貴州省冬季人體舒適度對(duì)溫濕環(huán)境的響應(yīng)

白 慧，張東海，帥士章

(1. 貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002;2. 貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002)

1 引言

貴州省每年冬季都會(huì)有一段低溫濕冷的天氣維持，尤其在相對(duì)海拔較高的地區(qū)，這是其特殊的地理位置決定的。貴州省地處云貴高原東側(cè)、青藏高原東南坡，是我國地勢(shì)第二級(jí)階梯東部邊緣的一部分，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，省之北部邊緣因有高原作屏障，冬季受北方冷空氣的直接影響較小，平均氣溫在3.0～12.0℃之間，但由于整個(gè)冬季80%以上的時(shí)段全省相對(duì)濕度都維持在70%上下，其中海拔較高的省之北部和西部地區(qū)相對(duì)濕度較省之中部和東部地區(qū)高，尤其是省之西北地區(qū)達(dá)90%以上。在貴州省冬季高相對(duì)濕度的氣候背景下，雖然氣溫都維持在0℃以上，但人們通常感覺濕冷，并且體感溫度較實(shí)際氣溫低，這是因?yàn)榭諝鈱?dǎo)熱率是濕度的函數(shù)，隨著濕度的增大而增大，當(dāng)人體皮膚溫度比環(huán)境氣溫高時(shí)，人體散熱量在濕空氣中比干空氣中快且多［1］。因此，人體對(duì)環(huán)境冷熱的感覺舒適與否，是受多種氣象要素的綜合影響，一般而言，氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速這3個(gè)氣象要素對(duì)人體感覺影響最大，其中氣溫是判斷人體舒適度的主要指標(biāo)，相對(duì)濕度和風(fēng)速是輔助指標(biāo)，通過影響人體熱散失來影響人體舒適感［2］。因此，對(duì)于大眾生活需要建立一種具有主觀和客觀雙重特性和標(biāo)準(zhǔn)的人體舒適度指標(biāo)，可以提示公眾根據(jù)氣象因素的變化來及時(shí)調(diào)節(jié)生理、適應(yīng)環(huán)境以及采取一些有效防范措施，并盡可能為城市氣象預(yù)報(bào)提供一些參考。

普查1981—2010年貴州省9個(gè)市州代表站及其平均狀態(tài)下冬季逐日風(fēng)力等級(jí)頻率分布和逐日相對(duì)濕度等級(jí)頻率分布，發(fā)現(xiàn)貴州省冬季相對(duì)濕度較大，出現(xiàn)70%以上量級(jí)的頻率達(dá)82%，其中海拔較高的省之北部和西部地區(qū)(遵義、七星關(guān)、水城、安順和興義等站)相對(duì)濕度較省之中部和東部地區(qū)高(貴陽、都勻、凱里和碧江等站)，尤其是七星關(guān)站達(dá)93%。同時(shí)，全省的風(fēng)速較小，主要集中在輕風(fēng)及以下等級(jí)，出現(xiàn)頻率達(dá)94%，其中遵義站、七星關(guān)站、水城站、都勻站、凱里站和碧江站輕風(fēng)以下等級(jí)占90%以上，貴陽站、安順站和興義站輕風(fēng)以下等級(jí)占80%以上。因此，在貴州冬季相對(duì)濕度大風(fēng)速小的氣候背景特征下，綜合考慮氣溫和相對(duì)濕度對(duì)人體舒適度的影響，選用目前運(yùn)用較為廣泛的人體舒適度指數(shù)IHC［2－3］，并討論指數(shù)IHC在貴州省冬季濕冷環(huán)境中對(duì)氣溫和相對(duì)濕度的響應(yīng)［4－6］。

2 資料和方法

選取貴州省9個(gè)市州代表站(貴陽、遵義、七星關(guān)、水城、安順、興義、都勻、凱里和碧江)作為討論分析貴州省冬季(12月—次年2月)人體舒適度的研究對(duì)象，選取1981—2010年時(shí)段內(nèi)日平均氣溫和日平均相對(duì)濕度作為構(gòu)建人體舒適度IHC指數(shù)的主要?dú)庀笠亍?/p>

人體舒適度IHC指數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:IHC為人體舒適度指數(shù);T 為氣溫(單位，℉)，其中T(℉)= T(℃)×9/5+32;RH 為相對(duì)濕度(單位:%)，IHC指數(shù)對(duì)應(yīng)的范圍如表1。

表1 人體舒適度指數(shù)(IHC)

3 貴州省IHC指數(shù)對(duì)溫濕環(huán)境的響應(yīng)

