1989—2018年京津冀地區(qū)人體舒適度的變化特征

張林林，陳鐵喜

（1.南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210044；2.南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京210036；3.南京市力人學(xué)校，江蘇 南京210036）

隨著全球變暖問題的日益嚴(yán)重，氣候問題受到越來越多的關(guān)注.同時，科學(xué)技術(shù)的進步使人們生活水平不斷提高，人們不再滿足于獲取溫度和風(fēng)速等簡單的氣象因子，對天氣信息預(yù)報等氣象服務(wù)業(yè)的要求不斷提高，這也是當(dāng)前我國發(fā)展的外部條件和基本要求[1].人體舒適度指數(shù)（comfort of human body index，ICHB）用于表征人體對空氣環(huán)境感覺舒服的程度，即無需借助消寒、避暑裝備和設(shè)施，保證一切行為正常進行的適宜氣候條件[2]，通常選擇氣溫、濕度和風(fēng)速這3個氣象要素來計算ICHB.國外對人體舒適度的研究經(jīng)歷了定性和定量2個階段，前期研究多為定性描述，如Houghton等[3]在1923年首次提出人體舒適度的概念；后期研究進入定量階段[4]，Jendritzky等[5]提出熱舒適度指數(shù)，考慮了一般城市人口對實際環(huán)境溫度穿著隔熱行為的適應(yīng)性，采用多節(jié)點人體生理和熱舒適模型進行定量分析.近年來，人體舒適度的相關(guān)研究多基于計算機技術(shù)，建立統(tǒng)計歸納模型.我國自20世紀(jì)80年代中期才開始對人體舒適度進行一些定性描述[6].錢妙芬等[7]以舒適和清潔為原則，采用幾何平均法，根據(jù)宜人度和舒適指數(shù)，建立了“氣候宜人度”的數(shù)學(xué)模型.龍良碧等[8]研究了ICHB的影響因素，包括氣溫、風(fēng)速和城市綠化等.目前，國內(nèi)學(xué)者構(gòu)建了許多人體舒適度模型，如馬麗君等[9-10]和孫根年等[11]構(gòu)建的旅游氣候舒適度綜合評價模型.在氣象預(yù)報中，人體舒適度指數(shù)成為最重要的指標(biāo)之一.

京津冀地區(qū)地處中國的東部，華北平原之上，位于環(huán)渤海心臟地帶，是中國北部最大的城市群，包括首都北京市、直轄市天津市以及河北省大部分地區(qū).近年來，該地域一體化進程加快，區(qū)域內(nèi)相互融合、協(xié)同發(fā)展，經(jīng)濟活力輻射整個華北地區(qū)[12-14].同時，該地區(qū)人口稠密，城市相鄰，各城市間存在大量的人口流動和遷移[15]，而人體舒適程度可以潛在地影響人口的空間流動和分布.目前關(guān)于京津冀地區(qū)人體舒適度的研究相對較少，因此本研究基于京津冀地區(qū)1989—2018年的氣象數(shù)據(jù)，采用溫度、濕度和風(fēng)速3個氣象因子計算人體舒適度指數(shù)ICHB，并通過線性趨勢分析法和通徑分析法[16]研究全球變暖大背景下京津冀地區(qū)ICHB的時空分布特征，為京津冀地區(qū)旅游和居住環(huán)境的選擇以及豐富氣象要素的預(yù)報提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)為京津冀地區(qū)，包括北京市、天津市和河北省11個地級市，研究區(qū)行政區(qū)劃分和氣象站點分布情況如圖1所示.京津冀地區(qū)位于東經(jīng)113°27′~119°50′，北緯36°05′~42°40′，地勢西北高、東南低，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，大部分地區(qū)四季分明.研究區(qū)包括24個基本氣象站，研究期為1989—2018年，選取溫度、濕度和風(fēng)速3個氣象要素的月平均值，數(shù)據(jù)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站（http：//data.cma.cn/）.

