太原市人居環(huán)境氣候舒適度時間變化特征

楊 朔，鈔錦龍，趙德一，畢玉婷，李浩杰，李樂樂

(1.太原師范學院地理科學學院 山西 晉中 030619，2.山西省氣象臺 山西 太原 030600)

人居環(huán)境是人類居住的地方，其核心為人，人居環(huán)境側(cè)重于對人居概念的強調(diào)，人居環(huán)境主要是“人居”與“環(huán)境”兩方面的融合[1].因此城市人居環(huán)境是指人在城市生活、工作所處的自然、經(jīng)濟、社會和文化環(huán)境的總稱，是“人居”與“城市環(huán)境”的融合.舒適度是人體對外界氣候變化舒適程度的反應(yīng)，是各氣象要素綜合作用的結(jié)果，城市作為人員最為集中的居住地其舒適度受到廣泛關(guān)注[2].隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、生活質(zhì)量的提高，人們對人居環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣越來越重視，其質(zhì)量直接影響人類的健康與發(fā)展[3,4].氣候作為人居自然環(huán)境系統(tǒng)的核心要素，是評價人居環(huán)境氣候舒適度的重要內(nèi)容[5,6]，如果沒有好的氣候環(huán)境，人們將很難在這片區(qū)域進行生產(chǎn)活動，反過來說，即便一個區(qū)域經(jīng)濟再發(fā)達，如果沒有一個舒適的氣候，那么這樣的發(fā)達現(xiàn)狀也很難持久.

氣候舒適度是指健康人群在無需借助任何防寒、避暑裝備和設(shè)施情況下對氣溫、相對濕度、風速和日照等氣候因子感覺的適宜程度[7].評價氣候舒適度的研究由來已久[8]，尤其是近些年在人居環(huán)境氣候舒適度特征分析方面的研究越來越多，周建琴等[9]分析了云南氣候舒適度分布和變化特征，并對云南未來氣候以及舒適度變化趨勢進行預(yù)估；劉金麗[2]等從溫濕指數(shù)、風效指數(shù)、著衣指數(shù)入手，對珠海市人居環(huán)境氣候舒適度進行了分析；尹文娟[12]等選取了全國714個氣象站點的氣象資料，對中國大陸的人居環(huán)境氣候舒適度變化特征進行研究；到目前為止，有關(guān)太原市人居環(huán)境氣候舒適度變化的研究較少.近些年，為響應(yīng)太原市向“宜居宜業(yè)宜游的國家中心城市”轉(zhuǎn)型發(fā)展以及創(chuàng)建國家森林城市的需要，研究人居環(huán)境的氣候舒適度變化特征顯得更加迫切.本研究根據(jù)國家人居環(huán)境氣候舒適度評價指標[7]，選用風效指數(shù)與溫濕指數(shù)作為氣候舒適度評價指標，分析太原市人居環(huán)境舒適度特征，為太原市轉(zhuǎn)型發(fā)展及城市人居環(huán)境提升提供科學指導(dǎo)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)太原市位于山西省中北部的太原盆地，地理坐標為111°30′E～113°09′E， 37°27′N～38°25′N，坐落于海拔800 m的汾河河谷平原上，東、西、北面三面環(huán)山，中南部為汾河河谷平原，地勢北部高南部低，市區(qū)總面積1 460.2 km2，建成區(qū)面積170 km2.太原市屬北溫帶大陸性氣候，年均溫9.5 ℃，光照充足豐富，年日照總時數(shù)為2 360～2 796 h；降水集中在每年7月到8月，其降水量占全年總量的60%以上，年平均降水量468.4 mm.從全年看，冬春長，夏秋短，降水和氣溫年變化大[12].

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文主要選取了太原市國家基本氣象觀測站1951—2015年64a的逐年每日溫度、濕度、風速、日照等氣象觀測資料，采用數(shù)理統(tǒng)計法，對照溫濕指數(shù)與風效指數(shù)計算方法、舒適度劃分等級和舒適度評價方法，分析太原市氣候舒適度特征.如表1，國標將氣候舒適度劃分為5個等級：寒冷、冷、舒適、 熱和悶熱，且主要通過溫濕指數(shù)與風效指數(shù)來反映.

溫濕指數(shù)主要反映人體對溫度與濕度的綜合感受，計算公式如下：

I=T-0.55(1-RH)(T-14.4)

(1)

式中：I為溫濕指數(shù)，T為某一評價時段平均溫度(℃)，RH為某一評價時段平均空氣相對濕度(%)，I保留一位小數(shù).

