Индекс жары

Индекс тепла ( HI ) — это индекс, который объединяет температуру воздуха и относительную влажность в затененных областях , чтобы установить воспринимаемую человеком эквивалентную температуру, как то, насколько жарко было бы, если бы влажность была каким-то другим значением в тени . Например, когда температура составляет 32 °C (90 °F) при относительной влажности 70%, индекс тепла составляет 41 °C (106 °F) (см. таблицу ниже). Индекс тепла предназначен для описания ощущаемых температур в тени, но он не учитывает нагревание от прямых солнечных лучей, физическую активность или охлаждение от ветра.

Человеческое тело обычно охлаждается путем испарения пота . Высокая относительная влажность воздуха снижает испарение и охлаждение, увеличивая дискомфорт и потенциальный тепловой стресс . Разные люди воспринимают тепло по-разному из-за формы тела, обмена веществ, уровня гидратации, беременности или других физических состояний. Измерение воспринимаемой температуры основывалось на отчетах о том, как чувствуют себя горячие субъекты в контролируемых условиях температуры и влажности. Помимо индекса тепла, другие меры кажущейся температуры включают канадский гумидекс , температуру влажного шарика , «относительную наружную температуру» и фирменный « RealFeel ».

История

Индекс тепла был разработан в 1979 году Робертом Г. Стедманом. ^[1]^[2] Как и индекс охлаждения ветром , индекс тепла содержит предположения о массе и росте человека, одежде, объеме физической активности, индивидуальной переносимости тепла, воздействии солнечного света и ультрафиолетового излучения, а также скорости ветра. Значительные отклонения от них приведут к значениям индекса тепла, которые неточно отражают воспринимаемую температуру. ^[3]

В Канаде вместо индекса тепла используется аналогичный humidex (канадское нововведение, введенное в 1965 году) ^{[4] . В то время как оба индекса — humidex и heat — рассчитываются с использованием точки росы, humidex использует точку росы 7 °C (45 °F) в качестве основы, тогда как индекс тепла использует точку росы 14 °C (57 °F).}^{[ необходимо дальнейшее объяснение ]} Кроме того, индекс тепла использует уравнения теплового баланса, которые учитывают множество переменных, отличных от давления пара, которое используется исключительно в расчете humidex. Совместный комитет ^{[ кто? ],} сформированный Соединенными Штатами и Канадой для разрешения разногласий, с тех пор был распущен. ^{[ необходима цитата ]}

Определение

Тепловой индекс заданной комбинации температуры ( сухого термометра ) и влажности определяется как температура сухого термометра, которая ощущалась бы так же, если бы давление водяного пара было 1,6 кПа . Цитируя Стедмана, «Так, например, кажущаяся температура 24 °C (75 °F) относится к тому же уровню духоты и тем же требованиям к одежде, что и температура сухого термометра 24 °C (75 °F) с давлением пара 1,6 кПа». ^[1]

Это давление пара соответствует, например, температуре воздуха 29 °C (84 °F) и относительной влажности 40% в психрометрической карте на уровне моря , а в таблице Стедмана при 40% относительной влажности кажущаяся температура равна истинной температуре между 26–31 °C (79–88 °F). При стандартном атмосферном давлении (101,325 кПа) эта базовая линия также соответствует точке росы 14 °C (57 °F) и коэффициенту смешивания 0,01 (10 г водяного пара на килограмм сухого воздуха). ^[1]

Заданное значение относительной влажности вызывает большее увеличение индекса тепла при более высоких температурах. Например, при температуре около 27 °C (81 °F) индекс тепла будет соответствовать фактической температуре, если относительная влажность составляет 45%, но при 43 °C (109 °F) любое показание относительной влажности выше 18% приведет к тому, что индекс тепла превысит 43 °C . ^[5]

Было высказано предположение, что описанное уравнение справедливо только при температуре 27 °C (81 °F) или выше. ^[6] Порог относительной влажности, ниже которого расчет индекса тепла вернет число, равное или меньшее температуры воздуха (более низкий индекс тепла обычно считается недействительным), изменяется в зависимости от температуры и не является линейным. Порог обычно устанавливается на произвольном уровне 40%. ^[5]