圖1 京津冀地區(qū)行政區(qū)和氣象站點示意圖Fig.1 Map of the Beijing-Tianjin-Hebei regional administrative map and meteorological site

1.2 人體舒適度模型

自人體舒適度指數(shù)的概念被提出后，各國學(xué)者建立了多種評價指標(biāo)用于表征人體舒適度，如體感溫度[17]、炎熱指數(shù)[18]、紫外線指數(shù)和穿衣指數(shù)[19]等.我國幅員遼闊，各地氣候差異顯著，因此，本研究選取近年來國內(nèi)研究比較通用的KSSD公式[20-21]：

式（1）中：T為攝氏溫度；RH為相對濕度百分比；V為風(fēng)速.根據(jù)國家氣象局規(guī)定，將ICHB劃分為9個級別，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 我國ICHB等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Ranks standard of ICHB in China

基于京津冀地區(qū)溫度、濕度和風(fēng)速的月均數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）計算近30 a研究區(qū)所有氣象站點逐月的ICHB，平均后得到30年間京津冀地區(qū)每月的ICHB和四季的ICHB，在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS空間分析模塊，采用克里金插值法將京津冀地區(qū)近30年四季的ICHB插值為0.025 °×0.025 °的人體舒適度空間分布圖.以春季為每年的3~5月份、夏季為6~8月份、秋季為9~11月份、冬季為當(dāng)年12月份~次年2月份作為四季的劃分標(biāo)準(zhǔn).

1.3 通徑分析法

通徑分析法是一種分析多個自變量對因變量影響程度的相關(guān)分析方法[22].基于多元回歸，分解相關(guān)系數(shù)，通過直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)分別表示某一變量對因變量的直接影響，并通過其他變量對因變量的間接效應(yīng)反映自變量與因變量之間的關(guān)系.對于自變量X1，X2，…，Xk和因變量Y，存在多元回歸方程Y=a0+a1X1+a2X2+…+ak Xk，通過最小二乘法得到參數(shù)估計值a0，a1，…，ak，定義Xi到Y(jié)的通徑系數(shù)Piy為自變量Xi的標(biāo)準(zhǔn)差與因變量Y的標(biāo)準(zhǔn)差之比：

式（2）中：σxi為自變量Xi的標(biāo)準(zhǔn)差；σy為因變量Y的標(biāo)準(zhǔn)差.將自變量Xi與因變量Y的相關(guān)系數(shù)riy分解為兩部分riy=Piy+∑rijPjy，i=1，2，…，k，j=1，2，…，k，i≠j.通徑系數(shù)Piy為自變量Xi對因變量Y的直接影響，∑rijPjy為自變量Xi通過其他自變量對因變量Y的間接影響.

在通徑分析法中，可利用SAS、SPSS和Excel等軟件進行分析[23].本研究在Excel中計算相關(guān)系數(shù)，并建立通徑系數(shù)方程組[24]

式（3）中：rij為各自變量間的相關(guān)系數(shù)，ri為自變量與因變量間的相關(guān)系數(shù)，最后計算Xi通過Xj形成的間接通徑系數(shù)rij Pj（i≠j）[25].

1.4 一元回歸趨勢線法

趨勢線分析是對一組隨時間變化的變量進行回歸分析，預(yù)測其變化趨勢的方法.對多年數(shù)據(jù)逐像元ICHB值進行一元線性回歸，得到研究區(qū)內(nèi)ICHB隨時間的變化趨勢，即ICHB的年際變化，計算公式為

式（4）中：k為研究時間段內(nèi)的年數(shù)；ISlope>0表示ICHB呈增加趨勢，ISlope<0表示ICHB呈減小趨勢，ISlope=0表示ICHB沒有明顯變化.將1989—2018年京津冀地區(qū)每年的ICHB帶入式（4），計算出ISlope的變化空間分布情況.

