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體感溫度是什麼?它是重要的天氣指標嗎?

艾粒安鈉
・2016/02/07 ・3623字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

每逢冷氣團或寒流來襲時,只要打開電視,新聞主播總是不斷提到體感溫度:「北部地區預計低溫9度,體感溫度更可低達3度…」大家或許常有這個疑惑,9度就9度,為什麼感覺像3度呢?斯斯有三種、溫度有實際溫度和體感溫度兩種,我們到底要用哪一種呢?

插圖/艾粒安鈉
插圖/艾粒安鈉

首先回歸氣象單位的標準職務–觀測、記錄並預測天氣,反映到民間就是讓大家預先知道今天、明天、未來的天氣,除了為將來可能發生的氣象災害做好準備之外,也能對每天出門時要怎麼穿?要不要帶雨傘?等等這些最基本的問題有些概念。帶雨具與否可由降雨機率來決定;至於穿多穿少的抉擇,當然與溫度息息相關了。

但想必我們大家多少都注意到,溫度固然非常重要,但並不是影響感覺冷熱的唯一因素。常有人說:濕冷比乾冷感覺冷、濕熱比乾熱感覺熱;夏天有風感覺涼爽、冬天有風感覺冷颼颼。所以各國氣象單位為了符合民眾的最基本要求–「出門怎麼穿」,而發展出一些公式計算出在特定天氣情況下的感覺像是溫度幾度,這就是所謂的體感溫度了。

酷熱指數

體感溫度的計算方式有很多種,首先我們考慮濕熱vs.乾熱的問題。美國氣象學家喬治‧溫特靈(George Winterling)在1978年發展出了「酷熱指數」(heat index),後來被美國國家氣象局(NWS)採用,作為夏天的體感溫度。計算酷熱指數的公式只與溫度和濕度相關,簡單而言,同樣溫度下濕度越高,酷熱指數也越高。因為人體散熱主要依靠的是體表水分的蒸發,環境濕度越高,水分蒸發也越慢而不易散熱,讓人感覺更加炎熱。

這個指數對許多因素如個人身高體重、衣服多寡、日照、風速等等都做了假設,若實際情況偏離假設過大時,計算出的酷熱指數偏差也會很可觀。其中最主要的假設有二:1. 酷熱指數是基於在陰影下的溫度,若曝曬在太陽下,體感溫度可增加達8度之多。2. 指數不考慮風速的影響,若有風會讓體感溫度降低,除非氣溫比體表溫度還高。酷熱指數的公式如下:

Heat Index formula

其中HI為酷熱指數,T為溫度、R為相對濕度。c1~c9是九個常數

照片來源:Flickr / 韵升白
照片來源:Flickr / 韵升白

加拿大氣象局使用另一個版本稱為濕度指數(humidex)的體感溫度,J.M.馬斯特頓(J. M. Masterton)和F.A.李察森(F. A. Richardson)在1979年提出,概念與酷熱指數相似,都是基於濕度越高、體感溫度越高的假設。濕度指數的公式如下:

Humidex formula

其中Humidex為濕度指數、Tair為溫度(攝氏)、Tdew則為露點溫度(絕對溫標)。

……等等,「露點溫度」是什麼啊?這可不是指衣服的多寡,而是指當你將潮濕空氣降溫時,使空氣中的水氣飽和所要達到的溫度。由於溫度越高,水越容易蒸發,也會產生越多的水蒸氣,因此空氣中可以容納更多的水蒸氣才會飽和。

溫度越低,飽和水氣量越低,當空氣中含水量超過飽和時,水氣就會凝結成露。露點溫度高的意思,就是在更高的溫度時水就會凝結出來了,表示空氣中的濕度高。所以露點溫度與濕度是成正比的。大家想想看,在悶熱的夏天,喝一罐冰涼的飲料消暑,罐子外面是否會凝結水珠呢?這就是因為飲料的溫度低於露點溫度的關係。如果天氣比較乾燥,或者飲料不冰,飲料罐上的水珠就比較少、甚至不會有水珠。

至於相對濕度裡的「相對」,就是指空氣水氣量相對於飽和水氣量的百分比了。

風寒指數

在台灣大家聽到體感溫度的主要熱門場合,其實是冬天的冷氣團與寒流。氣象學家一般假設在天氣寒冷時,影響體感溫度的主因是風速而不是濕度。由於溫度較低時,一來空氣中飽和水蒸氣壓也低,水氣多寡的變化範圍較窄;二來無風下蒸發速率也遠不及熱天,因此濕度對散熱以及體感溫度的影響較小。這時候體表散熱主要助力,就是空氣流動(風)了。

那麼為何大家覺得濕冷比乾冷還冷呢?其實這是因為,台灣的濕冷天氣經常伴有霧或雨,液態水與氣態空氣相比,更容易傳導熱量;而且水的比熱也遠比同體積的空氣高,因此當水滴附著在身體和衣服上時,可以帶走遠比空氣更多的熱,若還加上風的吹拂讓水分得以蒸發,更讓你感覺加倍寒冷。但由於降水強度的預報是相對新穎的氣象技術,當初在設計冬季體感溫度時,便做了人體不直接接觸降水的假設。

