風寒效應

前言

　　我們曾有將手伸進超商冷凍櫃的經驗，並不會覺得非常冷。在大寒流來時的南橫大關山隧道口，那感覺真是，李總統登輝先生說，"夭壽ㄛ！"
　　同樣是 - 4 oC，怎麼會有那樣大的差別？這中間的奧秘就在於∼∼強風！這種低溫與風造成的冷的感覺就稱為風寒效應 (wind chill)。在熱帶／亞熱帶的台灣，平常的生活中風寒效應並沒有很被強調，但對喜愛高山的伙伴們，會與低溫與強風相伴的狀況下，就該注意了。（作者：BWBear）

簡介

　　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 V1/2 - 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：

　Te = 33 - [ ( 18.97 x V1/2 - V + 37.62 ) / ( 18.97 x Vr1/2 - Vr + 37.62 ) ] x ( 33 - T )

　其中：
　　Te 為風寒效應 (wind chill, 等效溫度 oC)
　　T 為氣溫 (oC)
　　V 為風速 (km/h)
　　Vr 為人類走動中的估計相對風速 (6-8 km/h) ← 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 Tair - 11.37 x V10m0.16 + 0.3965 x Tair x V10m0.16

　其中：
　　W 為風寒效應指數 (wind chill index, oC)
　　Tair 為氣溫 (oC)
　　V10m 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：

　tf = { [ -24.5 x ( 0.667 x V10m + 4.8 ) ] + 2111 } x ( -4.8 - Tair )-1.668

　其中：
　　tf 為估計 5% 最容易發生凍傷的人發生凍傷所需時間, (分)
　　Tair 為氣溫 (oC)
　　V10m 為 10m 高（標準風速計高）的風速 (km/h)

計算風寒效應指數及估計凍傷時間 （請注意前文所述的限制）

氣溫 (oC) ( - 50 ∼ 5 oC )     →   風寒效應指數 (oC)
風速 (km/h) ( 最少 5 km/h )       估計凍傷時間 (分)

重要參考表格（加拿大環境局）

  1. 風寒效應計算表 (.rtf, 106,051 Bytes)
  2. 風寒效應凍傷時間 (.rtf, 59,057 Bytes)