2 結(jié)果與分析

2.1 人體舒適度指數(shù)多年平均空間分布特征

將式（1）所得24個站點ICHB數(shù)據(jù)載入ArcGIS后，利用克里金插值計算得到1989—2018年四季的ICHB，其分布情況如圖2所示.由圖2可知，京津冀地區(qū)ICHB的四季變化明顯，反映出該地區(qū)四季變化分明.由圖2（a）可知，春季京津冀地區(qū)中南部及南部、北京和天津的南部地區(qū)的ICHB為50~55，其他地區(qū)ICHB為38~50，春季河北省大部分地區(qū)人體感覺最舒適，而北京和天津北部地區(qū)人體感覺較涼，少部分人感到冷不舒服.夏季京津冀地區(qū)全境ICHB處于比較舒適的范圍，除邢臺市和邯鄲市，河北省南部ICHB等級為比較舒適，其他地區(qū)ICHB等級為舒適，絕大部分人感到舒適.秋季京津冀地區(qū)ICHB整體與春季時相似，變化較大的地區(qū)為張家口市和廊坊市.張家口市中部地區(qū)以及廊坊市中部和南部地區(qū)的人體舒適度指數(shù)由50~55變?yōu)?8~50，人體感覺變涼，少部分人感到不舒服.冬季河北省張家口市和承德市西北部地區(qū)的ICHB＜25，人體感覺寒冷，很不舒服且有很大的凍傷危險；河北省其他地區(qū)以及北京和天津全境的ICHB為25~38，人體感覺冷，絕大部分人不舒服，且有可能會凍傷.因此，冬季京津冀地區(qū)的人們要合理安排出行，預(yù)防凍傷以及禽流感和蕁麻疹等傳染病.

圖2 1989—2018年京津冀地區(qū)四季ICHB分布Fig.2 Distribution of four-season human climate comfort index in Beijing-Tianjin-Hebei region from 1989 to 2018

基于四季的ICHB數(shù)據(jù)，得到1989—2018年京津冀地區(qū)的平均ICHB，其分布情況如圖3所示.由圖3可以看出，京津冀地區(qū)半數(shù)地區(qū)（主要包括河北省中部和南部城市、天津市全境以及北京市中部和南部地區(qū)）的多年平均ICHB為50~55，屬于人體感覺舒適的范圍.整個研究區(qū)有1個低值中心在張家口西北部，該地區(qū)由于緯度位置高，多年平均人體舒適度指數(shù)為25~38，屬于冷不舒適級別，大部分人會感覺到不舒適.而石家莊市北部和保定市西部交界處以及張家口市、承德市和秦皇島市大部分地區(qū)的舒適度指數(shù)為38~50，人體感覺涼，少部分人感覺不舒服.

2.2 人體舒適度指數(shù)空間變化特征

1989—2018年京津冀地區(qū)ICHB的空間變化趨勢如圖4所示.

圖3 1989—2018年多年平均ICHB分布Fig.3 Distribution of average ICHB from 1989 to 2018

由圖4可以看出，過去30 a中，保定市東部地區(qū)以及邯鄲、邢臺市西部地區(qū)ICHB年際變化率沒有發(fā)生劇烈變化，但北京市中部、唐山市南部以及天津和滄州市東部地區(qū)ICHB的變化較為劇烈，呈上升趨勢，這與該地區(qū)快速的城市化進程有著密不可分的關(guān)系.相反，張家口市和秦皇島市東部以及承德市全境的ICHB為下降趨勢，這是因為該地區(qū)緯度和海拔均較高，導(dǎo)致溫度較低且呈下降趨勢，而溫度可能是該地區(qū)ICHB呈下降趨勢的潛在原因.

圖4 1989—2018年京津冀地區(qū)ICHB變化趨勢的空間分布Fig.4 Spatial distribution of ICHB trends in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 1989 to 2018

2.3 人體舒適度指數(shù)季節(jié)變化特征

1989—2018年，京津冀地區(qū)四季ICHB的變化趨勢如圖5所示.

