风寒效应指数

将臣

冷暖感觉与风速

摘录：气象学与气候学基础（第二版）  李爱贞，刘厚凤 编  2.2.5  风 P24


        在日常生活中，人们在收听天气预报时，一般都注意气温的高低，这当然是对的。但是，人的冷暖感觉除了和气温高低有直接关系外，风速大小也是重要因素。在气温相同的条件下，风速大小会使人的冷暖感觉差异很大。

　　大多数人都有这样的经验：当你静止或徒步行走时，穿着衣服感觉冷暖刚好适宜，这时候如果你坐上敞篷汽车奔驰前进，马上就会感到风声大作，周身寒冷。这是为什么呢？是因为人的体温一般为36℃—37℃，在多数情况下会高于周围环境气温，在无风或微风情况下，人体周围的空气分子交换很弱，这就在人体和大自然空气之间，形成了一个比较稳定的过渡层。由于空气是热的不良导体，这个过渡层就在贴近人体的表面起到了保暖的作用。可是，当空气流动很快的时候，人体周围的空气保温层便不断地被新来的冷空气所代替，并把热量带走。风速越大，人体散失的热量越快、越多，人也就越来越感到寒冷。这就是在气温相同的条件下，刮风天比无风或微风时使人感到寒冷的原因。

　　从大量的科学实验中，人们找出了风速大小和人体冷暖感觉的关系。当气温在0℃以上时，比如无风时为10℃，在3级风时，使人感觉气温为5℃，5级风时，人会感到气温象0℃时一样;而当7级风时，人就会感觉到和-3℃时相同。因此，从以上实验中大致可以计算出这样的数据：当气温在0℃以上时，风力每增加2级，人的寒冷感觉会下降到3-5C;气温在0℃以下时，风力每增加2级，人的寒冷感觉会下降6-8℃。

　　寒暑变化是影响人们生产、生活的重要气象要素之一，而当你根据冷暖增减衣服时，除了注意气温的高低以外，还要注意风速的大小，这样才能使你的衣着和环境冷暖相宜。

将臣

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　　人類無法直接感覺到周圍得氣溫。人們感覺氣溫的高低，其實是感覺到皮膚的溫度。在靜止時，人體以一層貼身的，薄薄的被加熱的空氣與外界的溫度隔絕。當有風吹時，這層熱空氣將被吹走，使人體暴露在外界的溫度中。這時人體要消耗能量再加熱一層新的熱空氣。當這過程一直發生時，皮膚的溫度將降低，並使人覺得更冷。

　　現在說的風寒效應，精確的描述是指加拿大學者在 2001 年時提出的風寒效應指數。雖然是使用溫度的單位，^oC，但這不是溫度，而是人類對這種感覺的描述。就以前段敘述為例，若氣溫為 - 4 ^oC，而風速為 50 km/h，根據計算風寒效應為 - 14 ^oC。也就是說在大關山隧道口雖然溫度計顯示為 - 4 ^oC，但要有 - 14 ^oC 的禦寒準備。一般來說，溫暖的皮膚忽然來到寒風中，風寒效應若在 - 25 ^oC 以下，長時間的暴露將造成凍傷 (frostbite)；若在 - 35 ^oC 以下，10 分鐘內將會造成凍傷；若在 - 60 ^oC 以下，2 分鐘內將會造成凍傷。若皮膚本來就是冷的則凍傷將更快發生。除了凍傷，失溫 (hypothermia) 也與風寒效應有密切的相關。

計算式

　　風寒效應的探討最早源自於 1940 年代 Siple 和 Passel 等對在不同的溫度與風速下，置於塑膠柱狀容器中的水結冰所需時間（即冷卻速率）的研究。若將該項熱傳公式用在人身上，可得到：
　C = 0.323 x ( 18.97 x V^1/2 - V + 37.62 ) x ( 33 - T )
　其中：
　　C 為風寒因子 (wind chill factor, W/m²)
　　V 為風速 (km/h)
　　T 為氣溫 (^oC)
　　33 為估計人類體表的溫度。

最早的風寒效應即定義為在已知氣溫及風速下相當於在人類走動中相等散熱率的等效溫度：
　T_e = 33 - [ ( 18.97 x V^1/2 - V + 37.62 ) / ( 18.97 x V_r^1/2 - V_r + 37.62 ) ] x ( 33 - T )
　其中：
　　T_e 為風寒效應 (wind chill, 等效溫度 ^oC)
　　T 為氣溫 (^oC)
　　V 為風速 (km/h)
　　V_r 為人類走動中的估計相對風速 (6-8 km/h) [size=-1]← O My God! 他們可真會走 :p
　　33 為估計人類體表的溫度。
  
　　這樣的模型有許多重大的缺失。在 2000 年時由加拿大發起，經來自各地的學者共同研究，於 2001 年提出了一個新的計算公式。這公式有效範圍為風速在 5 到 100 km/h 且溫度在 - 50 到 5 ^oC 之間：

　W = 13.12 + 0.6215 x T_air - 11.37 x V_10m^0.16 + 0.3965 x T_air x V_10m^0.16
　其中：
　　W 為風寒效應指數 (wind chill index, ^oC)
　　T_air 為氣溫 (^oC)
　　V_10m 為 10m 高（標準風速計高）的風速 (km/h)

　　並有學者提出了溫暖的皮膚暴露在寒風中，估計 5% 最容易發生凍傷的人發生凍傷所需時間的計算公式。這公式有效範圍為風速大於 25 km/h 且計算出來的時間小於 15 分：
  
　t_f = { [ -24.5 x ( 0.667 x V_10m + 4.8 ) ] + 2111 } x ( -4.8 - T_air )^-1.668
　其中：
　　t_f 為估計 5% 最容易發生凍傷的人發生凍傷所需時間, (分)
　　T_air 為氣溫 (^oC)
　　V_10m 為 10m 高（標準風速計高）的風速 (km/h)


風寒效應計算表


風寒效應凍傷時間