風效指數(shù)描述了人對風速、濕度和日照綜合感受，其計算公式如下：

(2)

式中：K為風效指數(shù)，T為評價時段內(nèi)平均溫度(℃)，V為評價時段內(nèi)平均風速(m/s)，S為評價時段內(nèi)平均日照時數(shù)(h/d)，K取整數(shù).

對數(shù)據(jù)處理時，我們將全年劃分為冬半年(9月24日—次年3月20日)與夏半年(3月21日—9月23日).季節(jié)劃分為春季(3、4、5月)，夏季(6、7、8月)，秋季(9、10、11月)，冬季(12、次年1、次年2月).

表1 人居環(huán)境舒適度等級劃分表[6]

3 結(jié)果與分析

3.1 1951—2015年太原市逐月舒適度變化特征

3.1.1 1951—2015年太原市月平均溫濕指數(shù)變化特征

由圖1可知，1951—2015 年太原市月平均溫濕指數(shù)的分布.呈現(xiàn)由低值到高值再到低值的單峰趨勢，從1月開始溫濕指數(shù)由負值逐漸增大，到了7月增至最大后又逐漸減小.對應(yīng)表1，1951—2015年中，太原市1月—4月溫濕指數(shù)小于14.0，人體感覺寒冷，不舒服；5月—8月溫濕指數(shù)處于17.0～25.4，人體感覺舒適；9月溫濕指數(shù)為16.2，人體感覺偏冷，較不舒服；10月—12月溫濕指數(shù)又變回小于14.0，人體感覺很冷，不舒服；其中，4、9月是舒適與偏冷的過渡月份，夏季是舒適度最好的季節(jié).觀察1951—2015年太原市每年每月平均溫濕指數(shù)發(fā)現(xiàn)，各月溫濕指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，尤其以12月、1月、2月最為顯著，而出現(xiàn)峰值的7、8月變化不大，這表明氣候向著更好的舒適度方向演變.

3.1.2 1951—2015年太原市月平均風效指數(shù)變化特征

由圖2可知，1951—2015年太原市月平均風效指數(shù)同樣呈現(xiàn)單峰變化趨勢，且各月風效指數(shù)都為負值.對應(yīng)上文表1，1月—4月、10月—12月風效指數(shù)均小于-400，人體感覺寒冷，很不舒服；5月—9月風效指數(shù)處于-299～-100之間，人體感覺舒適，這與冬半年寒冷，夏半年舒適的氣候特征大體吻合，其中4月、9月同樣為過渡月.觀察1951—2015年太原市各月風效指數(shù)發(fā)現(xiàn)，64a中，各月風效指數(shù)基本呈現(xiàn)上升趨勢，但上升趨勢較小，舒適度等級變化并不明顯.

圖1 1951—2015年太原市月平均溫濕指數(shù)

圖2 1951—2015年太原市逐月平均風效指數(shù)

3.2 1951—2015太原市舒適度季節(jié)變化特征

3.2.1 1951—2015太原市季節(jié)平均溫濕指數(shù)

由圖3可知，春季的平均溫濕指數(shù)為12.2，人體感覺較冷，不舒服；夏季為21.1，人體感覺舒適；秋季和冬季分別為10.7和0.8，人體感覺又歸于寒冷，不舒服.總體來看，在溫濕指數(shù)模型下，舒適度最好的季節(jié)是夏季，結(jié)合上文所得到的逐月平均溫濕指數(shù)可知，春秋屬于過渡季節(jié)，冬夏屬于舒適度較為極端的季節(jié).

3.2.2 1951—2015太原市季節(jié)平均風效指數(shù)

由圖4可知，全年中，夏季風效指數(shù)為-160，屬于人體感覺舒適等級；春季、秋季、冬季的季節(jié)平均風效指數(shù)分別為-441、-443、-761，三個季節(jié)風效指數(shù)均低于-400，屬于人體感覺寒冷且最不舒適的等級.結(jié)合上文所提到的逐月平均風效指數(shù)來看，在風效指數(shù)模型下的季節(jié)舒適度劃分中，夏季6月—8月的風效指數(shù)全部屬于舒適等級，因此夏季仍然是舒適度最好的季節(jié)；冬季12月—次年2月的風效指數(shù)全部小于-400，所以冬季仍然是舒適度最差的季節(jié)；而春季、秋季在四季中屬于過渡季節(jié)，這與季節(jié)平均溫濕指數(shù)的變化趨勢與結(jié)果基本一致.