由圖5可以看出，四季ICHB的變化范圍分別為47~53、67~70、47~53和26~33.其中，夏季ICHB最高，冬季最低.4個季節(jié)中，春、夏季的ICHB有顯著的上升趨勢，春季上升趨勢最明顯，線性趨勢達到0.058 a-1，夏季次之，為0.018 a-1.秋季多年ICHB基本保持穩(wěn)定，且振幅逐步減小，線性趨勢只有0.007 a-1，年際波動最小，說明秋季ICHB在研究期間比較穩(wěn)定.相反，冬季ICHB波動幅度最大，總體呈明顯下降趨勢，為-0.021a-1（P<0.05），京津冀地區(qū)冬季ICHB在2001年、2005年和2012年分別出現(xiàn)明顯的低谷，京津冀地區(qū)這3年冬季ICHB數(shù)值范圍為26~27，說明冬季京津冀地區(qū)人體感覺冷，大部分人感到冷不舒適，容易受到凍傷.

1989—2018年京津冀地區(qū)相對濕度、風(fēng)速、溫度和ICHB的年際變化趨勢如圖6所示.

由圖6可以看出，1989—2018年京津冀地區(qū)的相對濕度呈顯著下降趨勢，風(fēng)速呈顯著上升趨勢，相對濕度和風(fēng)速的變化率分別為-0.07 a-1（P<0.05）和3.81×10-3a-1（P<0.05），說明近30年來京津冀地區(qū)整體空氣表現(xiàn)變干，風(fēng)速變大.人體舒適度的研究表明，對人體健康最有利的相對濕度為60%~70%[26]，而人體最適宜的風(fēng)速為2 m/s，因此京津冀地區(qū)空氣變干和風(fēng)速變大可能會造成該地區(qū)人體感覺舒適程度下降.但同時溫度和ICHB均呈顯著上升趨勢（P<0.05），且具有相似的波動趨勢，二者年增長率分為0.011 a-1和0.014 a-1.近30年京津冀地區(qū)ICHB年際波動較大，平均ICHB上升了0.417，說明京津冀地區(qū)人體感覺舒適程度顯著上升.由圖6（d）可知，1998年ICHB的值為50.8，為近30年的最高值，ICHB等級為舒適；2000—2006年ICHB在平均值左右波動，變化趨于平穩(wěn)；2012年ICHB達到最低值，為48.2，ICHB等級也為較舒適，但冬季人體感覺微冷；2012年后，京津冀地區(qū)ICHB呈上升趨勢，且與溫度的波動趨勢一致，說明溫度是影響該地區(qū)ICHB的重要潛在因素.

2.4 影響京津冀地區(qū)ICHB的氣候因子通徑分析

本研究采用溫度、濕度和風(fēng)速3個氣候因子計算ICHB，而各氣候因子間相互作用、相互影響.利用通徑分析法計算各氣候因子與ICHB的關(guān)系以及各氣候因子間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如表2所示.

表2 ICHB和各影響因子的通徑系數(shù)Tab.2 Path coefficient of ICHB and each influence factor

由表2可以看出，溫度和濕度與ICHB的相關(guān)系數(shù)分別為0.985 7（P<0.05）和0.447 5（P<0.1），均達到顯著相關(guān)水平，溫度是影響ICHB的主要因子，濕度對于ICHB的影響小于溫度，而風(fēng)速對ICHB產(chǎn)生微弱的負(fù)影響.此外，溫度直接影響ICHB的程度最大，其直接通徑系數(shù)為0.736 7（P<0.05），數(shù)值最大.濕度的直接通徑系數(shù)次之，說明濕度也對ICHB產(chǎn)生直接的正影響.同時，濕度通過溫度對于ICHB產(chǎn)生的間接影響也較大，其間接通經(jīng)系數(shù)為0.386 2，但不顯著.風(fēng)速對于ICHB的影響程度最小，其直接通徑系數(shù)為-0.182 2，直接對ICHB產(chǎn)生微弱的負(fù)影響，并通過溫度對ICHB產(chǎn)生微弱的間接負(fù)影響，通過濕度對ICHB產(chǎn)生微弱的間接正影響.

