刘咏馨，李晨明，魏慧琳，赵友全，马 天

(1.天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.军事科学院系统工程研究院 军需工程技术研究所，北京 100010)

0 引言

近年来，我国寒潮极端天气频发，低温冷冻、雪灾及风雹时有发生[1-2]，极端低温环境给人体健康与安全带来巨大威胁。高山高原、水下、现代化工厂低温车间工作人员以及野外救援人员，需要在严寒环境下进行作业活动，面临严峻冻伤风险。生理状况不佳导致机体各系统功能处于较低水平，极端低温环境下，虽然核心温度基本不会变化，但可造成皮肤损伤与疼痛。

皮肤温度一般介于核心温度与环境温度之间。皮肤是人体主要感知器官，参与温度调节过程，反映体内至体表热转移状况，是计算人体能量代谢、分析人体与环境间热交换重要参数，也是评价人体局部冻伤程度重要指标。皮肤温度作为舒适评价模型输入变量，可为人体冷舒适生理模型建立提供有效数据。

学者针对常温与高温环境下风速、湿度及特殊空间对皮肤温度影响展开研究[3-9]；文献[10-11]研究冷却屏蔽服、相变降温作训服在高温条件下对人体皮肤温度影响；任可等[12]分析低温环境下，应急救援人员手部和脸部皮肤温度变化规律；贺艳等[13]评估手指不同部位在低温环境中温度变化。针对低温环境下皮肤温度变化规律研究主要集中于局部部位，对野外极端低温环境下人体局部皮肤温度研究较少。

本文在-16.0 ℃～-30 ℃野外极端低温且无风环境下，区分日间清醒与夜间睡眠状态，同时考虑防护装备保暖性，通过皮温测量系统对实验对象5个代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和脚趾)皮肤温度进行测试，探究野外极端低温环境下人体代表性部位皮肤温度变化规律。研究结果可为兼顾保暖性与轻便性防寒装备研发提供指导。

1 实验

1.1 实验对象

实验选取12名健康男性，年龄介于18～23岁，身高(173.6±4.2)cm，体重(55.3±3.6)kg，心肺功能正常，在寒区连续生活1 a以上，具有一定寒冷习服性。整个测试周期内，实验对象正常饮食，不摄入酒精、咖啡，不抽烟，未服用药物。

1.2 测试部位

选取人体5个代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和脚趾)，测量皮肤温度，并根据各部位面积占比计算皮肤平均温度Tsk，如式(1)所示：

(1)

式中：Tsk表示皮肤平均温度，℃；T胸部、T手臂、T大腿、T小腿分别表示胸部、手臂、大腿及小腿皮肤温度，℃。脚趾温度不计入皮肤平均温度计算。皮肤温度测量位置如图1所示。

图1 皮肤温度测量位置

1.3 实验皮温测量系统

使用多人无线皮温测量系统测量皮肤温度，精度达到±0.1 ℃。通过导热胶贴将贴片固定于每位实验对象待测部位，测量皮肤温度。测试过程中，每位实验对象均使用同一套皮温测量系统。环境温度通过温度传感器测量，均匀放置于帐篷内不同角落，测量精度±0.1 ℃。

1.4 实验环境

实验地点位于中国内蒙古满洲里地区，实验时间为2019年12月，连续3 d固定时间段测量温度，即日间14∶30-16∶30的120 min，夜间22∶39-01∶39的180 min。实验期间帐篷内环境温度为-16.0 ℃～-30 ℃。

为区别日间清醒状态与夜间睡眠状态下人体5个代表性部位皮肤温度差异，日间实验在无风帐篷内静坐状态下完成，实验统一衣着保暖量为6.5 clo的配套服装；夜间实验在无风帐篷睡袋中静卧状态下完成，实验过程统一配套保暖装备，包括单人帐篷、充气睡垫、保暖睡袋，睡袋保暖量为3～9 clo。

1.5 实验终止条件

根据经验，当出现下列情况之一时终止实验：

1)皮肤平均温度低于31.5 ℃或脚趾温度低于15 ℃。

2)实验对象主观感觉寒冷，难以坚持。

1.6 数据分析方法

通过SPSS 23独立样本T检验分析夜间实验最后20 min是否达到稳态，通过非参数检验分析不同部位同一时刻温度显著性，及同一部位不同时刻温度显著性，置信水平为95%。