3.1 IHC指數(shù)的頻率分布

如圖1，1981—2010年貴州省9個(gè)市州代表站的冬季IHC指數(shù)主要集中在39～50 指數(shù)段(－2級(jí))，理論頻率占整個(gè)冬季時(shí)段的60%，同時(shí)隨著IHC指數(shù)的增大或減小，相應(yīng)的理論頻率均減小，呈單峰分布，并通過計(jì)算偏度系數(shù)g1 為9.48 和峰度系數(shù)g2為－4.75，得到IHC指數(shù)頻率分布的頂峰偏左，坡度較平緩，即IHC指數(shù)呈近似正態(tài)分布。

圖1 1981—2010年貴州省9個(gè)市州冬季IHC指數(shù)的頻率分布圖

統(tǒng)計(jì)1981—2010年貴州省9個(gè)市州代表站冬季IHC指數(shù)的頻率等級(jí)(表2)，發(fā)現(xiàn)9個(gè)代表站IHC指數(shù)的頻率分布均呈近似正態(tài)分布，不過西部、北部和東南部地區(qū)(遵義、七星關(guān)、水城、安順和凱里等站)頂峰偏左，而中東部和南部地區(qū)(貴陽、興義、都勻和碧江等站)頂峰偏右，即總體上貴州省西部和北部地區(qū)冬季由于平均氣溫較低、加之平均相對(duì)濕度較大，使人體舒適感降低尤為明顯。

表2 1981—2010年貴州省9個(gè)市州代表站冬季IHC指數(shù)的頻率等級(jí)統(tǒng)計(jì)

3.2 IHC指數(shù)對(duì)影響因子的響應(yīng)

計(jì)算1981—2010年貴州省9個(gè)市州冬季逐日IHC與平均氣溫、平均相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、－0.51，均通過0.05 信度檢驗(yàn)，表明低溫、高濕對(duì)IHC指數(shù)具有負(fù)貢獻(xiàn)，其中氣溫的高低對(duì)IHC指數(shù)影響尤為明顯。由于貴州省冬季平均相對(duì)濕度總體達(dá)80%，基于這種高濕環(huán)境下對(duì)逐日平均氣溫和IHC指數(shù)進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)二者擬合度為0.979 6，通過0.05 信度檢驗(yàn)(圖2)。具體從貴州省9個(gè)市州代表站冬季逐日平均氣溫和IHC指數(shù)的擬合度分析，發(fā)現(xiàn)省之中西部地區(qū)(貴陽站、七星關(guān)站、水城站、安順站和興義站)的擬合度較高，且該地區(qū)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度也較高。即表明在貴州省冬季相對(duì)濕度越高的環(huán)境下，IHC指數(shù)對(duì)平均氣溫的變化就具有越高的敏感性，且相對(duì)濕度的增加，會(huì)使人體舒適感降低。

圖2 1981—2010年貴州省9個(gè)市州冬季逐日平均氣溫—IHC指數(shù)散點(diǎn)圖

為了進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)影響因子對(duì)IHC指數(shù)的影響，假設(shè)公式(1)中平均氣溫或平均相對(duì)濕度為常值時(shí)，分別討論分析IHC指數(shù)對(duì)平均相對(duì)濕度或平均氣溫的響應(yīng):

由公式(2)知，當(dāng)RH=0 時(shí)，△T 的變化不引起△IHC變化;當(dāng)RH＞0 時(shí)，△IHC對(duì)△T 響應(yīng)關(guān)系為正相關(guān)。由公式(3)知，當(dāng)T＞14.4℃時(shí)，△IHC對(duì)△RH響應(yīng)關(guān)系為正相關(guān);當(dāng)T=14.4℃時(shí)，△RH 的變化不引起△IHC變化;當(dāng)T＜14.4℃時(shí)，△IHC對(duì)△RH 響應(yīng)關(guān)系為負(fù)相關(guān)。為了比較分析貴州省9個(gè)市州代表站冬季△IHC對(duì)△T 或△RH 變化的響應(yīng)，將1981—2010年各站的逐日IHC指數(shù)、T 和RH 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除同一地區(qū)不同要素間單位的影響以及不同地區(qū)間的同一要素單位量級(jí)的影響，從回歸方程出發(fā)，得到△IHC對(duì)△T=1σ 或△RH=1σ 變化的響應(yīng)(表3)。發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)(水城、安順和興義站)△IHC對(duì)△T 變化的響應(yīng)較強(qiáng)，△T 的變化為1σ 時(shí)，引起△IHC的變化在0.99σ 以上;中西部地區(qū)(七星關(guān)、水城、安順和興義站)△IHC對(duì)△RH 變化的響應(yīng)較強(qiáng)，△RH 的變化為1σ 時(shí)，引起△IHC的變化在0.50σ 以上。另外，需要指出的是9個(gè)代表站都是△IHC對(duì)△T 的響應(yīng)較△RH 強(qiáng)，表明影響IHC指數(shù)變化的平均氣溫和平均相對(duì)濕度兩個(gè)要素中平均氣溫是主要指標(biāo)，而相對(duì)濕度的變化作為輔助指標(biāo)對(duì)IHC指數(shù)有著增大或減小的作用。

