氣象要素對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)理

摘 要：統(tǒng)計(jì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員的各個(gè)比賽的成績(jī)和記錄當(dāng)時(shí)比賽時(shí)候的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、大氣含氧量，找出各個(gè)氣象要素與運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)之間的關(guān)聯(lián)，試圖給出定量化的預(yù)報(bào)關(guān)系，進(jìn)而驗(yàn)證大氣含氧量對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)影響的相關(guān)性是否高于單個(gè)氣象因子對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)影響的相關(guān)性。結(jié)果證實(shí)氣溫、氣壓對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.25和-0.26；相對(duì)濕度的影響并不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為-0.01；而大氣含氧量對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)影響的相關(guān)系數(shù)為-0.27。由此得出，大氣含氧量對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)影響的相關(guān)性高于單個(gè)氣象因子的相關(guān)性。大氣含氧量對(duì)中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)具有更直接的影響。

關(guān)鍵詞：氣象要素；馬拉松比賽；氣溫；氣壓；相對(duì)濕度；大氣含氧量

中圖分類(lèi)號(hào)：P463.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

氣象條件對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)的影響不容忽視，已有關(guān)于中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的研究多關(guān)注單個(gè)氣象因子對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽的影響，而實(shí)際上大氣含氧量是由多重氣象要素決定的，對(duì)中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)可能具有更直接的影響[1]。綜合考慮由多重氣象要素決定的大氣含氧量因素，通過(guò)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，找出比賽成績(jī)和大氣含氧量之間的相關(guān)性，分析證實(shí)其對(duì)馬拉松表現(xiàn)的影響機(jī)理與關(guān)鍵作用，在此基礎(chǔ)上可以找出取得優(yōu)異成績(jī)時(shí)的氣象指標(biāo)，有利于為運(yùn)動(dòng)員制定比賽計(jì)劃時(shí)提供有效的氣象依據(jù)[2-3]。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料分析

為檢驗(yàn)不同運(yùn)動(dòng)員的能力，從每年的馬拉松比賽結(jié)果中提取高水平（半程馬拉松最好成績(jī)快于1 h 40 min）馬拉松運(yùn)動(dòng)員成績(jī)，共計(jì)23人，均為男性。根據(jù)運(yùn)動(dòng)員近10年所有比賽的最好成績(jī)對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)員成績(jī)進(jìn)行篩選，剔除異常成績(jī)，每人可收集的有效比賽數(shù)據(jù)為5～20場(chǎng)。查詢(xún)這些運(yùn)動(dòng)員所參加的賽事對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐母鱾€(gè)氣象要素情況（包括氣溫、相對(duì)濕度和氣壓），并通過(guò)公式計(jì)算出相應(yīng)大氣含氧量。在所有馬拉松比賽中，其比賽總耗時(shí)一般為2～3 h，因此氣溫、氣壓和相對(duì)濕度這3個(gè)氣象要素的選擇為比賽過(guò)程中整點(diǎn)記錄時(shí)的數(shù)據(jù)平均值。

大氣氧氣是人體呼吸和新陳代謝的重要因子。大氣含氧量與大氣壓密切相關(guān)，不論是平原還是高原，氧的相對(duì)濃度基本相同（20.93%），但是大氣中氧分壓和含氧量隨著密度和總大氣壓的下降也會(huì)相應(yīng)減小[4]。

計(jì)算大氣含氧量的有關(guān)公式為：

ρ=80.67（ p-e）/（273+t）（1）

式（1）中，ρ為含氧量（g/m3），t為氣溫（℃），p為氣壓（hPa），e為水壓（hPa）。

從上述公式中可以看出，環(huán)境中氣溫、氣壓和水汽壓與大氣含氧量都有直接關(guān)系。

根據(jù)大氣運(yùn)動(dòng)方程組計(jì)算出這些運(yùn)動(dòng)員所參加過(guò)的比賽的大氣含氧量。統(tǒng)計(jì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)員在各個(gè)比賽中的成績(jī)和比賽時(shí)的大氣含氧量之間的關(guān)聯(lián)，采用線(xiàn)性方法將比賽成績(jī)與大氣含氧量進(jìn)行擬合，并計(jì)算其相關(guān)系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)資料處理

