風の冷たさ

風冷え（一般的には風冷え係数とも呼ばれる）は、空気の動きによって人体から周囲の大気への熱伝達率が加速されるため、一定の周囲気温において露出した皮膚に風が与える冷たさの感覚です。その値は、式が有効な範囲内では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。

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と、表面に対する流体の速度の両方に依存します。暖かい表面からの対流^{[説明が必要]}が周囲の空気を加熱すると、暖かい空気の断熱境界層が表面に対して形成されます。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。これにより、表面に対する暖かい空気が冷たい空気に置き換わり、境界層の温度差が大きくなります。風速が速いほど、表面はより容易に冷却されます。^[要出典]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指すのではなく、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結しません。 ^[2]

風冷えには多くの公式が存在する。気温とは異なり、風冷えには世界的に合意された標準的な定義や測定法がないからだ。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するものである。各国の気象サービスは、その国や地域に固有の基準を使用している。たとえば、米国とカナダの気象サービスは、国立気象局が承認したモデルを使用している。そのモデルは、時間とともに進化してきた。

最初の風速冷却の公式と表は、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年代までにアメリカ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]いわゆる風速冷却指数は、天候の厳しさをかなり正確に示していました。^[3]

1960 年代に、風の冷え込みは理論的にはあまり役に立たない風の冷え込み相当温度(WCET) として報告されるようになりました。この変更の作者は不明ですが、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。 ^[要出典]最初は、風がまったくない場合に風の冷え込み指数が同じになる温度として定義されていました。これにより、天候の厳しさを誇張した等価温度が生まれました。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) と再定義しました。これは、カップ型風速計で測定できる最低風速でした。これにより、等価温度のより現実的な (より暖かく聞こえる) 値が得られました。

21 世紀になるまで、北米では等価温度は普遍的に使用さ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、平方メートルあたりキロカロリー/ 時間の単位の 3 桁または 4 桁の数値である、オリジナルの風冷指数が報告されていました。各個人は、経験を通じて個人的に数値のスケールを調整しました。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ガイダンスも提供しました。

この指数の元々の計算式は次の通りである: ^{[5] [6]}

$${\displaystyle WCI=\left(10{\sqrt {v}}-v+10.5\right)\cdot \left(33-T_{\mathrm {a} }\right),}$$ どこ：

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

2001 年 11 月、カナダ、米国、英国は、気温指数に関する共同行動グループ (JAG/TI) の科学者と医療専門家によって開発された新しい風速冷却指数を導入しました。^{[7] [8] [9]}これは、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、風に面した裸の顔が 1.4 m/s (5.0 km/h、3.1 mph) の風に向かって歩いているときに計算されました。このモデルは、人が開けた野原にいると仮定して、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、次の式で 1 ​​度以内で近似できます。

カナダ環境省の標準的な風速冷却式は以下のとおりです: ^[3]

$${\displaystyle T_{\mathrm {wc} }=13.12+0.6215T_{\mathrm {a} }-11.37v^{+0.16}+0.3965T_{\mathrm {a} }v^{+0.16},}$$

ここで、T _wcは摂氏温度スケールに基づく風速指数、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（キロメートル毎時）である。^[11]

気温が -20 °C (-4 °F) で風速が 5 km/h (3 mph) の場合、風速指数は -24 です。気温が -20 °C のままで風速が 30 km/h (19 mph) に増加すると、風速指数は -33 に下がります。

米国の慣用単位での同等の式は次の通りである: ^{[12] [3]}

$${\displaystyle T_{\mathrm {wc} }=35.74+0.6215T_{\mathrm {a} }-35.75v^{+0.16}+0.4275T_{\mathrm {a} }v^{+0.16},}$$

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。たとえば、気温が -20 °C (-4 °F) の場合、風速 16 km/h (10 mph) の風は、気温が -10 °C (14 °F) の場合の同じ風速の風よりも、体感温度をより大きく下げます。

• 
  摂氏風冷指数
• 
  -15 °C (5 °F) における新旧の風速冷却値の比較
• 
  風冷え計算機

2001年のWCETは定常計算です（凍傷までの時間の推定を除く）。^[14]風による冷却には時間に依存する側面が大きくあります。なぜなら、風にさらされ始めたとき、つまり皮膚がまだ温かいときに冷却が最も急速に起こるからです。

1970年代後半に考案された体感温度（AT）は、屋内での温熱感覚を測定するために考案されました。1980年代初頭には、太陽と風の影響も考慮されるように拡張されました。ここで使用されるAT指数は、屋外の日陰を歩く成人の数学的モデルに基づいています（Steadman 1994）。ATは、基準湿度レベルで、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して定義されます。 ^[15]

式^[16]は次の通りである。

$${\displaystyle \mathrm {AT} =T_{\mathrm {a} }+0.33e-0.7v-4.00,}$$

どこ：

• T _aは乾球温度（°C）
• eは水蒸気圧（hPa）
• vは高度10m（33 フィート）

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。 $${\displaystyle e={\frac {\mathrm {RH} }{100}}\cdot 6.105\cdot \exp {\left({\frac {17.27\cdot T_{\mathrm {a} }}{237.7+T_{\mathrm {a} }}}\right)},}$$

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には湿度という重要な要素が含まれており、よりシンプルな北米のモデルよりもやや複雑です。北米の式は、湿度レベルも低い低温 (-46 °C または -50 °F まで) に適用できるように設計されています。AT の高温バージョン (1984) は、米国の国立気象局で使用されています。米国では、この AT のシンプルなバージョンは熱指数として知られています。

ウィキメディア・コモンズには、風の冷えに関連するメディアがあります。

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• 国立大気研究センター 風冷温度表（摂氏と華氏）
• 世界の風速冷却値の現在の地図
• 米国国立気象局の風冷え計算機