1966-2019年海南人居環(huán)境氣候舒適度時(shí)空分布及變化特征

張明潔，張京紅，張亞杰，李文韜，楊 靜

(1.海南省氣候中心，海口 570203；2.南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海口 570203；3.海南省氣象探測(cè)中心，海口 570203)

引 言

氣候條件對(duì)人體的體溫、新陳代謝功能、神經(jīng)功能、心血管功能和免疫功能等具有調(diào)節(jié)作用[1]。當(dāng)氣候條件的變化超過人體代償能力時(shí),會(huì)使機(jī)體代償能力失調(diào)，誘發(fā)天氣敏感性疾病，嚴(yán)重時(shí)危害生命[2]。適宜的氣候條件能夠消除人的疲勞，使體力和精力得到較快恢復(fù)，甚至對(duì)一些疾病達(dá)到緩解和治療的效果[3]。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和人們康養(yǎng)意識(shí)的提高，在選擇康體和度假地時(shí)，氣候條件往往成為首要的考慮因素，現(xiàn)代療養(yǎng)醫(yī)學(xué)也越發(fā)重視氣候在療養(yǎng)中的作用。

一些表征氣候?qū)θ梭w體感影響的舒適度指數(shù)就是結(jié)合多種與人體相關(guān)性較高的氣象要素而設(shè)計(jì)的，通過研究其時(shí)空變化來評(píng)估對(duì)人體的影響，可以較好地反映人體對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)情況和氣候條件對(duì)人體的影響。國(guó)外關(guān)于氣候條件對(duì)人體舒適感影響的研究可追溯到20世紀(jì)20年代，經(jīng)歷了有效溫度[4-5]、凈有效溫度[6]、溫濕指數(shù)[7]、風(fēng)寒指數(shù)[8]、風(fēng)效指數(shù)[9]、舒適度指數(shù)[9]、通用熱氣候指數(shù)[10-12]等的不斷發(fā)展和完善。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行相關(guān)研究，以借鑒國(guó)外模型或構(gòu)建組合分析模型為主，在氣候舒適度、旅游氣候適宜性等方面進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)[13-15]。宋丹等[16]以體感溫度為基礎(chǔ)，建立綜合避暑旅游氣象適宜度評(píng)價(jià)模型，分析了貴州省縣級(jí)以上城市的避暑旅游適宜性。嚴(yán)霜等[17]利用溫濕指數(shù)對(duì)四川省旅游氣候舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)?？讱J欽[18]、楊俊[19]等采用通用熱氣候指數(shù)(UTCI)分別對(duì)全國(guó)和全國(guó)的避暑旅游資源的氣候舒適度時(shí)空變化進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。余志康[20]、孟麗霞[21]、陶生才[22]、曹云[23]等利用溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)、著衣指數(shù)分別分析評(píng)價(jià)了40°N以北城市夏季、蘭州市、敦煌和京津冀地區(qū)的氣候舒適度。從國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣候舒適度研究現(xiàn)狀看，研究大多采用上述指數(shù)或模型等進(jìn)行氣候舒適度的計(jì)算分析，但方法并不統(tǒng)一，考慮的方面和側(cè)重點(diǎn)不盡相同。吳普[24]、劉少軍[25]等從旅游角度對(duì)海南氣候舒適度進(jìn)行了計(jì)算分析，但由于采用的數(shù)據(jù)是年或月尺度的，因而在分析氣候條件對(duì)人體體感影響和健康療養(yǎng)作用時(shí)的精準(zhǔn)度會(huì)大大降低。范業(yè)正[3]、孔欽欽[26]等僅分析了海口和三亞的氣候舒適度，未能在空間上對(duì)海南全島氣候舒適度進(jìn)行分析。

海南地處熱帶北緣，氣候條件優(yōu)越。2019年1月11日印發(fā)的《海南省健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2019-2025年)》中提出：到2025年，把海南初步建成領(lǐng)先的智慧健康生態(tài)島和全球重要的健康旅游目的地。智慧健康生態(tài)島和健康旅游目的地的建設(shè)離不開適宜的氣候條件，因此，本文依據(jù)《人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)》(GB/T 27963-2011)[27]評(píng)估分析海南氣候舒適度的時(shí)空分布和變化特征，以期為大力發(fā)展基于氣候治療的康養(yǎng)醫(yī)療、推進(jìn)氣象為海南省大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)提供理論和技術(shù)支撐，以及為人們選擇康養(yǎng)和度假的時(shí)間地點(diǎn)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的資料是1966-2019年海南省(除三沙市外)18個(gè)氣象站的日平均觀測(cè)資料，包括日平均氣溫、日平均風(fēng)速、日平均相對(duì)濕度和日日照時(shí)數(shù)，并對(duì)出現(xiàn)遷站(例如三亞國(guó)家基本氣象站)的站點(diǎn)資料進(jìn)行了時(shí)間一致性和空間一致性等質(zhì)量控制，以保證所用資料的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