比較氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、大氣含氧量4個(gè)氣象要素對(duì)23名運(yùn)動(dòng)員近10年各個(gè)比賽成績(jī)的影響。分析每位運(yùn)動(dòng)員在考慮氣溫、氣壓、相對(duì)濕度和大氣含氧量等因素影響后的比賽成績(jī)，并通過(guò)最佳擬合線(xiàn)來(lái)計(jì)算修正后的成績(jī)，進(jìn)而確定相關(guān)系數(shù)，然后對(duì)相關(guān)系數(shù)（4個(gè)氣象要素×23名運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用單個(gè)總體比例的假設(shè)檢驗(yàn)，樣本正/負(fù)相關(guān)比例P=a/n，a為正（負(fù)）相關(guān)數(shù)目，n為樣本數(shù)目。當(dāng)n充分大時(shí)，a近似服從正態(tài)分布N[nπ，nπ（1-π）]；相應(yīng)地自然有P=a/n近似服從正態(tài)分布N[π，π（1-π）/n]。實(shí)際上，當(dāng)0.1≤π≤0.9，n達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可認(rèn)為a和P近似服從正態(tài)分布。因此，對(duì)于假設(shè)H0：π =π0，在H0成立的前提下，當(dāng)n達(dá)標(biāo)時(shí)公式如下：

z=（p-π0）/（2）

式（2）中，z＜Z0.025，則接受假設(shè)，比賽成績(jī)與氣象要素正/負(fù)相關(guān)顯著；z＜Z0.025，則拒絕假設(shè)，比賽成績(jī)與氣象要素正/負(fù)相關(guān)不顯著。使用SPSS軟件進(jìn)行分析。

2 氣象條件對(duì)比賽成績(jī)的影響

2.1 氣溫對(duì)比賽成績(jī)的影響

根據(jù)已有數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，表1和表5所示正相關(guān)比例P=0.826，采用比例檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，假設(shè)H0：π =π0=0.9，zlt;Z0.025，氣溫與比賽時(shí)間正相關(guān)顯著，表明氣溫與運(yùn)動(dòng)員完賽時(shí)間的相關(guān)性較顯著，具有明顯的正相關(guān)，且正相關(guān)比例為82.6%，負(fù)相關(guān)比例為17.4%，明顯偏離±50%的比例，其平均相關(guān)系數(shù)為0.25。表明氣溫越高，比賽耗時(shí)越長(zhǎng)，比賽成績(jī)?cè)讲睿瑲鉁卦?4～16 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)最佳。

在眾多氣象要素中，氣溫對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)的影響最顯著。人體體溫調(diào)節(jié)功能在氣溫變化時(shí)會(huì)作出反應(yīng)，當(dāng)氣溫變化時(shí)，人體的散熱方式和新陳代謝強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)改變，研究證實(shí)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)都不利于運(yùn)動(dòng)員體能的正常消耗。

從大氣角度看，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式：

P=ρRT（3）

式（3）中，P為氣壓（hPa），ρ為大氣密度（g/m3），T為氣溫（K），R為理想氣體常數(shù)（J·K/mol）。

在同一環(huán)境下，大氣壓強(qiáng)不變，當(dāng)溫度升高時(shí)大氣密度會(huì)隨之下降，而大氣密度主要與大氣含氧量有關(guān)，大氣含氧量也隨著大氣密度下降而下降，同理大氣含氧量的變化也會(huì)影響氣溫的變化。由上述結(jié)果可知，氣溫下降有利于長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員在比賽中獲得良好的成績(jī)，當(dāng)大氣含氧量升高，氣溫隨之下降，這兩種條件對(duì)中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮出最佳水平都是有益的。

