气象条件对马拉松成绩影响的研究

武雪莲

马拉松比赛时长为2～5h，属于高强度运动。整个运动过程是对人体极限的挑战，除了对体质和技能要求很高，其成绩受天气影响也很大。Trapasso L M[8]分析了1957—1987年波士顿男子马拉松特异成绩与气象条件关系，认为阴天并伴有微量降水的天气较容易破纪录，Timo Vihma[9]分析了1980—2008年斯德哥尔摩马拉松成绩与天气的关系，表明气温、风速、湿度与日光照射都可以影响未完成比赛的人数比例。Ely等[5]研究了10～36年间美国和加拿大马拉松赛，认为湿球温度与马拉松成绩有很大相关。Zhang Suping[11]，赵国 雄[3]，叶 殿 秀 等[2]研 究 了 北 京马拉松比赛成绩与天气条件的影响，从不同角度做出不同的结论。以上研究大都是针对具体地区进行研究，有必要对世界所有马拉松赛事进行研究，以从整体上把握天气条件对马拉松赛事的影响。本研究通过研究世界优秀马拉松赛事与天气的相互关系，以及不同性别、不同竞技能力水平的人群所受的影响，探寻不同气象因子在不同范围内对运动成绩的影响规律，以期为运动训练计划和比赛状态调整、提高运动成绩提供理论依据和预防措施。

1 研究对象与方法

马拉松的比赛成绩分别从国际田联网站和各城市马拉松的网站获得的官方数据，选取了10年内各赛次的前3名平均成绩、前8名平均成绩、第25名、第50名、第100名成绩代表不同竞技能力水平的群体作为数据统计依据，其中世锦赛和奥运会8场赛事的参赛运动员成绩不足百人，故取其余43场赛事第100名平均值代替。所查阅的比赛有世界锦标赛（6）、奥运会马拉松比赛（2）、伦敦马拉松赛（8）、纽约马拉松赛（11）、巴黎马拉松赛（3）、柏林马拉松赛（12）、东京马拉松赛（5）、芝加哥马拉松赛（4）等51场比赛（以上括号内的数字为所参阅的比赛场次），所选赛次皆为近几年来世界著名的马拉松赛事，无论从比赛规模和比赛成绩都是世界顶尖级的。

气象数据来自世界气象组织网站对当时当地气候情况的官方数据记载，其数据精确到每半小时天气情况。因为所选赛次的运动员比赛成绩在2～3h之间，为此，统计比赛时段的气象要素时，如鸣枪时间不为正点或正半点，则以之前正点或正半点和之后两个整点观测值进行统计，如鸣枪时间为正点或正半点，则以之后3h观测值进行统计。分别从赛中平均气温、湿度、风速、海平面压等4个气象因子分析天气对马拉松比赛成绩的影响。人类的实际冷热感不仅取决于单个气象指数，人体生物气象综合指数，例如风冷指数（Ko）、不适指数（Ic）、有效温度（有风，ETv）等对机体产生影响的因子也在分析之列。其公式如下：

所有数据采用SPSS 13.0统计软件进行分析处理，显著性水平为P＜0.05，非常显著性水平为P＜0.01。

2 研究结果与分析

在过热或过冷气候下进行马拉松赛事是具有争议性的[7]，大部分马拉松赛事也大都是在比较凉爽的天气条件下进行的[4]。根据田径竞赛规则，公路赛跑在4月或5月，或者9月至12月，故而气象值少有极端值出现。然而，竞赛中的天气变化常常是难以预测，甚至是一个竞赛过程中的温差，风速等都会有不同变化。例如，2011年巴黎马拉松在比赛过程中的前3h内温差变化7℃，竞赛日的温差变化为15℃，因此，天气变化的不确定性无法让竞赛者给自己充分的准备。只能是尽可能了解气象的信息，使其能在训练中做好足够的适应。天气对运动员的影响主要反应在环境对体热的控制。马拉松运动过程中的体热变化主要反应在热平衡调控，即能量代谢所产生的热量与环境的交换。热平衡方程可以描述热能与环境交换过程：