表3 貴州省9個(gè)市州IHC指數(shù)對(duì)影響因子的響應(yīng)

4 貴州省冬季IHC指數(shù)與低溫過程的持續(xù)性對(duì)比分析

由于貴州冬季的低溫陰雨天氣主要受穩(wěn)定、少動(dòng)的滇黔靜止鋒影響，冬季低溫過程具有很強(qiáng)的持續(xù)性，并伴隨高濕特征［9－11］，那么貴州省冬季由于平均相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)作用會(huì)增加人體不舒適的持續(xù)性嗎?綜合考慮貴州省冬季80%以上時(shí)段平均相對(duì)濕度達(dá)70%，并且60%以上時(shí)段IHC指數(shù)范圍處于39～50(－2級(jí))之間，利用公式(1)，假設(shè)RH=70%，IHC=50，計(jì)算得到T = 9.0℃，對(duì)比分析貴州省9個(gè)市州累年(1981—2010年)11月—次年3月逐日IHC指數(shù)穩(wěn)定(5 d 滑動(dòng)平均)低于或等于50 和平均氣溫穩(wěn)定(5 d滑動(dòng)平均)低于或等于9.0℃的持續(xù)天數(shù)(圖3)。

總體上西部和北部地區(qū)的累年逐日IHC指數(shù)穩(wěn)定低于或等于50 持續(xù)時(shí)段和平均氣溫穩(wěn)定低于或等于9.0℃的持續(xù)天數(shù)均較長，其中西北部七星關(guān)站的持續(xù)日數(shù)最長，分別達(dá)123 d(11月18日—次年3月20日)和115 d(11月19日—次年3月13日);西南部興義站的持續(xù)時(shí)間最短，分別為64 d(12月11日—次年2月12日)和53 d(12月18日—次年2月8日)。另外，全省9個(gè)市州累年逐日IHC指數(shù)穩(wěn)定低于或等于50 持續(xù)時(shí)段均較平均氣溫穩(wěn)定低于或等于9.0℃的持續(xù)天數(shù)長。表明氣候態(tài)下IHC指數(shù)能有效客觀的刻畫出貴州省低溫的持續(xù)性特征，與實(shí)際相符，并且能反映出在平均相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，人體感覺的不舒適持續(xù)日數(shù)增加，即加大了人體的不舒適感。

圖3 貴州省9個(gè)市州累年11月至次年3月逐日IHC指數(shù)分布圖(a)和平均氣溫分布圖(b)

表4 貴州省9個(gè)市州累年11月—次年3月逐日IHC指數(shù)≤50 和平均氣溫≤9.0℃的持續(xù)天數(shù)

5 結(jié)論

①1981—2010年貴州省冬季IHC指數(shù)主要集中在39～50 指數(shù)段(－2級(jí))，理論頻率占整個(gè)冬季時(shí)段的60%，呈近似正態(tài)分布。總體上西部和北部地區(qū)冬季由于平均氣溫較低、加之平均相對(duì)濕度較大，使人體舒適感降低尤為明顯。

②1981—2010年貴州省冬季低溫、高濕對(duì)IHC指數(shù)具有負(fù)貢獻(xiàn)，其中氣溫的高低對(duì)IHC指數(shù)影響尤為明顯。通過對(duì)貴州省9個(gè)市州代表站冬季逐日平均氣溫和IHC指數(shù)的擬合度分析，發(fā)現(xiàn)省之中西部地區(qū)的擬合度較高，且該地區(qū)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度也較高。即表明在貴州省冬季相對(duì)濕度越高的環(huán)境下，IHC指數(shù)對(duì)平均氣溫的變化就具有越高的敏感性，且相對(duì)濕度的增加，會(huì)使人體舒適感降低。

③討論貴州省冬季△IHC對(duì)△T=1σ 或△RH=1σ 變化的響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)△IHC對(duì)△T 變化的響應(yīng)較強(qiáng)，中西部地區(qū)△IHC對(duì)△RH 變化的響應(yīng)較強(qiáng)。同時(shí)，需要指出的是貴州省冬季△IHC對(duì)△T 的響應(yīng)較△RH 強(qiáng)，表明影響IHC指數(shù)變化的平均氣溫和平均相對(duì)濕度兩個(gè)要素中平均氣溫是主要指標(biāo)，而相對(duì)濕度的變化作為輔助指標(biāo)對(duì)IHC指數(shù)有著增大或減小的作用。

④氣候態(tài)下IHC指數(shù)能有效客觀的刻畫出貴州省低溫的持續(xù)性特征，與實(shí)際相符，并且能反映出在平均相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，人體感覺的不舒適持續(xù)日數(shù)增加，即加大了人體的不舒適感。

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