Индекс тепла

Индекс тепла ( HI ) — это индекс, который объединяет воздуха температуру и относительную влажность в затененных областях , чтобы определить эквивалентную температуру, воспринимаемую человеком, как то, насколько жарко было бы, если бы влажность имела какое-то другое значение в тени . Например, при температуре 32 °C (90 °F) и относительной влажности 70 % индекс тепла составляет 41 °C (106 °F) (см. таблицу ниже). Индекс тепла предназначен для описания температуры в тени, но не учитывает нагрев от прямых солнечных лучей, физическую активность или охлаждение от ветра.

обычно охлаждается за счет испарения пота . Человеческое тело Высокая относительная влажность снижает испарение и охлаждение, увеличивая дискомфорт и потенциальный тепловой стресс . Разные люди по-разному воспринимают тепло в зависимости от формы тела, обмена веществ, уровня гидратации, беременности или других физических условий. Измерение воспринимаемой температуры было основано на отчетах о том, как горячие субъекты чувствуют себя в контролируемых условиях температуры и влажности. Помимо индекса тепла, другие меры кажущейся температуры включают канадский гигроскоп , температуру по влажному термометру , «относительную температуру наружного воздуха» и запатентованную технологию « RealFeel ».

История

Индекс жары был разработан в 1979 году Робертом Г. Стедманом. Как и индекс охлаждения ветром , индекс жары содержит предположения о массе и росте человека, одежде, объеме физической активности, индивидуальной переносимости жары, воздействии солнечного света и ультрафиолетового излучения, а также скорости ветра. Значительные отклонения от этих значений приведут к получению значений индекса жары, которые неточно отражают воспринимаемую температуру.

В Канаде аналогичный увлажнитель (канадская инновация, представленная в 1965 году) используется вместо индекса жары. Хотя и индекс влажности, и индекс тепла рассчитываются с использованием точки росы, при измерении влажности в качестве основы используется точка росы 7 °C (45 °F), тогда как индекс тепла использует базовую точку росы 14 °C (57 °F). ). Кроме того, индекс тепла использует уравнения теплового баланса, которые учитывают многие переменные, помимо давления пара, которое используется исключительно при расчете влажности. Совместный комитет созданная Соединенными Штатами и Канадой для разрешения разногласий, с тех пор была расформирована.

Определение

Индекс тепла для данной комбинации температуры ( по сухому термометру ) и влажности определяется как температура по сухому термометру, которая была бы такой же, если бы давление водяного пара составляло 1,6 кПа . Цитируя Стедмана: «Так, например, кажущаяся температура 24 °C (75 °F) относится к тому же уровню зноя и тем же требованиям к одежде, что и температура по сухому термометру 24 °C (75 °F). с давлением пара 1,6 кПа».

Это давление пара соответствует, например, температуре воздуха 29 °C (84 °F) и относительной влажности 40% на психрометрической диаграмме уровня моря , а в таблице Стедмана при относительной влажности 40% 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).

Данное значение относительной влажности вызывает большее увеличение индекса тепла при более высоких температурах. Например, примерно при 27 °C (81 °F) индекс тепла будет соответствовать фактической температуре, если относительная влажность составляет 45 %, а при 43 °C (109 F) любые показания относительной влажности превышают 18 %. поднимет индекс тепла выше 43 °C .

Было высказано предположение, что описанное уравнение действительно только в том случае, если температура составляет 27 ° C (81 ° F) или более. Порог относительной влажности, ниже которого расчет индекса тепла возвращает число, равное или меньшее температуры воздуха (более низкий индекс тепла обычно считается недействительным), зависит от температуры и не является линейным. Порог обычно устанавливается на произвольном уровне 40%.

Индекс тепла и его аналог гигрэкс учитывают только две переменные: температуру тени и влажность воздуха (влажность), таким образом обеспечивая лишь ограниченную оценку теплового комфорта . Дополнительные факторы, такие как ветер, солнечный свет и индивидуальный выбор одежды, также влияют на восприятие температуры; эти факторы параметризуются как константы в формуле индекса жары. Например, предполагается, что скорость ветра составляет 5 узлов (9,3 км/ч). Ветер, проходящий по мокрой или потной коже, вызывает испарение и эффект охлаждения ветром , который не измеряется индексом тепла. Другим важным фактором является солнечный свет; пребывание под прямыми солнечными лучами может увеличить видимую температуру до 15 °F (8,3 °C) по сравнению с тенью. Были попытки создать универсальную видимую температуру , такую ​​как температура по влажному термометру , «относительная температура наружного воздуха», «по ощущениям» или запатентованная технология « RealFeel ».

Метеорологические соображения

На открытом воздухе, по мере увеличения относительной влажности, сначала развивается дымка и, в конечном итоге, более густая облачность, уменьшая количество прямых солнечных лучей, достигающих поверхности. Таким образом, существует обратная зависимость между максимальной потенциальной температурой и максимальной потенциальной относительной влажностью. Из-за этого фактора когда-то считалось, что максимально возможное значение индекса тепла где-либо на Земле составляло примерно 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), в результате чего индекс тепла составил 81 °C (178 °F). Ф).