S是指机体所储存的热量，M即机体代谢所产生的热能，W代表用于做体外工作的小部分热量，对流（C）和辐射（R）主要是热能交换，E是蒸发丢失的热量。通过公式可知，马拉松运动过程中环境对机体的影响主要是热能交换。其方式主要是以皮肤为媒介，通过辐射、对流和蒸发等方式进行热交换。

2.1 气象条件与比赛成绩的关系

2.1.1 气温与运动成绩

从表1、表2中可看出，气温与运动员成绩的相关性具有性别差异。男子优秀运动员前3名与前8名平均成绩都与气温呈正相关，表明气温越高，比赛耗时越多，成绩越差。女运动员的相关统计结果有所不同，第25名 、第50名、第100名 的比赛成绩与气温都呈负相关，表明气温越高，比赛耗时越少，成绩越好。从男、女对比中发现，男子优秀马拉松运动员对高温反应比较敏感，而非优秀女运动员对冷较为敏感，高温未能影响优秀女运动员创造优异成绩，这与叶殿秀等研究结果一致[2]。

从个别赛事、运动员个体角度依然可以看出明显的气温与运动成绩，以及男、女差异的关系，2007年大阪国际男子马拉松赛事，早晨7：00鸣枪时，当地气温就已达28℃，湿度则高达81%；至比赛结束时，湿度下降到67%，温度则上升到33℃。高温高湿造成运动员们的成绩普遍偏低，其成绩是所选51场马拉松赛事中成绩最低的一届。肯尼亚运动员吉贝特最终用了2h15min 59s夺得了冠军，这一成绩比他的赛季最好成绩慢了5min 52s。而女子比赛过程中最高温度也一度达到30℃，最低温度28℃，然整个比赛成绩虽在近几届世界锦标赛表现最低，但在51场赛事成绩中列于中等。

表1 男子马拉松比赛运动员运动成绩与气象因子相关系数一览表Table1 Correlation Coefficient between Men’s Marathon Athletes’Performance and Meteorological Factor

表2 女子马拉松比赛运动员运动成绩与气象因子相关系数一览表Table2 Correlation Coefficient between Women’s Marathon Athletes’Performance and Meteorological Factor

2.1.2 湿度与比赛成绩

从表1和表2中可以看出，相对湿度与马拉松运动员比赛成绩并没有呈统计上的显著相关。从整体角度无法看出相对湿度对成绩的影响。Trapasso和Cooper[8]研究曾表明，干球温度和相对湿度并不能够很好地解释其与马拉松成绩的关系。Hentschel G[6]认为，气温适中的前提下，相对湿度变化对人体影响较少，只有极高或极低气温下，相对湿度才能对人体所感受到的有效温度产生影响。因此，湿度对人体的影响须从更细致的角度，或者与气温等其他气象因子结合才能有所表现。

2.1.3 风速与比赛成绩

风速对温度的影响主要是因为风可以使得空气流动加快，把处于高温的机体热量带走。同时风速大，蒸发散热也会加强。另外，风速过大时，克服空气阻力会增加体力消耗进而影响竞赛成绩。从表1、表2相关性统计分析结果看，风速对于马拉松运动员成绩没有很大影响，仅女子第50名与第100名运动员成绩与风速呈显著相关，表明风速对于非优秀女子马拉松运动员成绩影响较大。但风速值过大时对所有运动员都有影响，所选取的赛事中风速相对比较稳定，大都在20km/h（5.6m/s）以下，但是，有3场比赛日本东京2010、2009和2007年赛事的风速超过25km/h（6.9m/s）。这3场赛事所有成绩都较东京马拉松其他年份赛事成绩降低很多。

