1971—2018年陜西省人體舒適度日數(shù)時(shí)空變化特征

雷楊娜 毛明策 李明 張俠

（陜西省氣候中心，陜西 西安710014）

引言

人體舒適度是一個(gè)生物氣象指標(biāo)，它根據(jù)人類機(jī)體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定，用來評價(jià)不同氣候條件下人體的舒適程度［1］。人體舒適度指數(shù)（Com fort Index of Human Body，簡稱ICHB）就是能較好地反映多數(shù)人群身體感受的一項(xiàng)綜合氣象指標(biāo)或參數(shù)，它主要取決于氣溫、相對濕度、風(fēng)速3個(gè)氣象要素，是人們進(jìn)行人居環(huán)境、旅游氣候資源評價(jià)等的一項(xiàng)重要指標(biāo)［2］。

國外關(guān)于人體舒適度的研究較早，Brunt［3］1945年開展了氣候和人體舒適度的關(guān)系研究；吳兌［4］討論了多種人體舒適度的預(yù)報(bào)；Terjung［5］提出舒適度指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)等；美國國家氣象局利用溫濕指數(shù)開展夏季舒適度預(yù)報(bào)工作。國內(nèi)關(guān)于舒適度的研究主要是從20世紀(jì)90年代開始，所采用的計(jì)算模型基本均為上述幾種模型的變形和擴(kuò)展，大多致力于旅游氣候資源評價(jià)［6-7］及人體舒適度區(qū)域特征研究等［8-11］，利用統(tǒng)計(jì)方法分析不同時(shí)空特征及不同下墊面的人體舒適度變化規(guī)律等［12-13］。關(guān)于陜西省人體舒適度的研究，楊睿敏等［14］對比分析了陜南、關(guān)中冬季人體舒適度差異；胡琳等［15］探討了各種環(huán)境因素對人體舒適度的影響。但是隨著全球氣候變化，陜西地區(qū)的氣候也存在著變暖趨勢，而氣溫是表征人體舒適度的一項(xiàng)重要?dú)庀笠蜃?，在變暖背景下陜西地區(qū)的人體舒適度指數(shù)是否也存在類似變化趨勢，人體舒適日數(shù)是否因?yàn)槭孢m度變化而有所變化，均需要進(jìn)一步研究。

本文利用1971—2008年陜西省94個(gè)氣象站的氣象資料，對陜西全省近48 a人體舒適度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，研究人體舒適日數(shù)和不舒適日數(shù)的時(shí)空分布特征，揭示人體舒適日數(shù)的變化規(guī)律，為城市空間合理開發(fā)、城市人居環(huán)境評價(jià)、城市氣候宜居性評估等提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文剔除陜西省富縣、黃陵和三原3個(gè)資料時(shí)長較短的臺(tái)站數(shù)據(jù)，選取1971—2018年陜西省94個(gè)氣象臺(tái)站逐日氣象資料，主要包括日平均氣溫（簡稱溫度）、日平均相對濕度（簡稱濕度）和日平均風(fēng)速（簡稱風(fēng)速）3個(gè)氣象要素，數(shù)據(jù)來源于陜西省氣象信息中心，資料經(jīng)過質(zhì)量控制，準(zhǔn)確可靠。

1.2 研究方法

人體舒適度表征方法有很多，如人體舒適度指數(shù)、體感溫度、溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、綜合舒適度指數(shù)等。本文采用中國大多數(shù)氣象臺(tái)站進(jìn)行人體舒適度預(yù)報(bào)及評價(jià)常用的經(jīng)驗(yàn)公式［16］，主要考慮氣溫、風(fēng)速和濕度3個(gè)對人體舒適性影響最大的氣候因子。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將人體舒適度指數(shù)劃分為9個(gè)級別，分別對應(yīng)代表從寒冷到酷熱9種體感狀態(tài)（表1），其中，4—6級人體感覺舒適，而1—3級、7—8級則分別為感覺冷不舒適和熱不舒適，合并統(tǒng)計(jì)平均冷不舒適日數(shù)（指數(shù)等級1—3級）、平均舒適日數(shù)（指數(shù)等級4—6級）和平均熱不舒適日數(shù)（指數(shù)等級7—8級），來進(jìn)一步分析陜西省人體舒適日數(shù)和不舒適日數(shù)的分布情況。