2 实验结果

2.1 日间实验

12名实验对象在无风帐篷内静坐，帐篷内环境温度分别为(-21.2±0.8)℃、(-17.3±0.8)℃、(-20.6±0.4)℃。日间实验期5个代表性部位皮肤温度和皮肤平均温度Tsk(不含脚趾温度)变化如图2所示。

由图2可知，日间测试后期，脚趾皮肤温度相对最低，温度变化幅度较大，3 d平均降低14.7 ℃；实验初期，胸部、手臂温度3 d平均值分别为34.0 ℃，34.2 ℃；实验开始10 min内，胸部温度大于手臂温度，并一直高于手臂温度，2者温度均高于皮肤平均温度；3 d皮肤平均温度范围为31.7 ℃～33.8 ℃。当实验结束时，胸部温度相对最高。

实验过程中，大腿与小腿温度接近。实验开始时，大腿和小腿温度3 d均值分别为33.6 ℃，33.2 ℃，大腿温度略高于小腿，但大腿温度进入低温环境后下降速度较快，实验前半段低于小腿温度，后半段高于小腿温度，小腿温度均匀下降。

当实验进行120 min时，各部位皮肤温度为胸部温度>手臂温度>大腿温度>小腿温度>脚趾温度；下降幅度脚趾>小腿>大腿>手臂>胸部，从上部至下部皮肤温度下降幅度逐渐增大。

通过独立样本T检验或非参数检验发现，实验开始时除胸部与手臂、胸部与大腿、大腿与小腿外，其他两两部位间存在显著差异(P<0.05)；实验结束时，任意两两部位间均有显著差异(P<0.05)。同一部位在实验初始和结束时刻除胸部外均有显著差异(P<0.05)，说明低温暴露对除胸部外以4个部位皮肤温度产生显著影响。

2.2 夜间实验

12名实验对象在无风帐篷内睡袋中静卧，夜间帐篷内环境温度分别为(-23.3±0.9)℃，(-23.2±1.0)℃，(-25.4±0.5)℃。5个代表性部位皮肤温度和皮肤平均温度Tsk变化如图3所示。

图3 夜间实验5个代表性部位皮肤温度及皮肤平均温度变化

由图3可知，夜间实验胸部、手臂、大腿和小腿皮肤温度均呈快速上升-缓慢下降-基本趋于稳定的变化趋势。脚趾温度呈无规律波浪式变化，3 d平均变化幅度小于6.1 ℃；夜间小腿温度与其他部位分离，且明显低于胸部、手臂和大腿温度，说明夜间静卧期间，小腿和脚趾对低温环境较为敏感。夜间皮肤平均温度范围为33.3 ℃～35.1 ℃，大于日间皮肤平均温度。

夜间实验开始时，胸部温度相对最高，随时间增长，大腿温度高于胸部且一直大于胸部温度，仅在第1 d后期，出现短暂温度反转，可认为夜间大腿温度相对最高。

夜间实验后期，除脚趾外各部位温度变化幅度非常小。通过独立样本T检验，当实验进行第160,180 min时，除脚趾外各部位温度无显著差异(P>0.05)，认为除脚趾外各部位温度趋于稳定。调定点理论认为在体温调节中枢内有1个调定点，体温调节机制围绕调定点调控体温。本文以夜间最后20 min温度均值作为各部位调定点温度，与高温下各部位皮肤层调定点温度进行对比，见表1。

表1 夜间各部位皮肤调定点温度

由表1可知，除手臂外，胸部、大腿和小腿温度与高温下皮肤层调定点温度均有显著差异(P<0.05)，表明高、低温环境下皮肤层调定点温度除手臂外有明显不同，低温调定点温度偏高，尤其体现在胸部和大腿温度。

通过独立样本T检验或非参数检验发现，实验开始时除胸部与大腿外其他两两部位间均有显著差异(P<0.05)，实验结束时刻除小腿与脚趾、手臂与大腿外其他两两部位间均有显著差异(P<0.05)。夜间同一部位在初始和结束时刻，除脚趾外均有显著差异(P<0.05)。