2.1.4 海平面气压与比赛成绩

通常情况下人们很少关心大气压力的变化及其影响。人体对气压的变化有较强的适应能力，对运动成绩的影响不像温度、湿度那么显著，但也不能完全忽略不计。气压对人体的影响可归纳为生理影响和心理影响。从生理角度主要是影响人体内氧气的供给，人每天需要大约750 mg的氧气，其中20%为大脑所用。当自然气压下降时，大气中氧分压、肺泡中氧分压以及动脉血氧饱和度都随之下降，血氧过少，运动员容易疲劳。因此，高气压有利于运动员成绩的发挥。气压会使人心理上产生压抑感，例如，低气压下的阴雨和湿冷天气以及高温、高湿的闷热天气，常会使人忧郁烦躁，这会引起即植物神经趋于紧张，释放肾上腺素，导致血压上升、心率加快、呼吸急促等。这些影响对于优秀运动员来说，大多都能通过训练产生适应，故未发现统计上的显著差异。本研究将男、女所有前8名共408个成绩取前10%与后10%，各40人的成绩进行散点图对比（图1、图2），男子前40名成绩的气压都均匀分布在1 200hpa左右，呈倒三角形，而男子后40名成绩则约分布在约1 015hpa的两侧，呈 W型，表明气压高更易获得优异成绩，但大部分成绩都产生于1 010hpa以上。而女子成绩的气压分布则表现不同，女子前40名运动员成绩大都分布在1 010hpa与1 020hpa之间呈X型，后40名运动员成绩大都分布在1 010hpa左右，呈有倾斜的U型。通过对比图可知，男子运动员优秀成绩出现在1 015～1 025hpa之间，而女子运动员优异成绩则出现在1 010～1 020hpa之间，稍滞后于男子。

2.1.5 生物气象因子与比赛成绩

根据本研究所查阅到的气象信息，所能计算出的生物气象因子包括：有效温度（有风）、风冷指数和舒适指数。对于女子运动员来说，生物气象学指标比单一气象指标相关性要好（表2），有效温度（有风）、舒适度都与女运动员成绩呈显著负相关，意味着有效温度和舒适度越高，运动成绩越好。风冷指数则与女运动员成绩呈正相关，风冷指数是表示人体散热能力的指标，其值越高成绩越差，表示散热大则成绩差。女子风冷指数和舒适度与成绩的相关性表明，女运动员耐热不耐冷。但是，男子的生物气象指数大部分没有表现统计上的显著性（表1），仅有舒适度指标与成绩呈显著正相关，舒适指数越大，则成绩越差（由计算公式可知，气温越高，舒适指数越大），表明男运动员对热的耐受力差，这一研究结果与叶殿秀等研究结果一致[2]。

图1 男子马拉松比赛成绩与气压分布散点图Figure1.Grade Scatter Distribution of Men’s Performance and Air Pressure

图2 女子马拉松比赛成绩与气压分布散点图Figure2.Grade Scatter Distribution of Women’s Performance and Air Pressure

2.2 气象成绩分类

气象成绩分类能更明确地发现每个气象因子在不同类别下对成绩影响的程度，本研究根据前人研究的成果对各个气象因子分类，其结果如下。

2.2.1 风速分类

叶殿秀等[2]研究表明，男子马拉松运动适宜风速指标为2～4m/s，女子为2～5m/s。本研究以每1m/s划分一个类别，分类为＞4m/s，3～4m/s，2～3m/s，＜2m/s四个类别，比较均值变化。结果表明男子在各个分类上成绩并不具有显著差异（表略），而女子各名次成绩与风速则都具有显著差异（表3），主要差异都存在＞4m/s与2～3 m/s，＜2m/s的风速下（P＜0.05），表明风速越大对女子成绩影响越大。风速的作用主要是散热与阻力或助力，当风速大于4m/s，散热能力加强，运动员所受阻力或者助力增加，女运动员较男运动员速度慢，力量弱，对抗阻力能力较差，风大散热快，对其耐热不耐冷的体质特点也会不利，其成绩会受到影响。而男运动员不耐高热的特点在大风散热快的条件下有所补偿，对成绩影响不大。