表1 中國氣象局人體舒適度指數(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The China M eteorological Adm inistration′s standard on ICHB

計(jì)算公式采用改進(jìn)的人體舒適度指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式（1）中，T為溫度（℃）；RH為相對濕度（%）；V為風(fēng)速（m·s-1）。

本文進(jìn)行人體舒適日數(shù)和不舒適日數(shù)分析時(shí)主要采用線性傾向率、累積距平、小波分析和EOF分析等方法。

2 結(jié)果分析

2.1 人體舒適度年平均分布

用式（1）計(jì)算1971—2018年陜西省各站逐日人體舒適度指數(shù)，統(tǒng)計(jì)每年各舒適度等級出現(xiàn)日數(shù)，歷年日數(shù)求平均值后得到陜西全省多年平均各舒適度等級日數(shù)的分布特征。陜西全省人體舒適度指數(shù)的各級分布日數(shù)占比中，主要集中在1—5級，即寒冷、冷、涼、涼爽和舒適，占85.2%，說明陜西全省大部分時(shí)間體感狀態(tài)為從冷到舒適。其中冷的日數(shù)所占比例最大，達(dá)25.7%，其次為舒適和涼，所占比例分別為24.0%和23.7%，體感狀態(tài)為暖和（舒適度指數(shù)為6）和熱（舒適度指數(shù)為7）的日數(shù)僅占0.9%和1.0%，沒有炎熱和酷熱天氣。

2.2 人體舒適日數(shù)時(shí)間變化

2.2.1 年變化

從1971—2018年陜西省人體舒適日數(shù)變化趨勢可知（圖1），陜西省人體舒適日數(shù)平均值年變化較大，在波動(dòng)變化中呈顯著上升趨勢，變化傾向率為0.524 d·a-1，即從1971年到2018年增加了25.2 d。1971—2018年陜西省年平均人體舒適日數(shù)為132 d，人體舒適日數(shù)最大值出現(xiàn)在2006年（147d），最小值出現(xiàn)在1976年（115 d），兩者相差33 d，人體舒適日數(shù)年際差異較大。通過低通濾波處理后的低頻序列可以更清楚地表明年代際尺度變化，人體舒適日數(shù)在1989年之前呈現(xiàn)平緩增加趨勢，80年代末期至90年中期沒有明顯變化，90年代末期開始顯著增加，2005年以后人體舒適日數(shù)開始緩慢減少。陜西中部（關(guān)中）和陜西南部（陜南）地區(qū)人體舒適日數(shù)變化趨勢同全省基本一致，年變化階段性顯著，增長顯著，傾向率分別為0.675 d·a-1和0.450 d·a-1（表2）。陜西北部（陜北）地區(qū)人體舒適日數(shù)傾向率為0.341 d·a-1，較關(guān)中和陜南偏低。1971—2018年各地區(qū)年平均人體舒適日數(shù)分別105 d、128 d和160 d，陜北地區(qū)最少，陜南則最多。

圖1 1971—2018年陜西省人體舒適日數(shù)年變化Fig.1 Interannual change trend of human com fortable days in Shaanxi province from 1971 to 2018

有研究表明［17］，溫度與人體舒適度指數(shù)存在著極顯著的正相關(guān)，從二者的累積距平可以看出（圖2），直到20世紀(jì)90年代初，陜西省平均氣溫與人體舒適日數(shù)的累積距平曲線呈下降趨勢，表明二者均處于負(fù)距平期；90年代累積距平變化較小，比較穩(wěn)定；90年代后期累積距平曲線開始上升，表明二者處于持續(xù)的正距平期。據(jù)此可認(rèn)為人體舒適日數(shù)變化大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，90年代之前為持續(xù)較少期；90年代為相對正常期；1998年之后為偏多期。