Индекс тепла и его аналог humidex учитывают только две переменные: температуру в тени и влажность воздуха (влажность), тем самым обеспечивая лишь ограниченную оценку теплового комфорта . Дополнительные факторы, такие как ветер, солнечный свет и индивидуальный выбор одежды, также влияют на воспринимаемую температуру; эти факторы параметризуются как константы в формуле индекса тепла. Например, предполагается, что ветер составляет 5 узлов (9,3 км/ч). ^[5] Ветер, проходящий через мокрую или потную кожу, вызывает испарение и эффект охлаждения ветром , который индекс тепла не измеряет. Другим важным фактором является солнечный свет; нахождение под прямыми солнечными лучами может добавить до 15 °F (8,3 °C) к кажущемуся теплу по сравнению с тенью. ^[7] Были попытки создать универсальную кажущуюся температуру , такую как температура влажного шарика , «относительная наружная температура», «ощущается» или фирменная « RealFeel ».

Метеорологические соображения

На открытом воздухе, по мере увеличения относительной влажности, сначала появляется дымка, а затем и более толстый облачный покров, что уменьшает количество прямого солнечного света, достигающего поверхности. Таким образом, существует обратная зависимость между максимальной потенциальной температурой и максимальной потенциальной относительной влажностью. Из-за этого фактора когда-то считалось, что самое высокое значение индекса тепла, которое можно фактически достичь где-либо на Земле, составляет приблизительно 71 °C (160 °F). Однако в Дахране , Саудовская Аравия , 8 июля 2003 года точка росы составляла 35 °C (95 °F), а температура — 42 °C (108 °F), что привело к индексу тепла 81 °C (178 °F). ^[8] 28 августа 2024 года метеостанция на юге Ирана зафиксировала индекс тепла 82,2 °C (180,0 °F), что станет новым рекордом, если подтвердится. ^[9]

Человеческому телу требуется испарительное охлаждение для предотвращения перегрева. Температура влажного термометра и температура влажного шарика термометра используются для определения способности организма избавляться от избыточного тепла. Длительная температура влажного термометра около 35 °C (95 °F) может быть фатальной для здоровых людей; при этой температуре наши тела переключаются с отдачи тепла в окружающую среду на получение тепла из нее. ^[10] Таким образом, температура влажного термометра 35 °C (95 °F) является порогом, за которым организм больше не может адекватно охлаждаться. ^[11]

Таблица значений

Таблица ниже взята из Национального управления океанических и атмосферных исследований США . Колонки начинаются с 80 °F (27 °C), но также есть эффект индекса тепла при 79 °F (26 °C) и похожих температурах при высокой влажности.

Ключ к цветам: Осторожность Крайняя осторожность Опасность Крайняя опасность

Например, если температура воздуха составляет 96 °F (36 °C), а относительная влажность воздуха — 65%, то тепловой индекс составляет 121 °F (49 °C).

Влияние индекса тепла (значения тени)

Воздействие прямых солнечных лучей может повысить показатели теплового индекса до 8 °C (14 °F). ^[12]

Формула

Сравнение значений индекса тепла NWS (круги) с аппроксимацией формулы (кривые). В файле SVG наведите курсор на график, чтобы выделить его.

Существует много формул, разработанных для аппроксимации исходных таблиц Стедмана. Андерсон и др. (2013), ^[13] NWS (2011), Джонсон и Лонг (2004) и Шен (2005) имеют меньшие остатки в этом порядке. Первые две являются набором полиномов, но третья — по одной формуле с экспоненциальными функциями.

Формула ниже аппроксимирует индекс тепла в градусах Фаренгейта с точностью ±1,3 °F (0,7 °C). Это результат многомерной подгонки (температура равна или больше 80 °F (27 °C) и относительная влажность равна или больше 40%) к модели человеческого тела. ^[1]^[14] Это уравнение воспроизводит приведенную выше таблицу Национальной метеорологической службы NOAA (за исключением значений при 90 °F (32 °C) и относительной влажности 45%/70%, которые изменяются без округления менее чем на ±1 соответственно).

