貴陽地區(qū)人體舒適度指數(shù)變化特征分析

彭科曼，陳海鳳，周博揚(yáng)，李 揚(yáng)

(貴州省貴陽市氣象臺，貴州 貴陽 550001)

1 引言

人體舒適度是依據(jù)人類機(jī)體和大氣之間的熱量交換而確定的一項生物氣象指標(biāo)，是從氣象學(xué)的角度來評價在不同氣候條件下人的舒適程度。它不僅直接影響人們的日常生活，還對旅游、生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域都有影響。目前，我國多地的氣象部門都對人體舒適度進(jìn)行了一定的研究，如：石春娥等[1]深入探究了對于人體舒適度指數(shù)的預(yù)報；閔俊杰等[2]對南京地區(qū)的人體舒適度指數(shù)和氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析；于庚康等[3]對江蘇地區(qū)人體舒適度指數(shù)的變化特征進(jìn)行了研究；趙群劍等[4]將水城與729個臺站的夏季人體舒適度及氣溫進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)水城在夏季是全國最涼爽舒適的城市。這些研究說明人們對于人體舒適度的研究非常重視。

貴州的省會城市貴陽是一座“山中有城，城里有山，林在城里，城在林中”的現(xiàn)代化都市，以得天獨(dú)厚的氣候優(yōu)勢，問鼎過“中國十大避暑旅游城市”榜首，榮獲過“中國避暑之都”的稱號[5]。貴陽良好的氣候資源每年都吸引著大量的中外游客前來游玩，但目前人們對貴陽地區(qū)的人體舒適度研究還較少，因此本文通過分析貴陽地區(qū)的氣候特征、人體舒適度指數(shù)的時空分布特征以及各氣象要素與人體舒適度指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，以期能為當(dāng)?shù)氐穆糜螛I(yè)發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)，從而為貴陽創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2 資料與方法

2.1 資料

本文對貴陽地區(qū)8個國家級地面觀測站(圖1)1987—2016年的逐日地面觀測資料來進(jìn)行分析。根據(jù)地理位置將貴陽地區(qū)劃分為北部、中部和南部3個區(qū)域來研究，包含的國家級地面觀測站點(diǎn)見表1。

圖1 貴陽地區(qū)各站點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution of stations in Guiyang

區(qū)域站數(shù)/個站名北部3修文、息烽、開陽中部4清鎮(zhèn)、白云、貴陽、烏當(dāng)南部1花溪

2.2 研究方法

2.2.1 利用統(tǒng)計分析、相關(guān)分析等方法來分析氣象要素的氣候特征以及人體舒適度的時空分布特征。

2.2.2 通徑分析法 采用通徑分析法來探討各氣象要素與人體舒適度指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

通徑分析是建立在多元回歸的基礎(chǔ)上形成的一種多元統(tǒng)計技術(shù)，它把相關(guān)系數(shù)分解成為直接通徑系數(shù)與間接通徑系數(shù)，直接通徑系數(shù)用來表示某一自變量對因變量的直接效應(yīng)，間接通徑系數(shù)是指某一自變量通過其他變量對因變量的間接效應(yīng)來反映該自變量和因變量之間的關(guān)系。

對自變量和因變量進(jìn)行相關(guān)分析，求得相關(guān)系數(shù)以后，建立通徑系數(shù)的方程組，通過求解方程組，便可得到各自變量的直接通徑系數(shù)aj，再計算每一個自變量xj通過其他變量xk對因變量y的間接通徑系數(shù)rkjak(j≠k)。

a1+r12a2+r13a3=r1

(1)

r21a1+a2+r23a3=r2

(2)

r31a1+r32a2+a3=r3

(3)

其中aj是直接通徑系數(shù)；rkj是各自變量間的相關(guān)系數(shù)；rkjak是間接通徑系數(shù)；rj是自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)。[3]