圖2 1971—2018年陜西省人體舒適日數(shù)與平均氣溫累積距平Fig.2 Accumulative anomalies of human com fortable days and mean tem perature in Shaanxi province from 1971 to 2018

比較1971—2018年陜西省四季人體舒適日數(shù)的變化趨勢（表2），春、夏、秋三個(gè)季節(jié)人體舒適日數(shù)均呈顯著上升趨勢，其中春季和夏季上升趨勢較為顯著，線性傾向率均達(dá)到了0.202 d·a-1，秋季為0.121 d·a-1，均通過了95% 的信度檢驗(yàn)。陜西省三個(gè)區(qū)域的四季人體舒適日數(shù)年際變化特征與陜西全省總體趨勢相似，關(guān)中地區(qū)春、夏、秋三季增長趨勢均較為顯著，其中春、夏季增長趨勢均在0.2 d·a-1以上；陜南地區(qū)春季增長趨勢較為顯著，達(dá)到0.225 d·a-1；陜北地區(qū)僅夏季增長趨勢較為顯著，達(dá)到0.240 d·a-1。

表2 1971—2018年陜西省各區(qū)人體舒適日數(shù)年變化Table 2 Variation trends of annual and seasonal human com fortable days in each region of Shaanxi province from 1971 to 2018

另外，近年來氣候變暖［18］，陜西省平均氣溫升高，近48 a春季增溫最為顯著，其次為秋季和夏季，氣溫顯著升高導(dǎo)致各地區(qū)人體舒適度指數(shù)等級發(fā)生變化，陜北夏季、關(guān)中春、夏季和陜南春季舒適日數(shù)顯著增多，增幅均在9.5 d以上。

2.2.2 月變化

從1971—2018年陜西省及各區(qū)人體舒適日數(shù)月變化可知（圖3），陜西省3—11月均存在舒適日，冬季3個(gè)月則無舒適日，其中舒適日數(shù)主要分布在5—9月，占全年人體舒適日數(shù)的90%。人體舒適日數(shù)月變化呈單峰型，1—7月基本隨時(shí)間遞增，7月（29.2 d）達(dá)到峰值，7月以后逐漸減少，11月舒適日數(shù)降至1 d以下。陜西省三個(gè)地區(qū)和陜西全省的變化趨勢基本一致，但三個(gè)地區(qū)間存在一定差異，陜北7—8月舒適日數(shù)較多，關(guān)中6—8月舒適日數(shù)較多，陜南6—9月舒適日數(shù)較多，均在25 d以上。

圖3 1971—2018年陜西省及各區(qū)人體舒適日數(shù)月變化Fig.3 Themonth change of human com fortable days from 1971 to 2018 in Shaanxi province and each region

2.2.3 周期性

鄧自旺等［19］分析Morlet小波系數(shù)與氣候要素的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)二者的起伏信號是基本一致的，因此可利用小波分析進(jìn)行氣候序列的分析，Morlet小波變換實(shí)部表示不同特征時(shí)間尺度信號在不同時(shí)間上的分布和位相兩方面的信息，正位相表示要素為正值，負(fù)位相表示要素為負(fù)值，小波系數(shù)實(shí)部的零點(diǎn)對應(yīng)于氣候突變點(diǎn)。采用Morlet小波對1971—2018年陜西地區(qū)人體舒適日數(shù)序列的演變規(guī)律進(jìn)行分析（圖4）。由圖4可知，陜西省近48 a人體舒適日數(shù)存在4 a、8 a左右的周期振蕩，20世紀(jì)90年代之前人體舒適日數(shù)主要以4 a、8—10 a周期振蕩為主，振蕩周期在80年代最明顯，振蕩最強(qiáng)；90年代振蕩周期不明顯；2000年以后主要以7—8 a左右的周期振蕩為主，2—4 a周期次之。

圖4 1971—2018年陜西省人體舒適日數(shù)小波分析Fig.4 W avelet analysis of the number of human com fortable days from 1971 to 2018 in Shaanxi province

