基于智能客戶端的跑步氣象指數(shù)預(yù)報(bào)方法研究

樂益龍，盧晶晶，鮑晗澍

（1.寧波鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315012；2.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波 315012）

引言

跑步作為一種最大眾化和最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)動(dòng)健身方式，越來越多的成為大眾日常健身的首選運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，跑步是參與人數(shù)最多的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，很受廣大群眾歡迎。由于跑步運(yùn)動(dòng)主要是在戶外進(jìn)行，無論是對(duì)于普通民眾健身還是專業(yè)人士的跑步成績(jī)，氣象條件都會(huì)對(duì)其有較明顯的影響。如何根據(jù)天氣條件，選擇適宜的氣象條件開展跑步運(yùn)動(dòng)成了眾多跑步愛好者關(guān)心的事情。目前氣象部門針對(duì)公眾開發(fā)了很多生活氣象指數(shù)產(chǎn)品，如：旅游指數(shù)，逛街指數(shù)，登山指數(shù)等，為公眾出行、旅游、運(yùn)動(dòng)提供氣象建議和指導(dǎo)。像這類戶外活動(dòng)指數(shù)的設(shè)計(jì)，研究方法主要基于天氣現(xiàn)象，風(fēng)力、氣溫等天氣要素對(duì)戶外活動(dòng)的影響程度，以氣象條件的利好程度作為分級(jí)指標(biāo)，而像跑步這種更具有專業(yè)性的氣象指數(shù)，還要考慮氣象因子本身的變化規(guī)律對(duì)跑步活動(dòng)的影響程度。目前專門針對(duì)跑步設(shè)計(jì)的氣象指數(shù)并不多見，知名天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用The Weather Channel［1］新增了一個(gè)有趣的功能：跑步預(yù)報(bào)。能夠查看最佳的跑步時(shí)間，并且還能預(yù)報(bào)一周內(nèi)哪一天的天氣適合跑步，以及自定義GoRun指數(shù)。該指數(shù)在天氣類的APP里實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，獲得了很好的應(yīng)用反饋，但由于是國(guó)外APP，在融入本地應(yīng)用市場(chǎng)方面還存在一定的欠缺。國(guó)內(nèi)主流的跑步類APP［2］，如咕咚，悅跑圈，小米運(yùn)動(dòng)等，已占據(jù)了市場(chǎng)大部分份額，均擁有各自的忠實(shí)用戶。這些APP主要是幫助用戶記錄運(yùn)動(dòng)健身數(shù)據(jù)、指數(shù)等功能，并不具備建議適宜跑步的氣象條件的功能，因此需要為智能化客戶端建立一套“量身打造”的跑步指數(shù)產(chǎn)品預(yù)報(bào)方法。指數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)手機(jī)，手表等智能化客戶端應(yīng)用特點(diǎn)，可提供分區(qū)域、分時(shí)段的精細(xì)化跑步氣象指數(shù)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，真正為用戶提供科學(xué)有效的應(yīng)用建議。

1 資料與方法

影響跑步的氣象因素主要有天氣狀況、氣溫、風(fēng)力、濕度和空氣質(zhì)量等，還有些非氣象因子，在此不做考慮。項(xiàng)目研究利用的氣象資料取自寧波市一般氣象觀測(cè)站、自動(dòng)氣象站和紫外線觀測(cè)儀。空氣質(zhì)量資料取自寧波市環(huán)境監(jiān)測(cè)站。

跑步氣象指數(shù)采用十分制的評(píng)分方法，設(shè)計(jì)原理是考量各氣象因子對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)的綜合影響進(jìn)行“打分”，再通過對(duì)不同氣象因子影響程度賦予不同的權(quán)重，綜合評(píng)判得到最后的評(píng)分結(jié)果。對(duì)各氣象影響因子最優(yōu)氣象條件的評(píng)分設(shè)為10分，最差氣象條件評(píng)分為0分，將最適宜跑步的氣象條件作為氣象因子評(píng)分最優(yōu)指標(biāo)，分?jǐn)?shù)的變化區(qū)間與上述6個(gè)等級(jí)相匹配，最后綜合考慮各氣象因子的評(píng)分結(jié)果。由于每個(gè)氣象因子的數(shù)值單位都不相同，對(duì)每個(gè)氣象要素進(jìn)行歸一化。歸一化標(biāo)準(zhǔn)化也稱為離差標(biāo)準(zhǔn)化，是對(duì)原始數(shù)據(jù)的線性變換，使結(jié)果值映射到［0-1］之間。根據(jù)氣象因子的最優(yōu)評(píng)分指標(biāo)確定各氣象因子的評(píng)分臨界值，根據(jù)氣象因子與臨界值的誤差值建立歸一化樣本，然后采用十分制進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分公式如下：