2.2.2 不同有效温度分类对男子运动员的影响

人体在户外条件下感觉等级分类主要是基于有效温度，有效温度是指个体对周围温度的知觉，是个体的主观感受。许多因素会使有效温度发生变化，主要有湿度、风速。根据Hentschel[6]的研究表明，有效温度是解释炎热和闷热程度的最合适指标。对于户外娱乐、旅游和人类生活来说12℃≤ET≤24℃属于比较舒适的温度，而0～12℃则是感觉比较凉爽，大于30℃则会感觉炎热。对于竞赛中的温度是否是一致？Zhang Suping[11]对北京国际马拉松赛9年的成绩分类发现8～15℃是最适合马拉松运动员出成绩的有效温度。基于以上研究本研究以5℃为一个阶段进行分类。

表3 风速分类对女子马拉松比赛运动员的影响一览表Table3 Women’s Wind Speed Classification （±SD）

表3 风速分类对女子马拉松比赛运动员的影响一览表Table3 Women’s Wind Speed Classification （±SD）

注：＊代表P＜0.05。

＞4m/s 3～4m/s 2～3m/s ＜2m/s F P前3名 9 118±622 8 859±378 8 667±145 8 752±299 2.83 0.04＊前8名 9 321±659 9 018±393 8 818±159 8 894±299 3.32 0.03＊第25名 10 597±560 10 338±500 10 028±362 10 052±497 3.6 0.02＊第50名 11 223±413 10 595±376 10 680±389 10 650±523 4.56 0.01＊第100名 11 802±474 11 495±385 11 360±328 11 259±390 4.29 0.01＊

从表4中可以看出，对于男子前3名与前8名运动员，4个有效温度类别下的成绩有显著差异，进一步检验后表明对于前3名运动员，＞20℃的成绩与15℃～20℃（P＜0.05），10℃～15℃（P＜0.01），＜10℃（P＜0.01）都有显著差异，成绩明显在＞20℃条件下有较大下降，而15℃～20℃与10℃～15℃有效温度条件下的成绩也有显著差异（P＜0.05）。对于前8名运动员也有类似的趋势。但第25名与第50名、第100名运动员成绩在不同的有效温度分类下成绩并没有显著差异。由此可知，对于男子优秀马拉松运动员 （前8名）受有效温度影响较高，10℃～15℃是较适宜出成绩的温度，随着温度升高，其成绩变化呈下降趋势，而对于非优秀运动员的影响相对较弱。这主要是由于男运动员速度较快，代谢产热高，同时高温带来大量排汗，矿物质流失严重，容易疲劳。

表4 有效温度分类对男子马拉松比赛运动员的影响一览表Table4 Men’s Effective Temperature Classification （±SD）

表4 有效温度分类对男子马拉松比赛运动员的影响一览表Table4 Men’s Effective Temperature Classification （±SD）

注：＊＊代表P＜0.01，＊代表P＜0.05。下同。

＞20℃ 15℃～20℃ 10℃～15℃ ＜10℃F P前3名 7 887±235 7 726±100 7 638±99 7 694±127 5.28 0.00＊＊前8名 7 963±215 7 845±120 7 747±102 7 784±135 4.27 0.01＊第25名 8 370±258 8 577±217 8 459±362 8 610±368 0.97 0.41第50名 9 011±480 8 984±234 8 935±184 8 955±236 0.17 0.91第100名 9 429±186 8 481±191 9 392±190 9 432±161 0.78 0.51

2.2.3 不同有效温度分类对女子运动员的影响

为了便于了解性别差异，将女运动员的分类标准等同于男运动员。从表5中可以看出，对于女子前3名和前8名运动员来说，有效温度并没有给成绩带来很大影响，而第25名、第50名、第100名运动员受影响较大，其在＞20℃条件下成绩明显好（P＜0.05），而15℃～20℃与10℃～15℃条件下的温度也有差异（P＜0.05），说明女子非优秀运动员对于低温更敏感，耐高温能力较男子更强，与前述一致。

