这类模型通常是以仪器的直接观测结果评定环境的舒适度, 如空气温度、湿球温度、黑球温度以及卡他度等。湿球温度表示气温和湿度综合作用的结果；黑球温度表示气温、辐射和气流速度综合作用的结果。这类指标没有考虑到机体的舒适感和生理反应, 目前很少单独使用, 而是将其作为其他综合指标的一个组成部分。最具影响的仪器测定指标是1916年英国Hill爵士^{[ 1]}提出的卡他度。卡他度是指由被加热36.5℃时的卡他温度计的液球在单位时间、单位面积上所散发的热量, 其实质是用卡他计液球的散热强度来模拟人体的散热, 可以反映温度、湿度和风速三者的综合散热效果, 曾被应用于矿井作业、办公室舒适度测量等领域。

经验模型是以人的主观感受或生理反应作为评价依据, 基于经验或统计学方法构建的人体舒适度模型。从其构建过程中所依据的环境背景条件来看, 有些指标仅适用于热环境, 有些仅适用于冷环境, 也有一些对冷暖环境都具有较好的普适性。

（1）经典“有效温度指数”及其修正指数

1923年, Houghton和Yaglou^{[ 3]}确定了包括温度和湿度两个变量的裸衣男子的等舒适线, 并由此提出了对热舒适研究具有深远影响的有效温度指数ET（ Effective Temperature Index）, 该指标以受试者对冷暖的主观感受作为评价依据, 在决定此项指标的实验中, 受试者在气温和相对湿度不同的两个房间来回走动, 调节一个房间的环境参数, 当受试者在两个房间内获得相同的热感觉时, 就把房间A的温度作为房间B的有效温度。1932年, Vemon和Wamer^{[ 12]}使用黑球温度代替干球温度对热辐射进行了修正, 产生了修正有效温度CET（ Corrected Effective Temperature）。Li和Chan^{[ 13]} 又将风速考虑进来, 并根据香港实际情况对经典ET公式进行修正, 提出了“净有效温度” NET（ Net Effective Temperature）, NET已成为香港气象观测中心每天发布的常规气象服务指标之一。有效温度指数及其修正指数在世界各国得到了广泛应用, 德国至今仍然将其作为炎热工作环境的医学检验标准。

（2）适用于热环境的人体舒适度经验模型

二战期间, 英国皇家海军船舰上异常恶劣的热环境引起了有关部门的高度重视, 当时已有研究发现：英国海军此前一直沿用的CET指标由于未考虑长时间连续工作及新陈代谢较高时的情形而带有严重的缺陷。1947年, McArdle^{[ 14]}提出了预计4小时排汗率P4SR（ PredictedFour Hour Sweat Rate）, 该指标基于如下基本思想：人体的排汗率可以很好地表示人体的热负荷状况, 单位时间排汗越多, 人体热负荷越大。P4SR综合了空气温度、平均辐射温度、空气湿度、空气流速、新陈代谢率以及服装热阻6个因素, 是个实验性指标, 可利用诺模图预测人体在特定环境下未来4小时的排汗量。由于该指数无解析式, 只能通过查找诺模图估算, 因此不便广泛推广应用。

1957年, 美国海军为了有效防止军事训练中的热损伤事故而提出了著名的湿球黑球温度指数WBGT（ Wet Bulb Globe Temperature）^{[ 15]}, 该指数由湿球温度和黑球温度两部分构成, 露天情况下加测空气干球温度, 它综合考虑了空气温度、湿度、风速和太阳辐射四个因素的影响, 与出汗率之间呈现出良好的相关性, 目前已经成为高温作业或户外运动的重要热负荷评估指标, 欧美国家采用此法评价高温车间热环境气象条件已有多年, 美国运动医学院、美国陆军部等权威机构还联合发布了不同热负荷水平下的训练/运动强度指南, 我国也采用WBGT指数制定了高温作业劳动安全卫生分级标准（GB/T4200-2008）。WBGT本身固有的特点决定了它不适用于舒适或寒冷气候的评估。

1959年, 美国国家气象局的thorn^{[ 16]}提出了不舒适指数DI（ Discomfort Index）, 公式中通过干球温度和湿球温度的组合来反映夏季湿热的气候环境对人体不舒适程度的影响, 并应用于美国夏季舒适度和工作时数预报。根据该指数的计算结果, 美国一些旅游景点在夏季的不舒适指数都比较高, 为了避免对旅游业产生负面影响, 后来将其更名为温湿指数THI（ Temperature-Humidity Index）。类似的研究还有1965年由加拿大学者Masterson和Richardson^{[ 17]}提出了的Humiture（后来被加拿大大气环境服务中心更名为Humidex）, 它采用气温和水汽压两项指标来评价人体对温度和湿度的热耐受程度。由于THI的构建是以静止饱和大气（风速为零, 相对湿度100％）作为参照标准, 并没有考虑太阳辐射的增温作用, 因此, 只有在湿热环境且有遮蔽（如室内）的气候条件下该指数才具有较好的适用性。

