng Y oufei 1　Yu Y ongjiang 1　Tan Jianguo 3　Wu Rongjun 2　Xu Xiazhen 4(1Jiangsu K ey Laboratory of Meteorlogical Disaster ,2College of Environmental Science and Engineering ,Nanjing University of Information Science &Technology ,Nanjing 210044;3Shanghai Urban Environmental Meteorological Center ,Shanghai 200135;4Jiangsu Provincial Climate Center ,Nanjing 210008)Abstract :In order to study the effect of meteorological parameters on human comfort ,the probability distribu 2tion ,interannual variation ,and intermonthly variation of human comfortability in Nanjing ,and the relationship between meteorological parameters and PET (physiological equivalent temperature )are analyzed by means of the M EM I (Munich Energy balance Model for Individuals )model.The results show that :(1)the occurrence prob 2abilities of various thermal perception classes vary greatly ,and there are fluctuations in the interannual distribu 2tion of human comfortability and evident difference in the intermonthly distribution.(2)PET shows a linear growth with increasing temperature ,and the increasing rate is the biggest when wind velocity is 1m/s in cloudy weather ;(3)PET also exhibits a linear growth with increasing mean radiant temperature ,and the increasingrate is the biggest when temperature is high (25to 40℃);(4)there is a non 2linear decreasing relationship be 2tween PET and wind velocity ,and the decrease rate ,decreasing gradually with increasing wind velocity ,is big 2ger in cold weather and the least in hot and overcast weather.(5)PET increases with increasing relative humid 2ity evidently in hot weather.K ey w ords :M EM I model ,PET (Physiological Equivalent Temperature ),meteorological parameter ,humancomfortability138第6期 郑有飞等:气象参数对人体舒适度的影响研究 。