利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)方法對1971—2018年陜西省舒適日數(shù)序列的突變狀況進(jìn)行檢驗(yàn)（圖略）。自1971年以來，t統(tǒng)計(jì)量有一處超過0.01顯著性水平，出現(xiàn)在1996—1997年，說明陜西省人體舒適日數(shù)在近48 a中，出現(xiàn)過一次較為明顯的突變，1997年左右人體舒適日數(shù)發(fā)生了顯著的增長，這與前面累積距平分析的結(jié)果基本一致。陜西三個(gè)地區(qū)舒適日數(shù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)顯示（圖略），三個(gè)地區(qū)在1997年左右均出現(xiàn)了突變點(diǎn)，這與陜西全省的突變時(shí)間基本一致，總體突變呈增加趨勢；陜北地區(qū)2004年出現(xiàn)了正顯著的突變點(diǎn)，說明2004年以后陜北地區(qū)人體舒適日數(shù)有減少趨勢，關(guān)中地區(qū)在2005年出現(xiàn)了負(fù)顯著突變點(diǎn)，說明2005年以后關(guān)中地區(qū)人體舒適日數(shù)呈現(xiàn)更顯著的增加趨勢。

2.3 人體舒適日數(shù)空間分布

2.3.1 統(tǒng)計(jì)特征

由1971—2018年陜西省人體舒適度日數(shù)及線性傾向率空間分布可知（圖5），陜西全省人體舒適日數(shù)呈現(xiàn)南多北少的空間分布特征，陜南漢中和安康地區(qū)最多，舒適日數(shù)大多在140 d以上，其中安康的嵐皋最多為195 d；其次為陜南商洛和關(guān)中中部地區(qū)，舒適日數(shù)在120 d以上；最少為陜北西部和南部山區(qū)以及關(guān)中地區(qū)的太白和華山兩個(gè)高山地區(qū)，舒適日數(shù)均在120 d以下。從四季分布來看（圖略），陜西省的人體舒適日數(shù)主要集中在夏季，春、秋季次之，冬季最少。春季人體舒適日數(shù)的大值區(qū)主要分布在陜南西南部、關(guān)中中部（西安地區(qū)），秋季大致與春季分布相同。夏季人體舒適日數(shù)主要分布在陜北中東部、關(guān)中和陜南大部分地區(qū)。冬季則僅在陜南安康東南部地區(qū)有舒適日數(shù)分布，陜西全省絕大多數(shù)地區(qū)均無舒適日數(shù)。

圖5 1971—2018年陜西省年人體舒適日數(shù)（a）及線性傾向率（b）空間分布Fig.5 The spatial distributions of the number of human com fortable days and its trend in Shaanxi province from 1971 to 2018

圖5b為1971—2018年陜西全省各地舒適日數(shù)年變化傾向率，可以看出，陜西全省80%的地區(qū)人體舒適日數(shù)均呈增長趨勢，其中關(guān)中地區(qū)、商洛東部和安康東部地區(qū)增長趨勢較為顯著，線性傾向率在0.5 d·a-1以上，太白縣最大，為1.558 d·a-1。僅榆林北部、延安北部和安康西部部分地區(qū)人體舒適日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，其中延長縣減少最為顯著，傾向率為-0.245 d·a-1。

2.3.2 EOF分析

對1971—2018年陜西省各站歷年人體舒適日數(shù)資料作EOF分解，以便更清楚地分析陜西全省人體舒適日數(shù)的空間變化特征。表3為前3個(gè)特征向量場的特征值和方差貢獻(xiàn)率，前3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)68.64%。圖6為陜西省人體舒適日數(shù)EOF分析的前3個(gè)特征向量的分布，反映了陜西地區(qū)人體舒適日數(shù)幾種主要的空間分布特征。第一特征向量全區(qū)域一致為正，表明陜西省年均人體舒適日數(shù)異常分布在陜西全省的一致性。高值集中在 關(guān)中地區(qū)，其他地區(qū)向量值則較小，表明人體舒適日數(shù)的主要異常分布區(qū)域。第二特征向量表現(xiàn)為陜北東部和其他地區(qū)反位向變化的空間分布特征，突出反映了陜北東部地區(qū)和陜西全省其他地區(qū)人體舒適日數(shù)分布特征的差異。第三個(gè)特征向量呈南北反位向分布型，其中正值包括陜北及關(guān)中西、北部和陜南商洛地區(qū)，而負(fù)值包括關(guān)中中部和陜南漢中、安康地區(qū)，反映出陜西南北部人體舒適日數(shù)的差異。