Человеческому телу требуется испарительное охлаждение, чтобы предотвратить перегрев. Температура по влажному термометру и температура по влажному термометру используются для определения способности организма выделять избыточное тепло. Устойчивая температура по влажному термометру около 35 ° C (95 ° F) может быть смертельной для здоровых людей; при этой температуре наши тела переключаются с отдачи тепла в окружающую среду на получение тепла от нее. Таким образом, температура по влажному термометру 35 °C (95 °F) — это порог, за которым тело больше не может адекватно охлаждаться.

Таблица значений

Таблица ниже предоставлена ​​Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США . Колонки начинаются с 80 ° F (27 ° C), но существует также эффект индекса тепла при 79 ° F (26 ° C) и аналогичных температурах при высокой влажности.

NOAA Национальная метеорологическая служба : индекс жары

Tempera­ture Относительная влажность	80 ° F (27 ° C)	82 ° F (28 ° С)	84 ° F (29 ° C)	86 ° F (30 ° C)	88 ° F (31 ° С)	90 ° F (32 ° С)	92 ° F (33 ° С)	94 ° F (34 ° С)	96 ° F (36 ° С)	98 ° F (37 ° С)	100 ° F (38 ° С)	102 ° F (39 ° С)	104 ° F (40 ° С)	106 ° F (41 ° С)	108 ° F (42 ° С)	110 ° F (43 ° C)
40%	80 ° F (27 ° C)	81 ° F (27 ° С)	83 ° F (28 ° C)	85 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° С)	91 ° F (33 ° С)	94 ° F (34 ° С)	97 ° F (36 ° С)	101 ° F (38 ° С)	105 ° F (41 ° С)	109 ° F (43 ° C)	114 ° F (46 ° С)	119 ° F (48 ° C)	124 ° F (51 ° С)	130 ° F (54 ° С)	136 ° F (58 ° C)
45%	80 ° F (27 ° C)	82 ° F (28 ° С)	84 ° F (29 ° C)	87 ° F (31 ° С)	89 ° F (32 ° С)	93 ° F (34 ° С)	96 ° F (36 ° С)	100 ° F (38 ° С)	104 ° F (40 ° С)	109 ° F (43 ° C)	114 ° F (46 ° С)	119 ° F (48 ° C)	124 ° F (51 ° С)	130 ° F (54 ° С)	137 ° F (58 ° С)
50%	81 ° F (27 ° С)	83 ° F (28 ° C)	85 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° С)	91 ° F (33 ° С)	95 ° F (35 ° C)	99 ° F (37 ° С)	103 ° F (39 ° С)	108 ° F (42 ° С)	113 ° F (45 ° C)	118 ° F (48 ° С)	124 ° F (51 ° С)	131 ° F (55 ° С)	137 ° F (58 ° С)
55%	81 ° F (27 ° С)	84 ° F (29 ° C)	86 ° F (30 ° C)	89 ° F (32 ° С)	93 ° F (34 ° С)	97 ° F (36 ° С)	101 ° F (38 ° С)	106 ° F (41 ° С)	112 ° F (44 ° С)	117 ° F (47 ° С)	124 ° F (51 ° С)	130 ° F (54 ° С)	137 ° F (58 ° С)
60%	82 ° F (28 ° С)	84 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° С)	91 ° F (33 ° С)	95 ° F (35 ° C)	100 ° F (38 ° С)	105 ° F (41 ° С)	110 ° F (43 ° C)	116 ° F (47 ° С)	123 ° F (51 ° С)	129 ° F (54 ° С)	137 ° F (58 ° С)
65%	82 ° F (28 ° С)	85 ° F (29 ° C)	89 ° F (32 ° С)	93 ° F (34 ° С)	98 ° F (37 ° C)	103 ° F (39 ° С)	108 ° F (42 ° С)	114 ° F (46 ° С)	121 ° F (49 ° С)	128 ° F (53 ° С)	136 ° F (58 ° C)
70%	83 ° F (28 ° C)	86 ° F (30 ° C)	90 ° F (32 ° С)	95 ° F (35 ° C)	100 ° F (38 ° С)	105 ° F (41 ° С)	112 ° F (44 ° С)	119 ° F (48 ° C)	126 ° F (52 ° С)	134 ° F (57 ° С)
75%	84 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° С)	92 ° F (33 ° С)	97 ° F (36 ° С)	103 ° F (39 ° С)	109 ° F (43 ° C)	116 ° F (47 ° С)	124 ° F (51 ° С)	132 ° F (56 ° С)
80%	84 ° F (29 ° C)	89 ° F (32 ° С)	94 ° F (34 ° С)	100 ° F (38 ° С)	106 ° F (41 ° С)	113 ° F (45 ° C)	121 ° F (49 ° С)	129 ° F (54 ° С)
85%	85 ° F (29 ° C)	90 ° F (32 ° С)	96 ° F (36 ° С)	102 ° F (39 ° С)	110 ° F (43 ° C)	117 ° F (47 ° С)	126 ° F (52 ° С)	135 ° F (57 ° C)
90%	86 ° F (30 ° C)	91 ° F (33 ° С)	98 ° F (37 ° C)	105 ° F (41 ° С)	113 ° F (45 ° C)	122 ° F (50 ° С)	131 ° F (55 ° С)
95%	86 ° F (30 ° C)	93 ° F (34 ° С)	100 ° F (38 ° С)	108 ° F (42 ° С)	117 ° F (47 ° С)	127 ° F (53 ° С)
100%	87 ° F (31 ° С)	95 ° F (35 ° C)	103 ° F (39 ° С)	112 ° F (44 ° С)	121 ° F (49 ° С)	132 ° F (56 ° С)