1.2 研究方法

首先，根據(jù)國(guó)標(biāo)《人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)》(GB/T 27963-2011)計(jì)算海南18個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1966-2019年逐日的溫濕指數(shù)I和風(fēng)效指數(shù)K。

逐日舒適度根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定,劃分為寒冷、冷、舒適、熱和悶熱5個(gè)等級(jí)。當(dāng)兩種指數(shù)不一致時(shí)，冬半年(11月-次年4月)使用風(fēng)效指數(shù)；夏半年(5-10月)使用溫濕指數(shù)。評(píng)價(jià)時(shí)段平均風(fēng)速>3 m/s的地區(qū)使用風(fēng)效指數(shù)。

然后，采用線性回歸、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等方法,分析海南省人居環(huán)境氣候舒適度各等級(jí)日數(shù)的時(shí)空分布和變化特征；采用通徑分析、M-K突變檢驗(yàn)探討舒適度各等級(jí)日數(shù)時(shí)空分布和變化原因。最后，在對(duì)海南省1-12月各臺(tái)站舒適日數(shù)分布的研究基礎(chǔ)上，制定海南省人居環(huán)境氣候舒適月標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)某個(gè)月份中等級(jí)為舒適的日數(shù)>20天時(shí)，該月為非常舒適月；舒適日數(shù)為10～20天時(shí)，該月為舒適月；當(dāng)舒適日數(shù)≤10天時(shí)，該月為不舒適月。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn),分析舒適月的時(shí)空分布特征。

2 人居環(huán)境氣候舒適度的時(shí)空分布

2.1 不同舒適度等級(jí)日數(shù)多年平均值的時(shí)空分布特征

2.1.1 不同舒適度等級(jí)日數(shù)的時(shí)間分布

表1給出了海南人居環(huán)境氣候舒適度不同等級(jí)日數(shù)的月平均值和年平均值。從表1中可以看出，舒適與熱等級(jí)是海南省人均環(huán)境氣候舒適度的主要特征，分別占47.6%和31.9%。其中，舒適等級(jí)主要出現(xiàn)在11月-次年3月；熱等級(jí)多出現(xiàn)在5-9月,4月和10月為過渡月份。寒冷等級(jí)日數(shù)最少，只占3.5%，出現(xiàn)在12月-次年2月；冷日數(shù)和悶熱日數(shù)分別占全年的7.4%和9.7%。

表1 1966-2019年海南人居環(huán)境氣候舒適度不同等級(jí)日數(shù)平均值的分布

2.1.2 不同舒適度等級(jí)日數(shù)的空間分布

由不同舒適度等級(jí)日數(shù)的空間分布(圖1)可見，寒冷日數(shù)分布基本上是由北向南遞減的，北部的?？凇⑴R高、儋州和東方寒冷日數(shù)多年平均值多于20天，南部地區(qū)和中部的瓊中寒冷日數(shù)少于5天，其余大部分地區(qū)的為5～15天。冷日數(shù)分布也遵循由北向南遞減的規(guī)律，北部地區(qū)的>30天，南部地區(qū)的<15天。舒適日數(shù)中部地區(qū)的最多(>180天)，其中五指山的高達(dá)247天，其他地區(qū)除?？诤蜄|方外，大部分舒適日數(shù)>150天。熱日數(shù)南部的(>120天)多于北部的(90～120天)，其中中部五指山的<90天。悶熱日數(shù)分布呈現(xiàn)出中部少、東部和西部沿海部分市縣的多的特點(diǎn)，北部沿海的臨高、澄邁，東南沿海的瓊海、萬寧，西北的昌江、東方及南部的三亞悶熱日數(shù)>40天，五指山的僅2.9天。吳普等[24]采用特吉旺舒適度指數(shù)分析海南氣候舒適度發(fā)現(xiàn)，11月-次年3月海南大部分地區(qū)的氣候舒適度為舒適或暖等級(jí)，只有個(gè)別市縣的為涼等級(jí)，4-10月，大部分為悶熱等級(jí)，但中部地區(qū)的悶熱日數(shù)遠(yuǎn)少于其他沿海市縣的。劉少軍等在文獻(xiàn)[25]通過對(duì)表征海南旅游氣候舒適度的旅游氣候指數(shù)的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間上，11月-次年4月海南島旅游氣候舒適度水平較高，達(dá)到很好和優(yōu)良水平，這與本文11月-次年3月海南人居環(huán)境氣候舒適度以舒適等級(jí)為主的結(jié)論一致。文獻(xiàn)[25]中還發(fā)現(xiàn)5-10月氣候舒適水平降低，大部分處在舒適與不舒適的邊界水平，這與本文5-9月氣候舒適度以熱等級(jí)為主、4月和10月為過渡月份的分析結(jié)論吻合。在空間分布上，文獻(xiàn)[25]認(rèn)為中部的五指山在5-10月氣候舒適水平高于其他地區(qū)的，這也與本文五指山舒適等級(jí)日數(shù)多于其他地區(qū)的結(jié)論相一致。