表3 1971—2018年陜西省人體舒適日數(shù)EOF分析前3個(gè)特征向量場的方差貢獻(xiàn)Table 3 Variance contribution of the first three eigenvectors of the EOF analysis on human com fortable days in Shaanxi province from 1971 to 2018

圖6 1971—2018年陜西省人體舒適日數(shù)EOF分析第一（a）、第二（b）、第三（c）特征向量的空間分布Fig.6 Spatial distributions of the first three eigenvectors of the EOF analysis on the number of human com fortable days in Shaanxi province from 1971 to 2018

2.4 人體不舒適日數(shù)變化

2.4.1 年變化及趨勢

從陜西省人體不舒適日數(shù)變化趨勢可知（圖7a），陜西全省不舒適日數(shù)變化整體呈顯著的下降趨勢，傾向率為-0.548 d·a-1，通過了95%的信度檢驗(yàn)。陜西全省人體不舒適主要表現(xiàn)為冷不舒適（圖7b），陜西全省多年冷不舒適日數(shù)平均為230.8 d，熱不舒適日數(shù)僅為0.5 d。冷不舒適和熱不舒適日數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢，其中冷不舒適日數(shù)減少較為顯著，減少趨勢為0.535 d·a-1。造成這一變化趨勢的主要原因?yàn)闅鉁貙θ梭w舒適度指數(shù)的影響較大。由于陜西省多年平均氣溫與冬季平均氣溫均表現(xiàn)為顯著的升高趨勢，使陜西省冷不舒適日數(shù)減少；夏季平均氣溫北部升高，南部降低［20］，而陜北地區(qū)熱不舒適日數(shù)本就很少，因此整體上熱不舒適日數(shù)也呈減少趨勢。

圖7 1971—2018年陜西省人體不舒適日數(shù)（a）及冷、熱不舒適日數(shù)（b）年變化Fig.7 Interannual variations of the number of human uncom fortable days，cold uncom fortable days（a），and thermal uncom fortable days（b）in Shaanxi province from 1971 to 2018

1971—2018年陜西省各地區(qū)不舒適日數(shù)變化也呈減少趨勢（表4），關(guān)中地區(qū)減少趨勢最為顯著，傾向率為-0.708 d·a-1，陜南次之為-0.479 d·a-1，陜北地區(qū)減少趨勢最弱，為-0.343 d·a-1。各地區(qū)熱不舒適日數(shù)均很少，變化趨勢并不顯著，陜南和關(guān) 中地區(qū)表現(xiàn)為微弱的減少趨勢。

表4 1971—2018年陜西省人體不舒適日數(shù)年變化Table 4 Interannual variation of the number of human uncom fortable days in Shaanxi province from 1971 to 2018

2.4.2 空間分布

從1971—2018年陜西省人體不舒適日數(shù)空間分布可知（圖8），陜西省人體不舒適主要表現(xiàn)為冷不舒適，呈北多南少的空間分布，陜北西北部、南部山區(qū)和關(guān)中的太白和華山兩個(gè)高山區(qū)全年不舒適日數(shù)較多，在250 d以上，寒冷日數(shù)在65 d以上，冷日數(shù)在80 d以上。陜西全省大部分地區(qū)無熱不舒適日數(shù)，僅在陜南的漢中和安康地區(qū)及關(guān)中的西安的少數(shù)區(qū)縣出現(xiàn)熱不舒適。

