氣候變化對廣東省氣候適宜度的影響

沈平，張光宇，張永華，高建秋

（1.廣東省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州510640；2.廣東省氣象臺，廣東廣州510640；3.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州510640）

氣候舒適度是建立在人類機體與近地大氣之間熱交換原理的基礎(chǔ)上，從氣象角度評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項生物氣象指標［1］。隨著人類生活水平的提高，對氣候舒適性的關(guān)注度也日漸升高，舒適度已成為人們選擇出行、居住、旅行等考慮的重要因素之一。

由于氣候舒適度是城市環(huán)境氣象服務(wù)中重要內(nèi)容之一，國內(nèi)外學(xué)者早在20世紀30年代就致力于舒適度模型的研究。舒適度評價方法所用原理多為將氣象數(shù)據(jù)代入舒適度模型計算出體感溫度值作定量的分析，常用的舒適度計算模型有溫濕指數(shù)、舒適指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)等［2］。國內(nèi)學(xué)者圍繞氣候舒適性做了大量研究，蔡磊等［3］利用多種常用舒適度指數(shù)對比分析了馬鞍山市生態(tài)旅游氣候舒適度；曹云等［4］分析了近50年京津冀氣候舒適度的區(qū)域時空特征；曾志雄等［5］分析了從化地區(qū)氣候舒適度并針對性地提出旅游開發(fā)建議。上述模型多基于經(jīng)驗建立公式，使用局限性較大。科學(xué)的進步加快了多學(xué)科交叉融合的步伐，促使人體熱量傳輸與能量代謝過程的精準全面描述。在世界氣象組織（WMO）氣候?qū)W委員會的倡導(dǎo)下，2009年23個國家45位科學(xué)家共同建立了一個基于多結(jié)合點模型的通用熱氣候指 數(shù) （universal thermal climate index，UTCI）［6］，用以優(yōu)化舒適度評價方法。國外學(xué)者就UTCI評價方法做了大量的研究應(yīng)用與驗證［7-9］。近10年，國內(nèi)學(xué)者也進行了相應(yīng)的研究應(yīng)用，孔欽欽等［10］利用UTCI指數(shù)分析1979—2014年中國氣候舒適度空間格局及時空變化；唐進時等［11］利用UTCI指數(shù)評價中國南方14個城市夏季舒適度。本研究采用UTCI指標，基于ArcGIS分析研究氣候突變前后廣東省各地舒適度空間格局及時空特征變化。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用廣東省數(shù)據(jù)探測中心提供的86個氣象站1977—2016年40年的逐時平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速及日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)由廣東省氣候中心提供廣東省1：25萬數(shù)值高程模型數(shù)據(jù)和廣東省1：25萬分縣行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

UTCI指標是當(dāng)前最具普適性的人體舒適度指標，其標準參考環(huán)境包括氣候條件和人體活動水平兩部分。完整版的UTCI模型對專業(yè)知識和技術(shù)水平要求較高，運算繁瑣耗時較長（見圖1）。

圖1 通用熱氣候指數(shù)（UTCI）模型示意圖

為了便于廣泛應(yīng)用，建立了四維查詢表，實際應(yīng)用中可通過查表獲得UTCI值。UTCI模型的核心運算是對氣溫、風(fēng)速、水汽壓和平均輻射溫度進行6階多項式擬合，并建立統(tǒng)計關(guān)系［12］。

其中，ta為2 m氣溫（℃）；v為10 m風(fēng)速（m／s）；pa為水汽壓（hPa）；tr為平均輻射溫度（℃）。水汽壓pa由露點溫度td（℃）計算而得：

平均輻射溫度tr可通過hybrid radiation model模型［13］進行估計：

其中，Rprim為裸體吸收的太陽輻射通量密度（W／m2），可利用SolAlt模型計算；Lg和La分別為地表和大氣的長波輻射通量密度（W／m2），可分別由地表溫度tg和2 m氣溫ta計算而得：

本研究UTCT值是通過BioKlima2.6軟件實現(xiàn)。依據(jù)人體的生理響應(yīng)，UTCI熱應(yīng)力被分為10個等級，通過計算得出的廣東省UTCI主要分布在9～26℃無熱應(yīng)力范圍內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