2.2 氣壓對(duì)比賽成績(jī)的影響

如表2、表5所示負(fù)相關(guān)比例P=0.739，采用比例檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，假設(shè)H0：π =π0=0.8，zlt;Z0.025，氣壓與比賽時(shí)間負(fù)相關(guān)顯著。可以發(fā)現(xiàn)，氣壓對(duì)運(yùn)動(dòng)員完賽時(shí)間的影響也具有較為顯著的相關(guān)性，且有明顯的負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)比例為73.9%，正相關(guān)比例為26.1%，結(jié)果明顯偏離正負(fù)50%的比例，平均相關(guān)系數(shù)為-0.26。表明氣壓越高，比賽耗時(shí)越短，比賽成績(jī)?cè)胶茫瑲鈮涸? 015～1 020 hPa時(shí)運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)最佳。

運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大時(shí)，對(duì)氣壓的反應(yīng)越敏感。以從低海拔到高海拔為例，人的血壓會(huì)隨大氣壓的下降而下降，導(dǎo)致人體機(jī)能下降，運(yùn)動(dòng)能力水平也顯著下降，由于氣壓下降，人體只能通過(guò)加速呼吸和血液循環(huán)來(lái)補(bǔ)償氧氣，進(jìn)而出現(xiàn)呼吸急促和心率加快的現(xiàn)象，使運(yùn)動(dòng)員體力消耗殆盡，速度減慢和力量顯著減弱，對(duì)耐力類(lèi)項(xiàng)目（如自行車(chē)、中長(zhǎng)跑、游泳、足球等）都會(huì)有不同程度的影響。但因人體具有較強(qiáng)能力來(lái)適應(yīng)氣壓變化，因此對(duì)于專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)一定的訓(xùn)練來(lái)減少氣壓變化對(duì)比賽成績(jī)的影響。

2.3 相對(duì)濕度對(duì)比賽成績(jī)的影響

如表3、表5所示正相關(guān)比例P=0.552，采用比例檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，假設(shè)H0：π =π0=0.8，zgt;Z0.025，拒絕假設(shè)，相對(duì)濕度與比賽時(shí)間相關(guān)不顯著。由此可以看出，相對(duì)濕度與運(yùn)動(dòng)員完賽時(shí)間之間不具有顯著的相關(guān)性，正相關(guān)比例為52.2%，負(fù)相關(guān)比例為44.8%，結(jié)果并沒(méi)有明顯偏離±50%的比例，平均相關(guān)系數(shù)為-0.01。相對(duì)濕度在30%～60%之間時(shí)運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)最佳，相對(duì)濕度對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)的影響并不顯著。

Hentschel G認(rèn)為，當(dāng)氣溫處于適中條件時(shí)，相對(duì)濕度的變化對(duì)人體并沒(méi)有顯著影響，只有在極端氣溫條件下，才能影響人體感受到的有效溫度。但相對(duì)濕度主要通過(guò)影響機(jī)體散熱功能來(lái)影響運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)功能，這與許多相關(guān)研究有一致結(jié)論。由于舉辦馬拉松運(yùn)動(dòng)時(shí)較少出現(xiàn)極端天氣，氣溫基本適中，所以較難分析相對(duì)濕度對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)的影響。

2.4 大氣含氧量對(duì)比賽成績(jī)的影響

如表4、表5所示，負(fù)相關(guān)比例P=0.826，采用比例檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，假設(shè)H0：π =π0=0.9，zgt;Z0.025，大氣含氧量與比賽時(shí)間負(fù)相關(guān)顯著。由此可以看出，大氣含氧量與運(yùn)動(dòng)員完賽時(shí)間的相關(guān)性也較顯著，且有明顯負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)比例為82.6%，正相關(guān)比例為17.4%，結(jié)果明顯偏離±50%的比例，平均相關(guān)系數(shù)為-0.27。表明大氣含氧量越高，比賽耗時(shí)越短，比賽成績(jī)?cè)胶谩?/p>