（3）适用于冷环境的人体舒适度经验模型

人体实际感受到的温度是皮肤表面的温度。在寒冷、有风的气候条件下, 由人体内部传递到皮肤表面的热量会被风迅速吹走, 因此, 皮肤感觉到的温度要比无风的时候更低。Siple和Passel^{[ 18]}对寒冷气候中空气流速和气温对人体热损失的影响产生了浓厚兴趣, 他们在南极地区将融雪水置于一个圆柱形的塑料容器中, 研究无蒸发、有遮蔽条件下的风冷却能力, 并于1945年提出了风寒指数WCI（ Wind Chill Index, 也称风冷却指数）, 风寒指数被定义为皮肤温度为33℃时皮肤表面的冷却速率。风寒指数及其后所衍生出的风寒等效温度得到了广泛应用, 但同时也遭到了一些批判, 如对暴露部位的皮肤温度考虑欠妥、没有考虑最长暴露时间及面部散热过程的复杂性等等。经过长达半个世纪的改进和修正, 2001年, 美国国家气象局和加拿大环境部开始采用“新风寒等效温度”^{[ 19]}, 并给出了不同气温和风速条件下的发生冻伤的风险情况。

（4）其他经验模型

其他有较大影响的经验模型还包括1979年美国学者Steadman^{[ 20]}提出的实感温度AT（ Apparent Temperature）模型, 该模型主要研究不同湿度水平对人体热感受的调节作用, 模型引入了生理学和服装材料学的相关理论, 将着衣情况和运动量大小也考虑进来, 由于计算公式较为复杂, 为了简化运算, 美国国家气象局将其转化为多元统计回归模型, 并重新命名为酷热指数HI（ Heat Index）, 用于高温预警信息发布^{[ 21]}。最初的实感温度模型主要针对夏季酷热环境, 后来Steadman参考风寒指数对原有的模型进行了延伸和扩展, 使其在寒冷环境中也具有较好的适用性。

早在1938年, Buettner就已经意识到合理的人体舒适度模型必须以人体热交换机制为基础, 综合考虑环境因素、人体代谢、呼吸散热及服装热阻等各种因素的影响, 而这种舒适度机理模型必然是极其复杂的^{[ 22]}。上世纪60年代, 随着生物气象学和计算机技术的发展, 基于人体热平衡的机理模型研究引起了各国学者广泛关注。人体为了维持正常的体温, 就必须使产热和散热量保持平衡, 因此, 所有的人体热平衡模型都可以概括为如下公式： , 式中M表示人体能量代谢率, W为人体所做的机械功, R为人体与环境辐射换热率, C为人体与环境对流换热率, E为汗液蒸发和呼出水汽所带走的热量, S表示人体蓄热率。人体热平衡一旦被打破, 人体的体温调节系统便开始起作用, 体温调节的强度越大, 不舒适程度越高。

丹麦学者Fanger教授^{[ 23]}经过多年的研究于1970年提出了满足人体舒适状态的三个条件, 并在此基础上发表了著名的热舒适方程, 开创了热量平衡模型在人体生物气象学应用的先河。Fanger教授提出的第一个条件是人体必须处于热平衡状态；第二个条件是皮肤温度应具有与舒适相适应的水平；第三个条件是人体应具有最佳排汗率。其中, 第一个条件可用热平衡方程表示, 其他两个条件中的平均皮肤温度和最佳排汗率都可以表示成人体新陈代谢产热量的函数, 三个条件组合起来就可以判断人体是否处于最佳热舒适状态；之后, Fanger根据1396名美国、丹麦受试者对热感觉的投票表决结果, 通过回归分析提出了至今被广泛使用的热舒适评价指标——预测平均投票数PMV（ Predicted Mean Vote）, 以反映对同一环境绝大多数人的冷热感觉；考虑到人与人之间生理、心理及行为特点的差别, 即使大多数人认为室内环境为最佳热舒适状态, 仍有少数人对该热环境不满意, 故用PPD（ Predicted Percentage of Dissatisfied）指标来表示对热环境不满意的百分数, PMV和PPD之间的关系可由概率统计方法给出。PMV-PPD指标已成为描述和评价热环境的国际标准ISO7730。目前, 该指标主要用于室内热环境舒适度评价, 应用于室外热环境时, 其评价结果与实际存在较大偏差；另外, 该指标对于身着轻便服装、坐着工作的人群具有较好的适用性, 对于其他衣着条件和活动情况有待进一步考证。

1971年, 美国耶鲁大学Pierce研究所的Gagge等人^{[ 24]}研究在有效温度指标的基础上, 引入了皮肤湿润度的概念, 继而提出了新有效温度ET*, ET*仅适用于着装轻薄, 活动量小, 风速低的环境, 此后Gagge等人又综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻, 提出了标准有效温度SET（Standard Effective Tempreture）, 从而扩展了ET*的使用范围。SET的理论基础是Gagge提出的人体温度调节的两节点模型, 两节点模型是考虑人体温度调节过程的最简单的模型。该模型将人体看作两层, 即核心层和皮肤层。新陈代谢在核心层产生, 产生的热量一部分通过呼吸直接散失在环境中, 其余传到皮肤表面。传到皮肤表面的热量一部分由汗液蒸发散失掉, 其余的热量通过衣服传到衣服表面, 然后通过辐射和对流散失到环境中。传热过程被视为是一维的。SET与早期的ET的区别在于：ET是基于受试者的主观评价结果, 而SET是通过传热的物理过程分析而得到。