3 貴陽地區(qū)的氣候特征分析

3.1 氣溫

根據(jù)1987—2016年貴陽地區(qū)的月平均氣溫資料(表2)來看，貴陽地區(qū)的氣溫分布存在南北差異，南部最高，中部次之，北部最低。從各月氣溫分布來看，每月的平均氣溫均高于0 ℃。12月—次年2月的月平均氣溫較低，均在10 ℃以下；其中，1月平均氣溫為全年最低，均低于5 ℃。3—5月是由冷到熱的過渡時期，月平均氣溫呈線性回升；6—8月的月平均氣溫均在20～25 ℃之間，其中7月的平均氣溫均為全年最高，均高于23 ℃；9—11月是從熱到冷的過渡時期，月平均氣溫逐月降低。

表2 1987—2016年貴陽地區(qū)月平均氣溫 (單位：℃)

3.2 相對濕度

相對濕度是衡量人體舒適度的指標(biāo)之一，由表3可知，貴陽各地的各月平均相對濕度變化較小，各月的平均相對濕度都很大，均在75%以上，這與貴陽常受來自孟加拉灣的西南暖濕氣流和南海的偏南氣流影響有關(guān)。其中，全年最濕潤的月份為1月份。

表3 1987—2016年貴陽地區(qū)月平均相對濕度 (單位：%)

3.3 風(fēng)速

風(fēng)速是影響人體舒適度的另一個指標(biāo)。一般情況下，吹風(fēng)能促進(jìn)熱量散失，從而影響人體的熱代謝。由表4可以看出，貴陽各地的月平均風(fēng)速均分布在1.5～2.5 m/s之間，空間分布差異不大。

表4 1987—2016年貴陽地區(qū)月平均風(fēng)速 (單位：m/s)

4 貴陽市人體舒適度指數(shù)的特征分布

本文選用了我國氣象臺站常用的人體舒適度指數(shù)經(jīng)驗公式[6]來進(jìn)行計算，具體公式為：

其中，Z是人體舒適度指數(shù)，T是氣溫(℃)，RH是相對濕度(%)，V是平均風(fēng)速(m/s)，常數(shù)1.8是攝氏溫度和華氏溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，常數(shù)-0.55和-3.2是通過試驗推導(dǎo)而得到的。該公式將人體舒適度指數(shù)劃分為9個等級(表5)

4.1 人體舒適度指數(shù)的年際變化

從圖2可以看出，近30 a來，全市年平均人體舒適度指數(shù)存在著比較明顯的年際變化，振蕩周期大約是3～4 a。從趨勢線來看，全市人體舒適度指數(shù)呈緩慢上升趨勢，上升趨勢不是很明顯。其中，1987—2007年呈波動上升趨勢，在1998年達(dá)到峰值，2007—2012年為下降趨勢，2012年為低谷，2013年以后又迅速上升。

表5 人體舒適度指數(shù)的等級劃分Tab.5 The grades of comfort index of human

圖2 1987—2016年貴陽地區(qū)人體舒適度指數(shù)的年際變化Fig.2 The annual variation of comfort index of human in Guiyang from 1987 to 2016

貴陽各地的人體舒適度指數(shù)分布大體在51～58之間，屬于-1等級(涼爽、較舒適)。全市人體舒適度指數(shù)南北之間存在著一定的差異，總體來看，南部的人體舒適度指數(shù)最高，中部次之，北部最低，其中2000—2010年，中北部和全市平均的人體舒適度指數(shù)較為接近，與南部差異較大。

4.2 人體舒適度指數(shù)的季節(jié)變化

從圖3來看，夏季的人體舒適度指數(shù)最高，為0等級，是最為舒適的等級，為全年最佳的旅游季節(jié)；冬季最低，在35～40.9之間，為-3等級(冷，很不舒適)；春、秋兩季差異不大，均在51～60.9之間，為-1等級(涼爽，較舒適)。從空間分布來看，四季中，人體舒適度指數(shù)分布為南部>中部>北部。

圖3 1987—2016年貴陽地區(qū)人體舒適度指數(shù)的季節(jié)變化Fig.3 The seasonal variation of comfort index of human in Guiyang from 1987 to 2016

4.3 人體舒適度的月際變化

表6 1987—2016年貴陽地區(qū)人體舒適度指數(shù)的月際變化Tab.6 The monthly variation of comfort index of human in Guiyang from 1987 to 2016

