風の冷え込み
カナダ環境省の標準風冷え計算式による、さまざまな気温と風速の風冷え指数値。

風冷え（一般的には風冷え係数とも呼ばれる）とは、一定の周囲気温において、風が露出した肌に与える冷感のことです。これは、空気の動きによって体から周囲の大気への熱伝達速度が加速されるためです。この値は、式が有効な範囲において常に気温よりも低くなります。体感温度が気温よりも高い場合は、代わりに熱指数が使用されます。

説明

表面は、伝導、蒸発、対流、放射によって熱を失います。[ 1 ]対流の速度は、表面とその周囲の流体の温度差、および表面に対する流体の速度によって決まります。暖かい表面からの対流が周囲の空気を加熱すると、表面に対して暖かい空気の断熱境界層が形成されます。移動する空気がこの境界層、つまりエピクライメートを乱し、暖かい空気を運び去ります。その結果、冷たい空気が表面の暖かい空気と入れ替わり、境界層の温度差が大きくなります。風速が速いほど、表面は容易に冷却されます。一般に考えられているのとは異なり、風冷えは物体がどれだけ冷えるかを示すものではなく、物体は気温と同じだけ冷えます。つまり、風冷えが氷点下で気温が氷点以上であれば、ラジエーターやパイプは凍りません。 [ 2 ]

代替アプローチ

風冷えには多くの公式が存在します。気温とは異なり、風冷えには普遍的に合意された標準的な定義や測定法がないためです。すべての公式は、風が人間の体感温度に与える影響を定性的に予測しようと試みています。各国の気象庁は、それぞれの国や地域独自の基準を採用しています。例えば、米国とカナダの気象庁は、国立気象局が承認したモデルを使用しています。このモデルは、時代とともに進化してきました。

最初の風冷えの公式と表は、第二次世界大戦前に南極で活動していたポール・オールマン・サイプルとチャールズ・F・パッセルによって開発され、 [ 3 ] 1970年代までに国立気象局によって公開されました。[ 3 ]これらは、風速計と同じ高さにある探検小屋の屋根に小さなペットボトルを吊るし、その中身が氷に変わるまでの冷却速度に基づいていました。 [ 3 ]いわゆる風冷え指数は、天候の厳しさを示すかなり良い指標となりました。[ 3 ]

1960 年代に、風冷えは理論的にはあまり有用ではない風冷え相当温度(WCET) として報告されるようになりました。この変更の考案者は不明ですが、一般に信じられているようにシプルやパッセルではありません。最初は、風がまったくない場合に風冷え指数が同じになる温度として定義されました。これにより、天候の厳しさを誇張した相当温度が生成されました。チャールズ・イーガン[ 4 ]は、人がじっとしていることはめったになく、風が穏やかでも空気の動きがあることに気づきました。彼は、風がない場合を風速 1.8 メートル/秒 (6.5 km/h、4.0 mph) に再定義しましたが、これはカップ風速計で測定できるほぼ最低の風速でした。これにより、より現実的な (より暖かく聞こえる) 相当温度の値が生成されました。

オリジナルモデル

北米では、21世紀まで等価温度が広く使われていませんでした。1970年代まで、カナダの最も寒い地域では、3桁または4桁の数値で、平方メートルあたりキロカロリー/時を単位とする風冷指数（Wind Chill Index）が使用されていました。各個人は経験を通して、数値の尺度を個人的に調整していました。このチャートは、凍傷の閾値である1400などの指数の閾値を通じて、快適さと危険性に関する一般的な指針も提供していました。

この指数の元の計算式は次の通りである。[ 5 ] [ 6 ]

WC私＝（10v−v+10.5）⋅（33−T1つの）、{\displaystyle WCI=\left(10{\sqrt {v}}-v+10.5\right)\cdot \left(33-T_{\mathrm {a} }\right),} どこ：

  • WCI = 風冷指数、kg⋅cal/m 2 /h
  • v = 風速、m/s
  • T a = 気温、°C

北米とイギリスの風冷指数

2001 年 11 月、カナダ、米国および英国は、気温指標に関する共同行動グループ (JAG/TI) の科学者および医療専門家によって開発された新しい風冷え指数を導入しました。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]この指数は、風速と熱伝達率の標準的な工学的相関関係を使用して、さまざまな風速と気温の下での皮膚温度のモデルを反復することで決定されます。熱伝達は、風速 1.4 m/s (5.0 km/h、3.1 mph) で風に向かって歩いているときに、風の中に裸の顔がある場合に計算されました。このモデルは、人が野外にいると仮定して、公式に測定された風速を顔の高さでの風速に補正します。[ 10 ]このモデルの結果は、次の式を使用して 1 度以内で近似できます。

カナダ環境省の標準的な風冷え計算式は以下のとおりです。[ 3 ]

Tわc＝13.12+0.6215T1つの−11.37v+0.16+0.3965T1つのv+0.16、{\displaystyle T_{\mathrm {wc} }=13.12+0.6215T_{\mathrm {a} }-11.37v^{+0.16}+0.3965T_{\mathrm {a} }v^{+0.16},}

ここで、T wcは摂氏温度目盛りに基づく風冷指数、T aは摂氏での気温、vは標準風速計の高さ10メートル（33フィート）での風速（キロメートル/時）である。[ 11 ]

気温が−20℃（−4℉）で風速が5km/h（3mph）の場合、風冷指数は−24です。気温が−20℃のまま風速が30km/h（19mph）に上昇すると、風冷指数は−33に低下します。

米国の慣用単位での同等の式は次の通りである: [ 12 ] [ 3 ]