廣東地處低緯，面臨廣闊的海洋，屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬天平均氣溫不低于4～5℃，大致在10℃左右，全年平均氣溫在25℃左右。UTCI分級標準（表略）是在面積較大的前提下進行的，如果按照UTCI既定分級標準，廣東絕大部分區(qū)域都處于無熱應(yīng)力范圍內(nèi)，為了精細化廣東氣候舒適度分布，本研究僅對廣東省UTCI值按大小進行細分。分別提取06：00、12：00、18：00、24：00（北京時，下同）共4個時次的氣溫、濕度、風(fēng)速等氣象要素計算1 d 4次UTCI值，之后求平均得出UTCI日均值、年均值。UTCI主要用于評價氣候舒適性，該指標由溫度、風(fēng)速、濕度和輻射4個氣象因子計算得到，其中溫度是評價舒適性重要指標，也是研究氣候變化的關(guān)鍵因子。有學(xué)者對廣東省1961—2016年平均氣溫變化進行分析，得出近52年華南地區(qū)的年平均氣溫于1997年發(fā)生突變［14］，因此，本研究以1997年為界，計算突變前后UTCI的季平均值和年平均值并分析其變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化前后廣東省年UTCI空間分布

氣候變化前后廣東省年UTCI的空間分布（圖2）差異較顯著。突變后UTCI＜14的面積較突變前減少了0.34×104km2，減少部分主要集中在蓮花山脈一帶；UTCI在14～16范圍內(nèi)的面積減少了約4%，主要分布在粵東沿海地區(qū)；UTCI在16～18范圍內(nèi)的面積略有增加，＞18的面積增加較明顯，主要分布在珠江口以西的江門、中山等地區(qū)。

圖2 氣候變化前（a）和后（b）廣東省年UTCI分布

2.2 氣候變化前后廣東省季UTCI空間分布

對比氣候變化前后廣東春、夏、秋、冬4季UTCI分布情況（圖3和圖4），可以看出，春季UTCI＜15℃的區(qū)域略有縮小，集中體現(xiàn)在粵東地區(qū)；15.0～16.5和16.5～18.0兩個區(qū)域面積均有增加，分別增加了0.79×104和0.13×104km2；＞18的區(qū)域向西南方向縮減，主要體現(xiàn)在肇慶、清遠地區(qū)，面積減少了0.4×104km2。夏季UTCI變化趨勢比較明朗，氣候突變后UTCI＜19.0、19.0～21.5、21.5～24.0三個范圍內(nèi)的面積均有不同程度縮減，分別減少了0.27×104、0.3×104和0.23×104km2。UTCI＞24的面積增加了4.62%，粵東地區(qū)和珠江口以西沿海地區(qū)變化最顯著。秋季UTCI劃分標準與春季相同，但氣候突變前后秋季UTCI變化較春季明顯。1997年之后UTCI在 ＜15.0、15.0～16.5、16.5～18.0這3個范圍內(nèi)都有不同程度的縮減，區(qū)域面積分別減少了0.91×104、1.7×104和1.0×104km2，UTCI＞18的區(qū)域面積增加了3.6×104km2，主要體現(xiàn)在粵東地區(qū)、珠江口兩側(cè)以及江門、云浮、肇慶等地。1997年前后冬季UTCI值分布差異較大，氣候突變前UTCI＜5.5的區(qū)域在粵北山區(qū)、蓮花山脈一帶和南澳島均有分布，氣候突變后僅粵北山區(qū)零星分布，面積減少至氣候突變前的1／2?；洊|和粵北偏東地區(qū)的UTCI值由1997年前的5.5～7.5升高至7.5～9.5。UTCI＞9.5的區(qū)域在突變后有增加趨勢，增加了3.45%，集中體現(xiàn)在粵西地區(qū)。

圖3 氣候突變前（1977—1996年）廣東省四季UTCI分布

圖4 氣候突變后（1997—2016年）廣東省四季UTCI分布

3 結(jié)論

廣東省年平均UTCI呈經(jīng)向分布，西高東低，東北部地區(qū)受地形影響，山區(qū)UTCI明顯偏低。氣候突變前后年UTCI差異較明顯，突變后UTCI＜16的區(qū)域縮小了1.11×104km2，縮減區(qū)域主要集中在粵東沿海一帶和蓮花山脈一帶。廣東省季平均UTCI也呈經(jīng)向分布，氣候突變后四季UTCI均有增大趨勢，相比較而言，秋、冬差異更明顯，變化范圍主要集中在粵東沿海、蓮花山脈、珠江口以西、雷州半島等區(qū)域?？傮w而言，廣東省全年UTCI均處于無熱應(yīng)力范圍內(nèi)，氣候適宜度比較好，1997年后UTCI較大的區(qū)域面積增加明顯，UTCI最大值也在不斷增大，廣東省UTCI值有逐漸增長的趨勢。