從表6中可以看出，貴陽各區(qū)域各月的人體舒適度指數(shù)均在30～70之間，其中1月人體舒適度指數(shù)最低，舒適等級均為-3，天氣較冷，很不舒適，之后，舒適度指數(shù)逐月提升，4月開始，舒適度指數(shù)上升到-1等級，6—9月，各區(qū)域的舒適等級均為0，為舒適度最高的月份；10月以后，各區(qū)域的舒適等級又逐月降低。從空間分布來看，也是南部的人體舒適度指數(shù)最高，中部次之，北部最低。綜上所述，4—10月，來貴陽各地旅游都較為舒適，尤其是在6—9月，貴陽各地的人體舒適度指數(shù)為全年最佳，等級為0，最為舒適。

5 通徑分析

由于影響人體舒適度指數(shù)的各因子之間相互制約、相互作用，因此本文采用通徑分析法來估算氣溫、相對濕度和風(fēng)速這3個影響因子與人體舒適度指數(shù)之間的線性關(guān)系。

表7 人體舒適度指數(shù)與各氣象要素的通徑系數(shù)(用年均值計算)Tab.7 The path coefficients of comfort index of human and each influence factor

由表7可以看出，氣溫與人體舒適度指數(shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，相對濕度、風(fēng)速與人體舒適度指數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，3個影響因子中，氣溫對人體舒適度指數(shù)的影響作用最為顯著。從數(shù)據(jù)可以看出，氣溫的直接通徑系數(shù)為0.993，為正值且絕對值最大，通過相對濕度和風(fēng)速的間接通徑系數(shù)均較小，說明氣溫對人體舒適度指數(shù)主要為直接影響，影響最大且為正效應(yīng)；相對濕度的直接通徑系數(shù)比較小，說明相對濕度對人體舒適度指數(shù)的直接影響較小，但它通過氣溫對人體舒適度指數(shù)的間接通徑系數(shù)的絕對值較大，說明相對濕度對人體舒適度指數(shù)的負(fù)影響主要是通過氣溫間接產(chǎn)生的；風(fēng)速的直接通徑系數(shù)為-0.315，間接通徑系數(shù)的總和為0.141 612，因此風(fēng)速對人體舒適度指數(shù)的影響為負(fù)效應(yīng)。

6 結(jié)論

①貴陽地區(qū)的氣溫分布存在南北差異，南部最高，中部次之，北部最低；1月平均氣溫為全年最低，均低于5 ℃，7月平均氣溫均為全年最高，均高于23 ℃。貴陽各地的各月平均相對濕度變化較小，各月的平均相對濕度都很大，均在75%以上。貴陽各地的月平均風(fēng)速均分布在1.5～2.5 m/s之間，空間分布差異不大。

②從年際變化來看，貴陽地區(qū)的年均人體舒適度指數(shù)大體在51～58之間，屬于-1等級，比較舒適。從季節(jié)變化來看，夏季的人體舒適度指數(shù)最高，等級為0，為全年最佳的旅游季節(jié)；冬季的人體舒適度指數(shù)最低，等級為-3；春、秋兩季差異不大，比較舒適。從月際變化來看，4—10月，貴陽各地旅游都較為舒適，尤其是在6—9月，貴陽各地的人體舒適度指數(shù)為全年最佳，最為舒適。從空間分布來看，人體舒適度指數(shù)為南部>中部>北部。

③氣溫與人體舒適度指數(shù)為明顯的正相關(guān)關(guān)系，相對濕度、風(fēng)速與人體舒適度指數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，3個影響因子中，氣溫對人體舒適度指數(shù)的影響作用最為顯著。氣溫對人體舒適度指數(shù)主要為直接影響，影響最大且為正效應(yīng)；相對濕度對人體舒適度指數(shù)的直接影響較小，主要是通過氣溫間接產(chǎn)生負(fù)影響；風(fēng)速對人體舒適度指數(shù)的直接影響大于間接影響，且為負(fù)影響。