其中max為樣本數(shù)據(jù)最大值，min為樣本數(shù)據(jù)最小值，x0為樣本臨界值。利用該方法可以使評(píng)分線性變化，在設(shè)定的某一數(shù)值范圍內(nèi)評(píng)分將隨著氣象因子數(shù)值的增大或減小線性遞增或遞減。

2 氣象因素對(duì)跑步的影響分析

根據(jù)前人對(duì)影響跑步的氣象因素研究以及對(duì)跑步愛好者的調(diào)研結(jié)果，對(duì)跑步主要的影響包括氣象條件本身對(duì)戶外活動(dòng)的影響和氣象要素變化對(duì)跑步者生理產(chǎn)生的影響。氣象條件本身對(duì)戶外活動(dòng)的影響主要包括天氣狀況和環(huán)境，如大雨、雪、雷電、重污染等，一般上述天氣出現(xiàn)的時(shí)候不利于在戶外跑步。對(duì)跑步者產(chǎn)生生理影響的氣象條件主要包括氣溫、風(fēng)速、濕度、降水等。根據(jù)武雪蓮［3］，劉韜［4］等對(duì)氣象因素對(duì)跑步影響的研究，氣溫在12到20℃之間都是最適合跑步的溫度，但如果氣溫過高和氣溫過低則不適合長(zhǎng)時(shí)間的跑步，因?yàn)闅鉁剡^高，跑步者出汗太多，會(huì)喪失大量水分和微量元素，容易造成脫水，而氣溫過低，人的肌肉會(huì)發(fā)生收縮，過冷的空氣也不利于呼吸道系統(tǒng)。葉殿秀［5］等研究表明，馬拉松跑步運(yùn)動(dòng)適宜風(fēng)速指標(biāo)在2～5m·s-1，說明一定的風(fēng)速對(duì)跑步有積極的作用，當(dāng)風(fēng)速＜5m·s-1，風(fēng)速的作用主要是散熱與助力，當(dāng)風(fēng)速＞5m·s-1風(fēng)速的作用主要變成了阻力。濕度過大，不利于汗液的蒸發(fā)和身體散熱，跑步者會(huì)感到煩惱郁悶，濕度太小，空氣過于干燥，跑步者長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)會(huì)容易脫水。劉韜［4］的研究表明，比較適合長(zhǎng)跑的空氣相對(duì)濕度范圍是30%～60%。降水對(duì)跑步的影響主要是氣象條件本身的影響，不過微量的降雨也會(huì)對(duì)跑步者產(chǎn)生一定的生理影響，有研究表明下毛毛雨對(duì)跑步者來說是適宜的天氣。

上述分析表明，對(duì)大雨、雪、雷電、重污染等不利于出行跑步的氣象條件，可根據(jù)上述氣象條件的出現(xiàn)程度直接判定跑步氣象等級(jí)。氣溫、風(fēng)速、濕度等氣象因子的變化可對(duì)跑步者產(chǎn)生不同程度的影響，因此對(duì)此類氣象因子可采取線性評(píng)分的方法，當(dāng)氣象因子數(shù)值隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，評(píng)分也相應(yīng)的產(chǎn)生變化，線性評(píng)分可以反映氣象因子對(duì)跑步者影響程度的變化。

3 跑步氣象等級(jí)劃分

基于智能客戶端應(yīng)用的跑步氣象指數(shù)預(yù)報(bào)最終呈現(xiàn)方式為跑步氣象等級(jí)，首先根據(jù)十分制的評(píng)分方法劃分跑步氣象等級(jí)，分?jǐn)?shù)越高，越適宜跑步，分?jǐn)?shù)越低越不適宜跑步。表1按照分?jǐn)?shù)的大小劃分6個(gè)跑步氣象等級(jí)，由于各氣象影響因子評(píng)分在0～10之間線性變化，因此對(duì)各氣象影響因子的評(píng)分原則上要對(duì)應(yīng)6個(gè)跑步氣象等級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，跑步氣象等級(jí)各級(jí)別內(nèi)的評(píng)分的線性變化體現(xiàn)了適宜程度的大小。

表1 跑步氣象等級(jí)