照片來源:維基百科 / LIFE Photo Archive
照片來源:維基百科 / LIFE Photo Archive

美國與加拿大氣象組織當初設計的風寒指數,真的是個指數(Wind Chill Index),算出來是一個與體感溫度完全不同的數字;因此也提供民眾一個資訊,當這個指數高於1400時便容易凍傷。但這個另外的數字實在太不直覺了,因此在2001年11月,美國、加拿大和英國的氣象學家共同發展出新的風寒指數,其公式如下:

Wind Chill formula

其中Twc為風寒指數、Ta為溫度(攝氏)、V為風速(公里/小時)。但風寒指數與酷熱指數一樣,也基於許多假設,因此個人穿著多寡、是否有陽光、降雨降雪情況等等的差別,也會造成個人體感溫度的不同。

體感溫度

最後要說的是目前台灣中央氣象局所使用的體感溫度。上面已經提到,體感溫度與濕度、風速、日照、和人體都有關係,其中日照和人體的個人差異比較難以量化,因此體感溫度所採用的公式,只將濕度和風速納入考慮。與美國和加拿大使用的酷熱指數、風寒指數相比,中央氣象局的體感溫度,採用的是R.G.斯戴德曼(R. G. Steadman)在1984年發表的《體感溫度的通用公式》(A universal scale of apparent temperature):

體感溫度 = (1.04 × 溫度) + (0.2 × 水氣壓) — (0.65 × 風速) — 2.7

其中溫度以攝氏為單位、風速以公尺/秒為單位,水氣壓的單位為百帕,計算公式如下:

水氣壓 = (相對濕度 / 100) × 6.105 × exp[ (17.27 × 溫度) / (237.7 + 溫度) ]

澳洲氣象局使用的體感溫度與此相似,只是溫度、水氣壓和風速的係數有些微不同。

這個體感溫度公式,可謂冬夏適用。其中濕度在溫度較高時對體感溫度造成顯著的影響,溫度低時影響甚小;而在此公式中,也做了一個假設:風速對體感溫度的影響是線性的,不論四季,只要有風,降低體感溫度的程度都是相同的。因此顯而易見,這個對風速的假設有潛在的問題–當熱浪來襲,氣溫比體溫還高的時候,風雖然帶走體表的更多水分,卻也讓更多比身體還熱的空氣接觸身體,風力對體感溫度的影響程度就遠不及天氣較涼的時候了。

體感溫度比一比

上面提到了各國氣象組織使用不同計算體感溫度的公式,下面我們就把這些體感溫度表格化,比較其中的差異吧!

heat1

上圖是中央氣象局(CWB)體感溫度、美國酷熱指數(heat index)、加拿大濕度指數(humidex)的比較,其中中央氣象局的體感溫度,是基於無風的情況計算;高於60度的溫度省略不寫。比較之下三者的差異顯而易見,在溫度較低時,CWB體感溫度與美國酷熱指數的數值大同小異,但當溫度、濕度提高時,酷熱指數很快增加,勝過了CWB體感溫度。至於加拿大濕度指數除了非常極端悶熱的條件外,數值都比另兩者高。

小編猜測,究其原因,極有可能是各國氣候不同,造成同樣溫度、濕度的悶熱夏季天氣,大家的平均感受不同吧。台灣地處亞熱帶與熱帶交界,氣候濕熱;美國只有南部地區均溫與台灣相似;至於加拿大位於美國北方,氣候更為寒冷,人們的耐熱度也就更低了。所以也反映在不同國家的「體感溫度」上面。

接著再以下面的GIF動畫比較冬天的體感溫度吧!中央氣象局的體感溫度,以濕度50%計算。

cold1

這個差異就更加明顯了,中央氣象局的體感溫度,明顯比美國、加拿大、英國使用的風寒指數(Wind Chill)低上一大截啊!風寒指數的使用說明還表示,公式只適用於攝氏10度以下,所以在溫度較暖時,計算出的風寒指數甚至比實際溫度還高!

這就更能反映各國的氣候差異了,台灣冬季平地氣溫鮮少降到5度以下,但歐美大部分位於溫帶地區,冬季比起台灣寒冷許多。因此也造成台灣人比較怕冷,氣象局使用的體感溫度自然比較低。小編在美國波士頓住了六年,習慣了當地嚴寒又大雪紛飛的冬天;前陣子在台灣碰到霸王寒流,不僅覺得根本沒什麼,在4度C冷雨之中,還可以穿短袖短裙跑馬拉松,之後也沒有感冒。

所以說穿了,體感溫度只是一個將人體實際感覺到的溫度粗略量化的方式,計算過程中做了許多假設和簡化;但實際上每個人對溫度的感覺都不盡相同。因此在新聞用聳動的標題,報導超高或超低的體感溫度之餘,別忘了天氣如人飲水,冷暖自知,體感溫度僅供參考、僅供參考、僅供參考(很重要所以講三遍)!

參考文獻

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艾粒安鈉
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主修有機合成。對化學、天文、幾何學、地理、氣候、統計學、語言學、心理學、社會學、音樂和烹飪都有興趣。不願一生為學術研究爆肝,而熱愛為感興趣的學科認真寫科普文章,並用創意比喻和爛梗讓大家喜歡科學。多元性別,最高心跳210,海豚音到重低音一手包辦。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》