圖8 1971—2018年陜西省人體冷不舒適（a）和熱不舒適日數(shù)（b）空間分布Fig.8 The spatial distributions of the number of human thermal uncom fortable days and cold uncom fortable days in Shaanxi province from 1971 to 2018

從陜西全省不舒適日數(shù)年變化傾向率空間分布圖來看（圖略），陜西全省大部分地區(qū)人體不舒適日數(shù)均呈減少趨勢，其中關(guān)中大部、商洛東部和安康東部地區(qū)減少趨勢較為顯著，線性傾向率大多小于-0.5 d·a-1，其中平利縣減少趨勢最顯著，為-1.573 d·a-1。陜北東部和陜南中部部分地區(qū)人體舒適日數(shù)呈增加趨勢，其中嵐皋縣增加最為顯著，傾向率為0.267 d·a-1。

3 結(jié)論與討論

（1）1971—2018年陜西全省大部分時(shí)間體感狀態(tài)為從冷到舒適，日數(shù)占85.2%。冷日數(shù)占比最大，達(dá)25.7%，其次為舒適和涼，分別占比24.0%和23.7%，體感狀態(tài)為暖和以上日數(shù)較少，無炎熱和酷熱天氣。

（2）1971—2018年陜西省年平均人體舒適日數(shù)為132 d，呈顯著上升趨勢，線性傾向率為0.524 d·a-1，四季中春、夏兩季人體舒適日數(shù)增加最為顯著。人體舒適日數(shù)存在準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)8 a的振蕩周期，滑動(dòng)T檢驗(yàn)表明陜西省的人體舒適日數(shù)在1997年左右發(fā)生了明顯的突變。陜西全省3—11月均存在舒適日，舒適日數(shù)主要分布在5—9月，陜北7—8月舒適日數(shù)較多，關(guān)中6—8月舒適日數(shù)較多，陜南6—9月舒適日數(shù)較多。

（3）從空間分布來看，陜西省年人體舒適日數(shù)呈現(xiàn)南多北少的空間分布特征，陜南漢中和安康地區(qū)最多。人體舒適度日數(shù)EOF分析結(jié)果顯示，年均人體舒適日數(shù)異常分布在陜西全省存在一致性，且異常分布高值集中在關(guān)中地區(qū)。陜西全省80%的地區(qū)人體舒適日數(shù)均呈增長趨勢，其中關(guān)中地區(qū)、商洛東部和安康東部地區(qū)增長趨勢較為顯著，線性傾向率在0.5 d·a-1以上。

（4）陜西全省不舒適日數(shù)變化呈顯著下降趨勢，傾向率為-0.548 d·a-1，冷不舒適和熱不舒適日數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢，減少趨勢分別為-0.535 d·a-1和-0.013 d·a-1。陜西省人體不舒適主要表現(xiàn)為冷不舒適，人體冷不舒適主要分布在陜北西北部、南部山區(qū)和關(guān)中的太白和華山兩個(gè)高山區(qū)，全年冷不舒適日數(shù)在250 d以上。陜西全省大部分地區(qū)人體不舒適日數(shù)均呈減少趨勢，其中關(guān)中大部、商洛東部和安康東部地區(qū)減少趨勢較為顯著，線性傾向率大多小于-0.5 d·a-1。

（5）本文采用的是目前應(yīng)用比較廣泛的人體舒適度指數(shù)，其計(jì)算主要考慮氣溫、濕度和風(fēng)速三大氣象要素，但造成人體感覺舒適與否的因素除了這幾項(xiàng)氣象要素外，還與太陽輻射、氣壓、降水等其他氣象要素有關(guān)，也受城市發(fā)展等社會(huì)因素影響，所以本文采用的計(jì)算公式本身考慮不夠全面，所得出的結(jié)論也會(huì)存在一些不足。因此，在今后的研究應(yīng)考慮多種因素綜合影響，建立更加完善的人體舒適度指標(biāo)，客觀的對人體舒適度進(jìn)行較深入的對比分析，從而可以更好地指導(dǎo)人們的生活和工作。