Tわc＝35.74+0.6215T1つの−35.75v+0.16+0.4275T1つのv+0.16、{\displaystyle T_{\mathrm {wc} }=35.74+0.6215T_{\mathrm {a} }-35.75v^{+0.16}+0.4275T_{\mathrm {a} }v^{+0.16},}

ここで、T wcは華氏温度に基づく風冷指数、T aは華氏温度での気温、vは風速（マイル/時）である。[ 13 ]

風冷温度は気温が10℃（50℉）以下かつ風速が4.8km/h（3.0mph）以上の場合にのみ定義されます。[ 12 ]

気温が下がると、存在する風の冷却効果は増大します。例えば、気温が−20℃（−4℉）のときに時速16km（10mph）の風が吹くと、気温が−10℃（14℉）のときに同じ風速の風が吹く場合よりも、体感温度はより大きく下がります。

  • 風速と気温に対する風冷度のグラフ
    摂氏風冷指数
  • 気温15℃における風速別の「古い」風冷え値と「新しい」風冷え値を比較したグラフ
    -15℃（5℉）における新旧の風冷値の比較
  • 手動の風冷え計算機の写真
    風冷え計算機

2001年のWCETは定常状態の計算です（凍傷までの時間の推定を除く）。[ 14 ]風冷えには時間依存性が大きく、それは風にさらされ始めたばかりの頃、皮膚がまだ温かい時に最も急速に冷却が起こるためです。

オーストラリアの体感気温

オーストラリア体感温度（AT）は1970年代後半に考案され、屋内環境における温熱感覚を測定するために設計されました。1980年代初頭には、太陽光と風の影響も考慮に入れるよう拡張されました。ここで用いられるAT指数は、成人が屋外の日陰を歩く際の数学モデルに基づいています（Steadman 1984）。ATは、基準湿度レベルにおいて、現在の周囲温度と湿度で感じるのと同じ不快感を生み出す温度と定義されます。[ 15 ]

式[ 16 ]は次の通りである。

あT＝T1つの+0.33e−0.7v−4.00、{\displaystyle \mathrm {AT} =T_{\mathrm {a} }+0.33e-0.7v-4.00,}

どこ：

蒸気圧は、次の式を使用して温度と相対湿度から計算できます。 e＝RH100⋅6.105⋅経験⁡（17.27⋅T1つの237.7+T1つの）、{\displaystyle e={\frac {\mathrm {RH} }{100}}\cdot 6.105\cdot \exp {\left({\frac {17.27\cdot T_{\mathrm {a} }}{237.7+T_{\mathrm {a} }}}\right)},}

どこ：

  • T aは乾球温度（°C）
  • RHは相対湿度（％）
  • expは指数関数を表す

オーストラリアの式は湿度という重要な要素を含んでおり、より簡略化された北米の風冷えモデルよりもやや複雑です。北米の式は、湿度も低い低温（-46℃または-50℉）に適用できるように設計されています。ATの高温版（1984年）は、アメリカ合衆国の国立気象局で使用されています。アメリカ合衆国では、この簡略化されたATは熱指数として知られています。

参考文献

  1. ^ヴィンセント・J・シェーファー、ジョン・A・デイ、ジェイ・パサチョフ (1998). 『大気のフィールドガイド』ホートン・ミフリン・ハーコート. ISBN 0-395-97631-6。
  2. ^ 「Windchillの用語と定義」アメリカ海洋大気庁（NOAA ） 2008年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年7月3日閲覧。
  3. ^ a b c d e f Kozlowski, Rosann (2020年3月30日). 「風冷係数の計算方法」 . sciencing.com . 2021年10月5日閲覧。
  4. ^ Eagan, C. (1964). 寒冷地域における軍事問題に関する研究レビュー. C. Kolb and F. Holstrom eds. TDR-64-28. Arctic Aeromed. Lab. p 147–156.
  5. ^ *ウッドソン、ウェズリー・E.（1981年）『ヒューマンファクターズデザインハンドブック』815ページ。マグロウヒル社。ISBN 0-07-071765-6
  6. ^ Aquation 55、6-113ページ
  7. ^ 「カナダ環境省 – 気象・気象学 – カナダの風冷指数」 Ec.gc.ca。2013年8月9日閲覧。
  8. ^ 「気象表、風速冷え。2001年8月プレスリリース」国立気象局。 2013年1月14日閲覧。
  9. ^ 「Wind Chill」。BBC天気予報、「天気を理解する」 。BBC。2010年10月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  10. ^ Osczevski, Randall; Bluestein, Maurice (2005). 「新しい風冷相当温度図」 .アメリカ気象学会誌. 86 (10): 1453– 1458. Bibcode : 2005BAMS...86.1453O . doi : 10.1175/BAMS-86-10-1453 .
  11. ^ 「カナダにおける1971年から2000年までの気候標準値の計算」 Climate.weatheroffice.gc.ca、2013年7月10日。2013年6月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年8月9日閲覧。
  12. ^ a b「NWS Wind Chill Index」 Weather.gov、2009年12月17日。2011年9月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年8月9日閲覧。
  13. ^ 「この式に基づく風冷えのチャート」 Weather.gov、2009年12月17日。 2017年4月13日閲覧。
  14. ^ Tikuisis, Peter; Osczevski, Randall J. (2003). 「冷気曝露時の顔面冷却」アメリカ気象学会誌. 84 (7): 927– 933. Bibcode : 2003BAMS...84..927T . doi : 10.1175/BAMS-84-7-927 .
  15. ^ 「体感温度（AT）- 熱指数」オーストラリア気象局。2010年2月5日。 2018年8月1日閲覧。
  16. ^ 「見かけ温度の計算式」オーストラリア気象局. 2010年2月5日. 2013年8月9日閲覧。
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