3 实验结果分析与讨论

裸露在低温环境中的面部皮肤、黏膜上的冷觉感受器受冷空气刺激，引起体温神经-体液调节，体液调节通过分泌甲状腺激素提高机体细胞氧化速率，增加机体基础代谢率。神经调节通过体温调节中枢下丘脑发挥分级调控作用，使肾上腺素水平增加，骨骼肌战栗，立毛肌和毛细血管收缩。此外，人体内白色和棕色脂肪组织含量及转化率也会影响产热能力[14]。

3.1 日间实验结果分析

1)进入低温环境后，人体迅速调动主动调控机制，积极产热，因此实验初期皮肤温度出现短暂上升。静止条件下，肝脏是主要产热器官，位于胸部和手臂附近，因此胸部温度变化幅度相对较小，手臂次之。

2)当人体在低温下静坐时，血管收缩，血液循环速率减慢，传递到四肢热量减少，随实验时间增长，皮肤温度下降。离心脏越远，温度下降越明显。脚趾由于距离心脏最远，血液供氧能力差，且缺乏较厚脂肪层保暖，温度下降尤为明显，可根据低温下脚趾温度变化规律调整工作时长，为最佳工作时长和排班策略提供数据支持。

3)大腿表面积(散热)较大和骨骼肌重量较大(产热)，实验前期大腿温度下降较快，后期下降缓慢。小腿表面积较小和骨骼肌重量较轻，温度均匀下降。

4)根据日间实验结果可知，实验对象上半身保暖量足够抵御较长时间低温，下半身服装和靴子保暖量不足。建议改进服装材料，选择不透风的最外层，加厚保暖层。尤其是脚趾部位，鞋子应全方位防风，并加厚袜层，也可通过适当运动或饮用热水等方式增加热量。

3.2 夜间实验结果分析

1)夜间由于环境温度进一步降低，人体对寒冷刺激做出的生理调控反应较为激烈，实验初期各部位皮肤升温明显。由于负反馈调节，机体适应冷刺激后，体温调节机制减弱，因此实验初期各部位皮肤温度升温较快，而后缓慢下降并逐渐趋于稳定。

2)随实验进行，皮肤温度缓慢下降，这是由于睡眠时人体抗寒能力减弱，身体保护机制会把大部分血液回流至心脏、大脑等重要器官，维持正常核心体温，使肢体末梢温度下降。在睡袋中睡眠，虽然有充气睡垫阻隔，地面寒气仍会通过传导到达人体。体温调节学说认为，夜晚褪黑素分泌高于白天，褪黑素能够促进睡眠，降低体温，有可能造成皮肤温度降低[15]。

3)大腿位于身体中部，由于睡袋密闭性良好，大腿受外界环境影响较小，相对小腿和脚趾部位更接近心脏，能够相对快速地得到氧化热量，且大腿脂肪层较厚，有较好保暖作用，因此夜间大腿温度相对最高。夜间整体保暖量相对日间更加充足，实验后期各部位皮肤温度变化幅度均小于日间实验。

4)夜间由于灯光辐射、睡姿改变等皮肤温度会瞬时变化。虽然处于无风帐篷内，但睡姿改变导致睡袋附近空气流动，冷空气通过睡袋上部呼吸口侵入，造成胸部或手臂温度骤降。通过采取在睡眠前抖动睡袋，增加睡袋中空气含量的方式增强保暖性，并将脱下的服装覆盖在脚趾位置，可进一步减小低温环境对脚趾的影响。

4 结论

1)日间静坐实验中，各部位皮肤温度下降幅度从上部至下部逐渐增大；实验结束时，各部位皮肤温度大小为胸部>手臂>大腿>小腿>脚趾，距离心脏越远，散热越严重。大腿和小腿在实验中后期出现温度反转。

2)夜间静卧实验中，胸部、手臂、大腿和小腿温度均呈快速上升-缓慢下降-趋于稳定的变化趋势。实验结束时，各部位皮肤温度为大腿>胸部>手臂>小腿>脚趾，夜间大腿皮肤温度相对最高。

3)无论日间还是夜间实验，脚趾皮肤温度均相对最低。日间实验至120 min时，脚趾皮肤温度平均降低14.7 ℃；夜间实验至180 min时，脚趾皮肤温度平均变化幅度小于6.1 ℃，需要进行重点保暖。夜间由于受外界环境影响小，皮肤平均温度高于日间，变化幅度小于日间。