Ключ к цветам:    Осторожность    Крайняя осторожность    Опасность    Крайняя опасность

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

Влияние индекса тепла (значения оттенка)

Индекс тепла для температуры в °C с заштрихованными диапазонами осторожности/опасности

Цельсия	Примечания
27–32 °С	Внимание: при длительном воздействии и активности возможно утомление. Продолжение активности может привести к тепловым судорогам.
32–41 °С	Особая осторожность: возможны тепловые судороги и тепловое истощение. Продолжение деятельности может привести к тепловому удару.
41–54 °С	Опасность: вероятны тепловые судороги и тепловое истощение; при продолжении активности вероятен тепловой удар.
выше 54 °С	Крайняя опасность: тепловой удар неизбежен.

Воздействие яркого солнечного света может увеличить значения индекса тепла до 8 °C (14 °F).

Формула

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

Существует множество формул, разработанных для аппроксимации исходных таблиц Стедмана. Андерсон и др. (2013), NWS (2011), Jonson and Long (2004) и Schoen (2005) имеют меньшие остатки в этом порядке. Первые два представляют собой набор полиномов, а третий — по одной формуле с показательными функциями.

Приведенная ниже формула аппроксимирует индекс тепла в градусах Фаренгейта с точностью до ± 1,3 ° F (0,7 ° C). Это результат многомерной подгонки (температура равна или выше 80 ° F (27 ° C) и относительная влажность равна или выше 40%) модели человеческого тела. Это уравнение воспроизводит приведенную выше таблицу Национальной метеорологической службы NOAA (за исключением того, что значения при температуре 90 ° F (32 ° C) и относительной влажности 45%/70% неокругленно различаются 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 тепла (в градусах Фаренгейта)
• T = температура окружающей среды по сухому термометру (в градусах Фаренгейта)
• R = относительная влажность (процентное значение от 0 до 100)

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

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

• HI = индекс тепла (в градусах Цельсия)
• T = температура окружающей среды по сухому термометру (в градусах Цельсия)
• R = относительная влажность (процентное значение от 0 до 100)

${\textstyle {\begin{aligned}c_{1}&=-8.784\,694\,755\,56,&c_{2}&=1.611\,394\,11,&c_{3}&=2.338\,548\,838\,89,\\c_{4}&=-0.146\,116\,05,&c_{5}&=-0.012\,308\,094,&c_{6}&=-0.016\,424\,827\,7778,\\c_{7}&=2.211\,732\times 10^{-3},&c_{8}&=7.2546\times 10^{-4},&c_{9}&=-3.582\times 10^{-6}.\end{aligned}}}$

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 % и всех температур от 70 до 115 °F (21–46 °C) и все тепловые индексы ниже 150 °F (66 °C):

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

Еще один альтернативный вариант:

$${\begin{aligned}\mathrm {HI} &=c_{1}+c_{2}T+c_{3}R+c_{4}TR+c_{5}T^{2}+c_{6}R^{2}+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}+\\&\quad {}+c_{10}T^{3}+c_{11}R^{3}+c_{12}T^{3}R+c_{13}TR^{3}+c_{14}T^{3}R^{2}+c_{15}T^{2}R^{3}+c_{16}T^{3}R^{3}\end{aligned}}$$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, с температурой 90 °F (32 °C) и относительной влажностью (RH) 85%, результат будет: 114,9 °F (46,1 °C).

Ограничения

Индекс тепла плохо работает в экстремальных условиях, таких как перенасыщение воздуха, когда воздух более чем на 100% насыщен водой. Дэвид Ромпс, физик и ученый-климатолог из Калифорнийского университета в Беркли, и его аспирант И-Чуан Лу обнаружили, что индекс жары недооценивает серьезность сильных волн тепла, таких как волна тепла в Чикаго в 1995 году .

Другие проблемы, связанные с индексом жары, включают отсутствие точных данных о влажности во многих географических регионах, предположение о том, что человек здоров, и предположение о том, что у него легкий доступ к воде и тени .

См. также

• Кажущаяся температура
• Тепловой комфорт § Взаимодействие температуры и влажности
• Гумидекс
• Температура по влажному термометру
• Холодный ветер

Внешние ссылки

• Описание формул охлаждения ветром и кажущейся температуры в метрических единицах
• Калькулятор теплового индекса рассчитывает как °F, так и °C.
• Текущая карта значений глобального индекса жары