圖1 1966-2019年海南不同舒適度等級(jí)日數(shù)的空間分布

2.2 不同舒適度等級(jí)日數(shù)的時(shí)間變化特征

由不同舒適度等級(jí)日數(shù)的年際變化(圖2)可見，1966-2019年寒冷日數(shù)和冷日數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)中減少的趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-2.2天/10a和-2.0天/10a，通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。通過突變檢驗(yàn)(圖3)也發(fā)現(xiàn)，寒冷日數(shù)與冷日數(shù)均在20世紀(jì)60年代-70年代中期呈現(xiàn)出波動(dòng)中微弱增加趨勢(shì)，70年代末期開始呈微弱的減少趨勢(shì)。不同的是寒冷日數(shù)在1979年前后出現(xiàn)突變，1988年以后減少趨勢(shì)顯著(超過0.05臨界線)；冷日數(shù)在1988年前后出現(xiàn)突變，1998年開始減少趨勢(shì)顯著(超過0.05臨界線)。舒適日數(shù)多年平均值在148～200天的范圍內(nèi)波動(dòng)，有微弱的減少趨勢(shì)(-1.9天/10a)，但未通過顯著性檢驗(yàn)。熱日數(shù)和悶熱日數(shù)呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率分別為1.8天/10a、4.3天/10a，通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。突變檢驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，熱日數(shù)在1974年左右發(fā)生突變后繼續(xù)在波動(dòng)中微弱增加，1987-2010年增加趨勢(shì)顯著。悶熱日數(shù)呈增加趨勢(shì)，在1987年前后突變，1990年開始增加趨勢(shì)顯著。

圖2 1966-2019年海南不同舒適度等級(jí)日數(shù)的年際變化

從各等級(jí)日數(shù)距平值的年代際變化也可看到(圖4),寒冷日數(shù)、冷日數(shù)在20世紀(jì)80年代、90年代由正距平轉(zhuǎn)為負(fù)距平；舒適日數(shù)在80年代和21世紀(jì)10年代為負(fù)距平，其余年代的為正距平；熱日數(shù)和悶熱日數(shù)分別在80年代和90年代由負(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平。

圖4 1966-2019年海南不同舒適度等級(jí)日數(shù)距平值的年代際變化

綜上，海南人居環(huán)境舒適度偏冷的日數(shù)在減少，偏熱的舒適度日數(shù)在增加，且偏熱舒適度日數(shù)的增加趨勢(shì)比偏冷的減少趨勢(shì)要明顯。舒適等級(jí)的日數(shù)有在波動(dòng)中微弱減少的趨勢(shì),但未通過顯著性檢驗(yàn)。

3 舒適度的影響因子及舒適度各等級(jí)日數(shù)變化的原因分析

舒適度各等級(jí)日數(shù)的變化趨勢(shì)不同。采用通徑分析方法，分析溫度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度對(duì)各等級(jí)日數(shù)的影響，探討各等級(jí)日數(shù)變化的原因。其中，舒適日數(shù)因不符合正態(tài)分布，未進(jìn)行通徑分析。