4 各氣象因子的評(píng)分方法

4.1 生理氣象條件評(píng)分方法

根據(jù)上述分析，氣溫、降水、風(fēng)速、濕度都可對(duì)跑步者產(chǎn)生一定的生理影響，根據(jù)影響程度，可采用線性評(píng)分方法。每個(gè)氣象因子評(píng)分總分設(shè)為10分，分?jǐn)?shù)越高，對(duì)跑步者的影響越小，跑步條件越好，分?jǐn)?shù)越低，對(duì)跑步者的影響越大，跑步條件越差。下面根據(jù)各氣象因子的特點(diǎn)分析各氣象因子的評(píng)分指標(biāo)，并確定樣本臨界值，均采用公式（1）進(jìn)行線性化評(píng)分。表2給出了各氣象因子的具體評(píng)分方法。

（1）氣溫

根據(jù)對(duì)跑步者的調(diào)研結(jié)果，一定范圍內(nèi)氣溫的變化對(duì)跑步者的影響不大，因此將12到20℃設(shè)為最優(yōu)氣溫指標(biāo)，該氣溫區(qū)間內(nèi)的分?jǐn)?shù)均設(shè)為10分；當(dāng)氣溫升高或降低到某種程度時(shí)，會(huì)對(duì)跑步者產(chǎn)生明顯的影響，設(shè)定氣溫低于2℃，或者高于35℃，評(píng)分不能高于5分。樣本臨界值分別取值12℃、20℃、2℃和35℃。

（2）降雨

降雨量為0時(shí)，評(píng)分設(shè)為10分，有研究表明，微量降雨對(duì)跑步者也是適宜的天氣，設(shè)定12h雨量＜0.5mm的評(píng)分為9～10分，樣本臨界值取值為0mm。評(píng)分最大上限雨量設(shè)為5mm，隨著雨量增大評(píng)分也線性降低，這樣的設(shè)計(jì)既考慮了微量降雨對(duì)跑步者特別是長(zhǎng)時(shí)間慢跑帶來的舒適程度，也考慮到對(duì)降水有較高的敏感度的人群。

（3）風(fēng)速

考慮到風(fēng)速對(duì)跑步的助力作用，設(shè)定2～5m·s-1為最優(yōu)的風(fēng)速指標(biāo)，跑步評(píng)分均為10分，隨著風(fēng)速增大評(píng)分也線性降低；評(píng)分的最大上限風(fēng)速設(shè)為10.8 m·s-1（6級(jí)風(fēng)），如果風(fēng)速達(dá)到8m·s-1及以上，評(píng)分不能高于5分。樣本臨界值分別取值2m·s-1、5m·s-1、8m·s-1。

（4）濕度

設(shè)定30%～60%為最優(yōu)的相對(duì)濕度指標(biāo)，考慮到濕度對(duì)跑步的影響程度比其他因子較低，濕度最低評(píng)分設(shè)為7分。如果其他氣象因素的評(píng)分低于7分，則主要的影響天氣不考慮濕度影響。樣本臨界值分別取值30%和60%。

4.2 戶外氣象條件評(píng)分方法

氣象條件對(duì)戶外活動(dòng)的影響主要包括天氣狀況和環(huán)境，氣象因子評(píng)分主要考慮天氣狀況、紫外線和空氣質(zhì)量，由于影響戶外活動(dòng)的天氣基本都屬于不利的天氣條件，因此可根據(jù)天氣的影響程度直接定級(jí)評(píng)分，不考慮分?jǐn)?shù)的線性變化。具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下（表3）。

晴或多云天氣評(píng)分為10分，降雨量超過5mm考慮不適合進(jìn)行戶外跑步活動(dòng)，直接評(píng)分為0分。風(fēng)速大于6級(jí)（10.8m·s-1）考慮不適合戶外跑步，直接評(píng)分為0分。出現(xiàn)雪或雷電時(shí)考慮不適合戶外跑步，直接評(píng)分為0分。紫外線和空氣質(zhì)量基本屬于氣象條件本身對(duì)跑步的影響，由于紫外線和空氣質(zhì)量已有相應(yīng)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，則直接按照紫外線等級(jí)和空氣質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)分。相對(duì)來說紫外線對(duì)跑步的影響并沒有空氣質(zhì)量的影響大，所以紫外線評(píng)分最低值設(shè)定為6分，而空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染級(jí)別時(shí)，設(shè)定評(píng)分為0分。

表2 影響生理氣象條件的評(píng)分方法

表3 影響戶外氣象條件的評(píng)分方法

5 確立跑步氣象指數(shù)