3 結(jié)果與討論

京津冀城市群地處溫帶季風(fēng)氣候和溫帶大陸性氣候交界處，氣候差異小，四季分明.文獻[27]指出，1951—2013年京津冀地區(qū)各城市ICHB表現(xiàn)為由東北向西南逐漸降低的趨勢，與本研究所得人體舒適度空間分布特征差異較大.這是因為文獻[27]所選用的舒適度指數(shù)為溫濕指數(shù)THI（temperature humidity index）和風(fēng)效指數(shù)K（index of wind effect），與本文所采用的ICHB不同，且研究時期不同.本研究中，1989—2018年京津冀地區(qū)年際ICHB的分布特點為西南高、東北低，在張家口市西北部存在一個低值中心.此外，近30年京津冀地區(qū)溫度持續(xù)升高，而溫度對ICHB具有顯著的正影響，因此，京津冀地區(qū)的空間分布特點為西南高、東北低.基于京津冀地區(qū)24個氣象站點1989—2018年溫度、濕度和風(fēng)速的月平均值，利用線性趨勢研究京津冀地區(qū)ICHB的時空變化特征，結(jié)合通徑分析法分析影響ICHB的氣象因子，研究結(jié)果表明：

（1）京津冀地區(qū)ICHB總體介于25~55，整體呈現(xiàn)冷涼特征，人體感覺微冷和比較舒適.河北省的中部、南部以及北京市和天津市是最適宜人居的地區(qū)，人體感覺較舒適；而張家口的西北部地區(qū)為ICHB的一個低值中心，最不適宜人居，人體感覺冷.

（2）京津冀地區(qū)ICHB從高到低的季節(jié)依次為夏季、春季、秋季和冬季.ICHB春季上升劇烈，冬季下降緩慢，人體感覺為寒冷和冷.1989—2018年京津冀地區(qū)ICHB上升趨勢較為顯著，傾向度為0.014 a-1，京津冀地區(qū)ICHB年際變化大.1989—2000年，京津冀地區(qū)ICHB先下降后上升，大部分年份的ICHB都小于平均值；2000—2006年ICHB在平均值附近波動變化，變化趨于平穩(wěn)；京津冀地區(qū)ICHB在2012年達到最低值，等級為較舒適；2012年后，ICHB與溫度均呈顯著的上升趨勢，且二者波動趨勢一致，說明溫度可能是影響該地區(qū)ICHB的潛在因素.空間上，1989—2018年京津冀地區(qū)除張家口市東部、秦皇島市東部以及承德市全境的ICHB呈顯著下降趨勢，其他地區(qū)ICHB變化趨勢多為上升或不變.

（3）通徑分析結(jié)果表明，溫度與ICHB存在最顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.985 7（P<0.05），為ICHB的主要影響因子；濕度次之，與ICHB呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.1）；風(fēng)速直接對ICHB產(chǎn)生微弱的負(fù)影響，主要通過溫度對ICHB產(chǎn)生微弱的間接負(fù)影響，通過濕度對ICHB產(chǎn)生微弱的間接正影響.

由于京津冀地區(qū)的氣候條件和地形因素較為復(fù)雜，使用溫度、濕度和風(fēng)速計算ICHB仍存在誤差，某些地區(qū)與實際感受存在偏差，如夏季整個研究區(qū)內(nèi)沒有熱及以上的等級，但某些地區(qū)人體感覺偏熱.而突發(fā)性天氣、植被密度、地貌、日照時數(shù)和晝長等因素都會影響ICHB，因此，在將ICHB實際應(yīng)用到氣象預(yù)報時，必須結(jié)合各地的實際情況，根據(jù)實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而對本研究計算結(jié)果進行訂正，從而更好地開展ICHB的氣象預(yù)報服務(wù)，指導(dǎo)人們的生活和工作.

致謝：感謝中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站提供氣象數(shù)據(jù)和幫助.