$\mathrm {HI} =c_{1}+c_{2}T+c_{3}R+c_{4}TR+c_{5}T^{2}+c_{6}R^{2}+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}$ где

HI = индекс жары (в градусах по Фаренгейту)
T = температура окружающего воздуха по сухому термометру (в градусах Фаренгейта)
R = относительная влажность (процентное значение от 0 до 100)

${\textstyle {\begin{aligned}c_{1}&=-42.379,&c_{2}&=2.049\,015\,23,&c_{3}&=10.143\,331\,27,\\c_{4}&=-0.224\,755\,41,&c_{5}&=-6.837\,83\times 10^{-3},&c_{6}&=-5.481\,717\times 10^{-2},\\c_{7}&=1.228\,74\times 10^{-3},&c_{8}&=8.5282\times 10^{-4},&c_{9}&=-1.99\times 10^{-6}.\end{выровнено}}}$

Следующие коэффициенты можно использовать для определения индекса тепла, когда температура задана в градусах Цельсия, где

HI = индекс жары (в градусах Цельсия)
T = температура окружающего воздуха по сухому термометру (в градусах Цельсия)
R = относительная влажность (процентное значение от 0 до 100)

${\textstyle {\begin{aligned}c_{1}&=-8,784\,694\,755\,56,&c_{2}&=1,611\,394\,11,&c_{3}&=2,338\,548\,838\,89,\\c_{4}&=-0,146\,116\,05,&c_{5}&=-0,012\,308\,094,&c_{6}&=-0,016\,424\,827\,7778,\\c_{7}&=2,211\,732\times 10^{-3},&c_{8}&=7,2546\times 10^{-4},&c_{9}&=-3,582\times 10^{-6}.\end{align}}}$

Альтернативный набор констант для этого уравнения, который находится в пределах ±3 °F (1,7 °C) от основной таблицы NWS для всех значений влажности от 0 до 80%, всех температур от 70 до 115 °F (21–46 °C) и всех индексов тепла ниже 150 °F (66 °C), выглядит следующим образом:

${\begin{aligned}c_{1}&=0.363\,445\,176,&c_{2}&=0.988\,622\,465,&c_{3}&=4.777\,114\,035,\\c_{4}&=-0.114\,037\,667,&c_{5}&=-8.502\,08\times 10^{-4},&c_{6}&=-2.071\,6198\times 10^{-2},\\c_{7}&=6.876\,78\times 10^{-4},&c_{8}&=2.749\,54\times 10^{-4},&c_{9}&=0.\end{aligned}}$

Еще один вариант: ^[15]

${\begin{aligned}\mathrm {HI} &=c_{1}+c_{2}T+c_{3}R+c_{4}TR+c_{5}T^{2}+c_{6}R^{2}+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}+\\&\quad {}+c_{10}T^{3}+c_{11}R^{3}+c_{12}T^{3}R+c_{13}TR^{3}+c_{14}T^{3}R^{2}+c_{15}T^{2}R^{3}+c_{16}T^{3}R^{3}\end{aligned}}$ где ${\begin{aligned}c_{1}&=16.923,&c_{2}&=0.185\,212,&c_{3}&=5.379\,41,&c_{4}&=-0.100\,254,\\c_{5}&=9.416\,95\times 10^{-3},&c_{6}&=7.288\,98\times 10^{-3},&c_{7}&=3.453\,72\times 10^{-4},&c_{8}&=-8.149\,71\times 10^{-4},\\c_{9}&=1.021\,02\times 10^{-5},&c_{10}&=-3.8646\times 10^{-5},&c_{11}&=2.915\,83\times 10^{-5},&c_{12}&=1.427\,21\times 10^{-6},\\c_{13}&=1.974\,83\times 10^{-7},&c_{14}&=-2.184\,29\times 10^{-8},&c_{15}&=8.432\,96\times 10^{-10},&c_{16}&=-4.819\,75\times 10^{-11}.\end{aligned}}$

Например, используя эту последнюю формулу, при температуре 90 °F (32 °C) и относительной влажности (ОВ) 85% результат будет: 114,9 °F (46,1 °C).