大氣氧氣是人體呼吸和新陳代謝的重要因子，在一定范圍內(nèi)增加大氣含氧量使人體感覺(jué)更加舒適，因此當(dāng)大氣含氧量越高時(shí)，可使人體感到舒適并為運(yùn)動(dòng)員提供充足的攝氧量，以維持馬拉松長(zhǎng)跑。但空氣中的氧氣含量并不是越高越好，超過(guò)一定界限，也會(huì)出現(xiàn)負(fù)面影響。

隨著海拔升高，大氣壓強(qiáng)下降，空氣中含氧量也下降，含氧量與大氣壓強(qiáng)呈正比。根據(jù)大氣含氧量計(jì)算公式：

ρ=80.67（p-e）/（273+t）（4）

式（4）中，大氣含氧量與環(huán)境中的溫度（t）、大氣壓（p）、水汽壓（e）等也有直接關(guān)系。由于馬拉松比賽是一種有氧運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，人體吸入的氧氣滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)需求，才能達(dá)到生理上平衡狀態(tài)。氣溫、氣壓、相對(duì)濕度等氣象要素本質(zhì)上也是通過(guò)影響人體供氧和體內(nèi)血氧消耗、新陳代謝的，從而影響機(jī)體運(yùn)動(dòng)能力。

根據(jù)23名運(yùn)動(dòng)員最好比賽成績(jī)和最差比賽成績(jī)中的氣象要素?cái)?shù)值對(duì)比看，同一運(yùn)動(dòng)員最好比賽成績(jī)與最差比賽成績(jī)之差在1 000～2 500 s，在大部分運(yùn)動(dòng)員最好成績(jī)中氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、大氣含氧量都處于上述結(jié)論中的適宜范圍，且與最差成績(jī)對(duì)比可以明顯看出，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)、氣壓過(guò)低或大氣含氧量過(guò)低時(shí)，運(yùn)動(dòng)員比賽時(shí)間顯著增加。運(yùn)動(dòng)員隨著氣溫下降、氣壓升高或在大氣含氧量較高的環(huán)境下更容易發(fā)揮運(yùn)動(dòng)水平，而且最好比賽成績(jī)與最差比賽成績(jī)中相對(duì)濕度的差異并不明顯。

結(jié)合表5可以看出，大氣含氧量與運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)影響的相關(guān)系數(shù)大于單個(gè)氣象因子對(duì)比賽成績(jī)影響的相關(guān)系數(shù)，大部分運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)最好與最差時(shí)的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度變化不大，因此可以看出大氣含氧量對(duì)比賽成績(jī)影響更大，驗(yàn)證了其對(duì)中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的比賽表現(xiàn)具有更直接影響，與完賽時(shí)間呈明顯負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

第一，馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)受氣象因素的影響較大，其中單氣象因子和綜合氣象要素的影響程度各有不同。

第二，從單個(gè)氣象因子看，氣溫最易被感知，與馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)之間有顯著正相關(guān)，氣溫越高，比賽耗時(shí)越長(zhǎng)。氣壓與運(yùn)動(dòng)員比賽表現(xiàn)之間有負(fù)相關(guān)，在一定范圍內(nèi)氣壓越高，有利于取得好成績(jī)。相對(duì)濕度雖然與運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)相關(guān)性不顯著，但對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員的熱平衡和溫?zé)岣幸埠苤匾?/p>

第三，從綜合氣象因素看，大氣含氧量對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)的影響較氣溫、氣壓、相對(duì)濕度這3個(gè)單氣象因子更顯著。由此證明，運(yùn)動(dòng)員對(duì)大氣含氧量變化的反應(yīng)更敏感，相關(guān)程度明顯高于單氣象因子，驗(yàn)證了大氣含氧量的關(guān)鍵作用。

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作者簡(jiǎn)介：華夢(mèng)琪（1999—），女，江西樂(lè)平人，助理工程師，主要從事氣象綜合業(yè)務(wù)工作。#通信作者：劉如意（1989—），女，江西橫峰人，工程師，主要從事氣象裝備保障工作，E-mail：670535704@qq.com。