生理等效温度PET（ Physiological Equivalent Temperature）是在慕尼黑人体热量平衡模型MEMI（ Munich Energy Balance Model for Individuals）基础上推导出的热指标, 定义为在某一室内或户外环境中, 人体皮肤温度和体内温度达到与典型室内环境同等的热状态所对应的气温^{[ 25]}。该指标综合考虑了主要气象参数、活动、衣着以及个体参数对舒适度的影响。与Fanger的舒适方程不同, MEMI模型能计算给定环境条件下真正的热量流和人体温度, 在MEMI模型中, 皮肤温度不是假设的而是模型计算的结果, 出汗率是体内温度和皮肤温度的函数。

进入21世纪以后, 伴随着多学科的高度交叉与融合, 人类可以更全面、更精确地描述人体的热量传输与能量代谢过程, 相比之下, 以往的热量平衡模型显得理论基础薄弱、陈旧、太过理想化。在世界气象组织（WMO）气候学委员会的倡导之下, 欧洲科学与技术合作计划730号行动将来自23个国家的45位科学家召集起来, 融合生理学、医学、数学、气象学及计算机科学等众多领域最前沿的专业技术知识, 共同建立了一个基于多结点模型的通用热气候指数UTCI（ Universal Thermal Climate Index）^{[ 2, 22]}, 该模型将人体明确分为具有热调节功能的主动系统和人体内部传热过程的被动系统, 主动系统用来模拟人体代谢、皮肤血液流动的减弱(血管收缩)和加强(血管舒张)、发汗、发抖等；被动系统需要考虑人体不同部位表皮、真皮、骨骼、肌肉、内脏等组分的差别, 模拟各区段中血液循环、新陈代谢、热量传导与累积等人体内部传热过程, 在热交换过程上, 包含了表面对流、长短波热辐射、皮肤表面水份蒸发、呼吸等因素。UTCI结构复杂, 考虑细致周全, 拟真度高, 可以广泛应用于气象服务、公众健康预警、城市规划、旅游娱乐等诸多领域^{[ 22, 26]}。

气候舒适度评价研究由来已久, 有文献可考的定量化评价已有近百年的历史, 期间经历了早期的仪器直接测定评估阶段、基于统计结果的经验模型时代及近期基于人体热平衡的机理模型时代, 逐步由简单的经验模型向复杂的机理模型、由时空局限性模型向客观普适性模型发展, 具有普适性的机理模型是未来的发展方向。然而经验模型输入参数少、结构简单、数据易于获取, 在当前及以后的一段时期内仍然会展现出一定的应用前景。值得注意的是, 很多经验模型的提出都有其特殊针对性, 受季节、地域、人种等因素的限制, 一些模型甚至没有考虑太阳辐射、风速等室外气象条件, 仅适用于室内环境, 因此, 应用时需要根据具体情况严格筛选。

（1）发展具有普适性的气候舒适度评价模型

与国外气候舒适度评价的发展历程相比, 我国起步较晚, 目前仍然以经验模型为主要评价手段。然而, 我国疆域辽阔, 从大兴安岭到海南三亚, 东海之滨到雪域高原, 地形高低起伏, 气候类型复杂多样, 不同地域的人群体质差异显著, 现有经验模型受地域、季节、人种等因素的局限, 不可避免地带有经验和主观色彩。因此, 引进西方的机理模型, 结合我国的人种特征、饮食结构和基础代谢水平对输出的舒适指标划分舒适区间, 进行等级标定, 是目前亟待解决的问题。

（2）探索气候舒适度精细化评估技术

目前, 气候舒适度评价主要基于气象台站观测资料, 然后采用反距离权重、克里金等方法对舒适指数进行空间插值, 得到气候舒适度的空间分布情况。然而, 在我国很多地区, 受复杂地形、下垫面变化等因素的影响, 日照、气温、风速等气候要素空间差异显著；受气象站点数量有限、空间布局不尽合理等现实条件的制约, 常用的空间插值方法往往不能得到令人满意的结果。今后, 应以气象站点观测数据为基础, 融合DEM数据、多源气象卫星数据, 集成GIS和遥感技术, 探索气候舒适度空间化的理论与方法, 开展气候舒适度精细化评估研究。

（3）研究我国特色宜人气候的评价理论与方法

采用人体舒适指数对气候的舒适性进行评价的观念已被各国学者普遍接受并广泛应用。然而, 单纯采用这样一个综合指数对气候的舒适宜人程度进行评价显得过于笼统、模糊。细雨清风的江南古镇和秋高气爽的塞外草原即便具有相同的舒适指数, 也存在显著的体感差异。以往的人体舒适综合指数很难真实、贴切地反映出各地宜人气候的地域特点和独特风格, 需要建立新的评价方法和指标体系研究我国的特色宜人气候问题。