2.2.4 风冷指数分类

叶殿秀等研究认为[2]，男、女最适合的风冷指数为400～500，本研究根据这一结果将风冷指数分类4类：＞600，500～600，400～500，＜400。分析结果表明，不同的风冷指数分类结果并未对男子运动员有影响（表略），而对女子具有显著差异（表6），进一步做各水平间的比较发现，前3名运动员均值与前8名运动员均值的差异都表现在风冷指数＞600下的成绩差于其他类别（P＜0.05）。而第25名、第50名、第100名运动员成绩各水平间的显著差异表现在＜400类别下成绩明显高于其他类别。表明优秀女运动员对于＞600的风冷指数比较敏感，而非优秀运动员在＜400的风冷指数下成绩明显见好。

表5 女子马拉松比赛有效温度分类一览表Table5 Women’s Effective Temperature Classification （±SD）

表5 女子马拉松比赛有效温度分类一览表Table5 Women’s Effective Temperature Classification （±SD）

＞20℃ 15℃～20℃ 10℃～15℃ ＜10℃F P前3名 8 901±112 8 669±135 8 798±388 9 089±412 2.52 0.07前8名 8 952±100 8 836±161 8 974±399 9 258±652 2.19 0.10第25名 9 430±193 10 051±555 10 363±339 10 504±544 7.04 0.00＊＊第50名 10 305±646 10 729±574 10 918±279 11 097±467 3.73 0.02＊第100名 10 866±448 11 352±445 11 535±365 11 649±439 4.54 0.01＊

表6 不同风冷指数分类对女子马拉松比赛运动员的影响一览表Table6 Women’s Wind Chill Index Classification （±SD）

表6 不同风冷指数分类对女子马拉松比赛运动员的影响一览表Table6 Women’s Wind Chill Index Classification （±SD）

＞600 500～600 400～500 ＜400F P前3名 9 203±584 8 739±326 8 743±342 8 773±289 3.70 0.02＊前8名 9 373±654 8 939±323 8 877±373 8 920±287 3.43 0.02＊第25名 10 584±561 10 360±305 10 211±476 9 975±555 3.63 0.02＊第50名 11 175±471 10 902±278 10 955±263 10 593±587 3.99 0.01＊第100名 11 717±339 11 544±353 11 549±389 11 196±400 4.28 0.01＊

3 结论

马拉松比赛受天气条件影响较大，但不同性别，具不同竞技能力的群体所受影响不同。

1.气温对男、女马拉松比赛运动员成绩都有影响，优秀男子马拉松运动员（前8名）对高温反应比较敏感，而女运动员对冷较为敏感，高温则未能影响优秀女运动员（前8名）成绩发挥。

2.海平面压对男、女运动员运动成绩影响表现不同，男运动员对于气压高更易获得优异成绩，大部分成绩都产生于1 010hpa以上，优异成绩更多频次出现在1 015～1 025hpa之间，而女运动员优异成绩则出现在1 010～1 020hpa之间。

3.单个湿度因子对马拉松比赛运动成绩并没有很大影响，风速对于马拉松运动员成绩影响也不大，仅女子第50名与第100名运动员成绩与风速呈显著相关，表明风速对于女子非优秀马拉松运动员成绩影响较大。在分类比较中也发现，风速越大对女子运动员成绩影响较大，大于4m/s成绩降低很多。

4.优秀男子马拉松运动员（前8名）受有效温度影响较高，10℃～15℃是较适宜出成绩的温度，随着温度升高，其成绩变化呈下降趋势；而对于非优秀运动员（第25、50、100名）的影响并未见显著差异。女子优秀运动员并没有受有效温度影响很大，非优秀运动员在＞20℃有效温度下成绩相对较高，其耐高温能力更强，进一步表明女运动员耐高温能力较男子强。

5.男、女运动员比赛成绩对综合气象因子的反应不完全一致。生物气象学指标对于女子运动员而言比单一气象指标相关性要好，有效温度、风冷指数和舒适度与成绩大都呈显著性相关，而男子运动员的成绩仅与舒适度指标显著相关。

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