計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，除日照時(shí)數(shù)外，氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度都與寒冷日數(shù)和冷日數(shù)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。氣溫與寒冷日數(shù)、冷日數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.78、-0.72；風(fēng)速、相對(duì)濕度與寒冷日數(shù)(冷日數(shù))呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.55(0.49)、0.45(0.40)。從直接通徑系數(shù)看，氣溫與寒冷日數(shù)、冷日數(shù)的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值最大，均為0.65，說明氣溫對(duì)寒冷日數(shù)、冷日數(shù)的直接影響最大；其次，風(fēng)速對(duì)寒冷日數(shù)的直接通徑系數(shù)為0.24，說明風(fēng)速對(duì)寒冷日數(shù)存在明顯的影響，僅次于氣溫的影響，且間接通徑系數(shù)表明風(fēng)速也通過影響氣溫間接影響寒冷日數(shù)和冷日數(shù)。相對(duì)濕度的直接通徑系數(shù)很小，但間接通徑系數(shù)表明相對(duì)濕度通過影響氣溫間接影響寒冷日數(shù)和冷日數(shù)。除相對(duì)濕度外，氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)都與熱日數(shù)存在顯著的相關(guān)關(guān)系，氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速與熱日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.44、0.23和-0.37。從直接通徑系數(shù)看，氣溫、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的直接通徑系數(shù)較大，說明氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均對(duì)熱日數(shù)直接產(chǎn)生影響。從間接通徑系數(shù)看，平均風(fēng)速通過影響氣溫、相對(duì)濕度間接影響熱日數(shù)。除日照時(shí)數(shù)外，氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度與悶熱日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.65、0.47和-0.46，氣溫對(duì)悶熱日數(shù)的直接影響最大，風(fēng)速和相對(duì)濕度通過影響氣溫間接影響悶熱日數(shù)(以上相關(guān)系數(shù)均通過0.01或0.05的顯著性檢驗(yàn))。由此可見，對(duì)海南舒適度各等級(jí)日數(shù),尤其是寒冷日數(shù)和悶熱日數(shù)影響最大的是氣溫，其次是風(fēng)速和相對(duì)濕度，后兩者主要通過影響氣溫間接影響舒適度。

表2 1966-2019年海南平均氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)與不同舒適度等級(jí)日數(shù)的相關(guān)系數(shù)和通徑系數(shù)

對(duì)海南1966-2019年的平均氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度進(jìn)行線性趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)(圖略)發(fā)現(xiàn)，平均氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，并在20世紀(jì)80年代前期發(fā)生突變，這與寒冷日數(shù)、冷日數(shù)呈減少趨勢(shì)，熱日數(shù)、悶熱日數(shù)呈增加趨勢(shì)相符合，也與寒冷日數(shù)、冷日數(shù)和悶熱日數(shù)的突變時(shí)間、熱日數(shù)顯著增加的時(shí)間點(diǎn)相吻合，進(jìn)一步說明了氣溫是影響海南各舒適度等級(jí)日數(shù)變化的最主要因子。平均風(fēng)速和相對(duì)濕度均呈下降趨勢(shì)，且發(fā)生突變后下降趨勢(shì)顯著(分別在1981年和1998年前后發(fā)生突變)，這也是寒冷日數(shù)和冷日數(shù)呈減少趨勢(shì)、熱日數(shù)和悶熱日數(shù)呈增加趨勢(shì)的次要影響因子。其中，平均風(fēng)速和悶熱日數(shù)正相關(guān)，但其與悶熱日數(shù)的直接通徑系數(shù)較小且未通過顯著性檢驗(yàn)，間接通徑系數(shù)為-0.27，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明平均風(fēng)速是通過影響氣溫間接影響悶熱日數(shù)，平均風(fēng)速越小，氣溫越高，悶熱日數(shù)越多。

4 氣候舒適月的時(shí)空分布

根據(jù)人居氣候環(huán)境舒適月的劃分標(biāo)準(zhǔn)，從各月看(圖5、表3)，10月-次年4月，為各市縣的非常舒適月和舒適月，10月是北部和中部地區(qū)的非常舒適月；11月是全島的非常舒適月；12月是西南部市縣的非常舒適月，東部和北部市縣的舒適月；1、2月為南部和中部市縣的非常舒適月，也是其余市縣的舒適月，3月份非常舒適月范圍擴(kuò)大到東部沿海市縣；4月和9月是五指山的非常舒適月，也是其余大部分市縣的舒適月；5-8月，全島舒適日數(shù)減少，是中部五指山的舒適月。綜上，冬半年各月包括10月，是海南各市縣的非常舒適月或舒適月，人體感覺舒適，人居環(huán)境氣候舒適度條件十分優(yōu)越;夏半年盡管大部分市縣舒適度有所降低，但中部的五指山地區(qū)人居環(huán)境氣候舒適度優(yōu)于其他市縣的，仍然十分優(yōu)越。