根據(jù)上述各項(xiàng)氣象因子評(píng)分的結(jié)果綜合評(píng)價(jià)跑步指數(shù)為G，跑步指數(shù)的具體評(píng)價(jià)方法是選取各項(xiàng)氣象因子評(píng)分的最小值，當(dāng)跑步指數(shù)低于6分時(shí)，最小值對(duì)應(yīng)的氣象條件作為首要影響天氣，若首要影響天氣為兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上時(shí)，并列為首要影響天氣。考慮到每個(gè)跑步者對(duì)生理氣象因子的敏感程度有所差異，這里對(duì)氣溫、風(fēng)速、雨量和濕度的生理氣象條件評(píng)分設(shè)置了關(guān)心權(quán)重，關(guān)心權(quán)重分為低、中、高三個(gè)等級(jí)，滿分為100%，最低關(guān)心權(quán)重為50%。跑步者可根據(jù)自己對(duì)氣象條件的關(guān)心程度設(shè)置關(guān)心權(quán)重，跑步指數(shù)G的計(jì)算公式如下：

f(T)氣溫評(píng)分，f(R)降水評(píng)分，f(V)風(fēng)力評(píng)分，f(Z)紫外線評(píng)分，f(A)空氣質(zhì)量，f(S)天氣現(xiàn)象。nT，nV，nR，nRH，分別表示氣溫、風(fēng)速、雨量、濕度的關(guān)心權(quán)重，單位%。

在相同氣象條件下，由于自定義的關(guān)心權(quán)重不同，跑步指數(shù)的數(shù)值也存在差異，如圖1所示，不考慮關(guān)心權(quán)重時(shí)，最小跑步指數(shù)為6分，降雨為首要影響天氣，根據(jù)跑步氣象指數(shù)等級(jí)（表1），跑步指數(shù)在7分以上適合跑步，6分以下不適合跑步，代表有降雨天氣出現(xiàn)不適宜外出跑步，如果跑步者對(duì)降雨敏感不高，認(rèn)為下雨天仍可以外出跑步，把降雨的關(guān)心權(quán)重設(shè)為中等60%，跑步指數(shù)最小為7分，所以該指數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)于每個(gè)跑步者來說都是個(gè)性化的。這個(gè)設(shè)計(jì)可以讓跑步者根據(jù)自身情況調(diào)整，預(yù)報(bào)符合自己適合跑步的時(shí)間和天氣。

圖1 不同關(guān)心權(quán)重的跑步指數(shù)案例

6 結(jié)論與討論

（1）指數(shù)設(shè)計(jì)采取10分制評(píng)分，考慮了氣象因子的線性變化，可以體現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)指數(shù)隨氣象因子的時(shí)間變化，也可以體現(xiàn)不同區(qū)域氣象條件差異所引起的指數(shù)變化。比起傳統(tǒng)的等級(jí)式指數(shù)，評(píng)分制的指數(shù)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)域、分時(shí)段的精細(xì)化預(yù)報(bào)，滿足了在智能手機(jī)客戶端上按時(shí)間和地理位置定制以及跟蹤服務(wù)的功能。

（2）指數(shù)基于智能客戶端應(yīng)用設(shè)計(jì)，增加了用戶的體驗(yàn)感，根據(jù)用戶自身對(duì)氣象因子關(guān)心程度的需求，設(shè)計(jì)了不同氣象條件的關(guān)心權(quán)重設(shè)置，通過人機(jī)交互式的選擇，用戶可以很方便的定制自己關(guān)心的產(chǎn)品。

（3）目前指數(shù)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)生理氣象條件的臨界指標(biāo)取值只是停留在文獻(xiàn)和部分跑步用戶的調(diào)研階段，對(duì)更深層次的影響并未深究，另外，戶外條件的影響由于觀測(cè)資料和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的局限性，沒有考慮如城市積澇，結(jié)冰等因素的影響，指數(shù)的設(shè)計(jì)算法還有待進(jìn)一步的提高。

（4）由于指數(shù)的設(shè)計(jì)只考慮了跑步者對(duì)氣象條件的感受和戶外天氣條件利好程度，對(duì)跑步時(shí)段或跑步地點(diǎn)的選擇更多的取決于跑步者的主觀因素，所以跑步指數(shù)只是為跑步者提供一種基于氣象條件的建議，由于目前對(duì)跑步指數(shù)還沒有一個(gè)很好的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，只能在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)用戶體驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)算法，提升用戶應(yīng)用效果。