Ограничения

Индекс тепла не работает должным образом в экстремальных условиях, таких как перенасыщение воздуха, когда воздух более чем на 100% насыщен водой. Дэвид Ромпс, физик и климатолог из Калифорнийского университета в Беркли , и его аспирант И-Чуань Лу обнаружили, что индекс тепла недооценивает серьезность интенсивных волн тепла, таких как волна тепла в Чикаго в 1995 году . ^[16]

Другие проблемы с индексом тепла включают отсутствие точных данных о влажности во многих географических регионах, предположение о том, что человек здоров, и предположение о том, что у человека есть легкий доступ к воде и тени . ^[17]

Смотрите также

Ссылки

^ abcd Стедман, RG (июль 1979 г.). «Оценка знойности. Часть I: Индекс температуры и влажности, основанный на физиологии человека и науке об одежде». Журнал прикладной метеорологии . 18 (7): 861–873. Bibcode : 1979JApMe..18..861S. doi : 10.1175/1520-0450(1979)018<0861:TAOSPI>2.0.CO;2 .
^ Стедман, РГ (июль 1979 г.). «Оценка знойности. Часть II: Влияние ветра, дополнительной радиации и барометрического давления на кажущуюся температуру». Журнал прикладной метеорологии . 18 (7): 874–885. Bibcode : 1979JApMe..18..874S. doi : 10.1175/1520-0450(1979)018<0874:TAOSPI>2.0.CO;2 .
^ "Как они вычисляют индекс тепла? - Дэниел Энгбер - Slate Magazine". Архивировано из оригинала 2011-06-21 . Получено 2008-02-01 .
^ "Весенние и летние опасности". Окружающая среда и изменения климата. Правительство Канады. Получено 22.09.2016.
^ abc Калькулятор индекса тепла и таблица преобразования от iWeatherNet
^ Индекс тепла Campbell Scientific Inc. Архивировано 25 мая 2010 г. на Wayback Machine (файл PDF), CampbellSci.com.
^ Индекс тепла от Национальной метеорологической службы. «Воздействие прямых солнечных лучей может увеличить значения индекса тепла до 15°F».
^ "Этот саудовский город вскоре может столкнуться с беспрецедентной и невыносимой для жизни жарой". Business Insider . Получено 20 июля 2017 г.
^ Бюро стран Персидского залива bne (29 августа 2024 г.), Возможный рекордный индекс тепла 82,2°C зарегистрирован на юге Ирана
^ Шервуд, SC; Хубер, M. (25 мая 2010 г.). «Ограничение адаптивности к изменению климата из-за теплового стресса». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 107 (21): 9552–5. Bibcode : 2010PNAS..107.9552S. doi : 10.1073/pnas.0913352107 . PMC 2906879. PMID 20439769 .
^ Данн, Джон П.; Стоуффер, Рональд Дж.; Джон, Жасмин Г. (2013). «Тепловой стресс снижает производительность труда при потеплении климата». Nature Climate Change . 3 (6): 563. Bibcode : 2013NatCC...3..563D. doi : 10.1038/nclimate1827.
^ "Индекс тепла". Пуэбло, Колорадо: Национальная метеорологическая служба США.
^ Андерсон, Г. Брук; Белл, Мишель Л.; Пэн, Роджер Д. (2013). «Методы расчета индекса тепла как показателя воздействия в исследованиях здоровья окружающей среды». Перспективы здоровья окружающей среды . 121 (10): 1111–1119. doi :10.1289/ehp.1206273. PMC 3801457. PMID 23934704 .
^ Ланс П. Ротфус. «Уравнение индекса тепла (или больше, чем вы когда-либо хотели знать о индексе тепла)», Отдел научных услуг (штаб-квартира Южного региона NWS), 1 июля 1990 г. [1]
^ Stull, Richard (2000). Метеорология для ученых и инженеров, второе издание. Brooks/Cole. стр. 60. ISBN 9780534372149.
^ Romps, David; Lu, Yi-Chuan (29.08.2022). «Хронически недооцененные: переоценка волн тепла в США с использованием расширенного индекса тепла». Environmental Research Letters . 17 (9). Bibcode : 2022ERL....17i4017R. doi : 10.1088/1748-9326/ac8945 . Получено 31.03.2024 .
^ Барбер, Грегори. «США неправильно измеряют экстремальную жару». Wired . Получено 21 сентября 2022 г.

Внешние ссылки

Описание ветро-холодового коэффициента и кажущейся температуры. Формулы в метрических единицах.
Калькулятор индекса жары Рассчитывает как °F, так и °C
Текущая карта значений глобального индекса тепла