气象参数对人体舒适度的影响研究_郑有飞

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 GY

Vol.35,No.6

Dec.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

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