圖5 1966-2019年海南1-12月舒適日數(shù)的空間分布

從全年來看(表3)，人居環(huán)境氣候舒適度呈現(xiàn)出中部的優(yōu)于沿海的，南部的優(yōu)于北部的分布特征。中部的五指山一年中有8個(gè)非常舒適月、4個(gè)舒適月，人居環(huán)境氣候舒適度全島最佳；瓊中一年有6個(gè)非常舒適月、2個(gè)舒適月，人居環(huán)境氣候舒適度全島第二；再次是南部的樂東、三亞、保亭、陵水，非常舒適月有5個(gè)、舒適月有2～3個(gè)；中部的屯昌、白沙、定安，非常舒適月和舒適月分別為3個(gè)和5個(gè)。

表3 1966-2019年海南各市縣不同舒適等級(jí)的月數(shù) 個(gè)

5 結(jié)論與討論

本文分析了1966-2019年海南省(除三沙市外)人居環(huán)境氣候舒適度各等級(jí)日數(shù)、氣候舒適月的時(shí)空分布和變化特征及原因，得到以下結(jié)論。

(1)海南省人居環(huán)境氣候舒適度以舒適和熱為主，舒適日數(shù)和熱日數(shù)分別占全年日數(shù)的47.6%和31.9%，10月-次年3月各月的舒適日數(shù)接近或超過20天。寒冷日數(shù)、冷日數(shù)和悶熱日數(shù)分別占全年的3.5%、7.4%和9.7%。

(2)寒冷日數(shù)和冷日數(shù)的空間分布均由北向南遞減，寒冷日數(shù)北部的>20天，南部的<5天，冷日數(shù)北部的>30天，南部的<15天。舒適日數(shù)中部地區(qū)最多(>180天)，其他地區(qū)的為150～180天。熱日數(shù)南部的多于北部的，南部地區(qū)的>120天，其他地區(qū)的為90～120天(五指山的<90天)。悶熱日數(shù)分布呈現(xiàn)出中部的少、東部和西部沿海部分市縣的多的特點(diǎn)，中部五指山的為2.9天，北部沿海的臨高、澄邁，東南沿海的瓊海、萬寧，西北的昌江、東方及南部的三亞>40天。

(3)近54年來，寒冷日數(shù)和冷日數(shù)分別以-2.2天/10a和-2.0天/10a的氣候傾向率在波動(dòng)中減少，并且分別在20世紀(jì)70年代末和80年代末發(fā)生突變后，減少趨勢(shì)更加顯著；舒適日數(shù)在148～200天范圍內(nèi)波動(dòng)，有微弱的減少趨勢(shì)，但未通過顯著性檢驗(yàn)；熱日數(shù)和悶熱日數(shù)分別以1.8天/10a和4.3天/10a的氣候傾向率增加，分別在20世紀(jì)70年代中期和80年代末期發(fā)生突變，均從90年代開始增加趨勢(shì)更加顯著。

(4)在全球氣候變暖背景下，氣溫升高是寒冷日數(shù)、冷日數(shù)減少和熱日數(shù)、悶熱日數(shù)增加的主要原因，平均風(fēng)速和相對(duì)濕度下降是次要原因，且平均氣溫和平均風(fēng)速的突變時(shí)間與寒冷日數(shù)、冷日數(shù)和悶熱日數(shù)的突變時(shí)間相吻合，與熱日數(shù)顯著增加的時(shí)間點(diǎn)也相吻合。相對(duì)濕度主要通過影響氣溫間接影響各等級(jí)舒適度日數(shù)的變化。

(5)海南人居環(huán)境氣候舒適度全年均較為優(yōu)越，相對(duì)而言，冬半年的優(yōu)于夏半年的，冬半年各月包括10月是各市縣的非常舒適月或舒適月。在空間上呈現(xiàn)出中部的優(yōu)于沿海的，南部的優(yōu)于北部的分布特征。中部的五指山一年中有8個(gè)非常舒適月、4個(gè)舒適月，人居環(huán)境氣候舒適度全島最佳；瓊中人居環(huán)境氣候舒適度全島第二；再次是南部的樂東、三亞、保亭、陵水等地的氣候舒適度。因此，海南可在目前全國(guó)著名的避寒旅游基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮氣候優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展中部地區(qū)的康養(yǎng)旅游、森林生態(tài)旅游等特色旅游，使海南真正成為全國(guó)少有的冬可避寒、夏可避暑的旅游康養(yǎng)勝地。