圖3 1951—2015年太原市不同季節(jié)平均溫濕指數(shù)

圖4 1951—2015年太原市不同季節(jié)平均風效指數(shù)

3.3 1951—2015 年氣候舒適度的變化趨勢

3.3.1 1951—2015太原市夏半年溫濕指數(shù)變化趨勢

如圖5，64a中，太原市夏半年的溫濕指數(shù)變化趨勢呈現(xiàn)為波動上升，其中1951年為最低值16.5，舒適度等級為屬于較不舒適的2級，2005年為最高值19.1，屬于舒適度最好的1級.以溫濕指數(shù)為17.0作為分界線，溫濕指數(shù)在17.0以上的年份共有60年，只有4年屬于較不舒適等級，1977年以來再無出現(xiàn)低于舒適等級的狀況.整體來看，太原市的夏半年是人體感覺最舒適，舒適度等級最優(yōu)的，并且由趨勢線我們可以看出，夏半年的溫濕指數(shù)一直保持增大的走勢，很有可能會在未來超過舒適等級的上限值.

3.3.2 1951—2015太原市冬半年風效指數(shù)變化趨勢

如圖6，64a中，太原市冬半年的風效指數(shù)都小于-400，全部屬于不舒適等級，最大值也只達到了-579，但觀察趨勢線可以看出，即便完全屬于不舒適等級，但是風效指數(shù)仍然呈現(xiàn)持續(xù)緩慢增大的趨勢.從1953年的最低值-744至1989年的最高值-579，風效指數(shù)增大165個單位經(jīng)歷了36a，在這之后的最低值出現(xiàn)在1996年為-690，大于1953年的最低值，且自1976年以來，太原市冬半年的年均風效指數(shù)從未出現(xiàn)低于-700的情況.按照這樣的趨勢預(yù)測，很可能在未來40年內(nèi)，太原市冬半年的風效指數(shù)所對應(yīng)的舒適度等級可能會出現(xiàn)提升一個等級的情況.

圖5 1951—2015年太原市夏半年溫濕指數(shù)

圖6 1951—2015年太原市冬半年風效指數(shù)

3.4 太原市舒適度不同等級指數(shù)變化特征

由表2可知，64a來，太原市無悶熱日數(shù)，包括1980年以前的前三十年熱日數(shù)只有15d，后三十年有21d，近四年有2d，熱日數(shù)呈現(xiàn)有逐步增多的趨勢，但總量較小；舒適日數(shù)自1951年以來，總體呈現(xiàn)波動上升趨勢，從1957年開始舒適日數(shù)基本穩(wěn)定在100d以上，到了1994年舒適度日數(shù)保持在120d以上，相當于全年中有4個月是人體感覺舒適時期，且經(jīng)常會創(chuàng)下舒適日數(shù)的歷史新高；冷日數(shù)波動較大，日數(shù)基本保持在34d上下浮動，但趨勢線呈細微下降趨勢，而當冷日數(shù)增多時，同年的寒冷日數(shù)會相對減小，兩者呈反比例關(guān)系；寒冷日數(shù)基本保持波動減小的趨勢，自1992年，寒冷日數(shù)始終保持在190d—220d范圍內(nèi)波動，且與舒適日數(shù)呈反比例關(guān)系.

表2 1951-2015年太原市舒適度指數(shù)不同等級日數(shù)

續(xù)表2

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

從上文的分析來看，寒冷、冷、舒適、熱日數(shù)變化趨勢不盡相同，在全球氣候變暖的大背景下，為探究此變化原因，我們做了溫度、濕度、日照、風速與溫濕指數(shù)、風效指數(shù)之間的相關(guān)性分析，結(jié)果如表3：

表3 1951-2015年太原市溫濕指數(shù)、風效指數(shù)與

由表3可知，溫濕指數(shù)在四種因子的影響下，氣溫與其相關(guān)系數(shù)高達0.988，具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明氣溫對于溫濕指數(shù)的影響最大；其次，濕度與日照對于溫濕指數(shù)的影響較小，都小于0.250；風速與溫濕指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較弱，不及-0.1，說明風速對溫濕指數(shù)影響最小.風效指數(shù)與溫濕指數(shù)類似，受氣溫的影響較大，但在風效指數(shù)中，風速也占據(jù)一定的主導(dǎo)地位，與風效指數(shù)呈負相關(guān)，達到了-0.619，其影響僅次于氣溫，濕度與日照對于風效指數(shù)也有一定的影響，但影響較小.因此，氣溫對于舒適度的影響是最為突出的，風速次之，而我們發(fā)現(xiàn)，盡管濕度在兩種指數(shù)下對舒適度影響較小，但是觀察64a的相關(guān)系數(shù)變化規(guī)律可知，當風速對兩種指數(shù)影響較大時，濕度會對兩種指數(shù)影響降低，說明濕度會在無風或是微風時較大幅度地影響舒適度.范曉輝[10]等研究表明，近50a山西省年平均日照時數(shù)明顯減少，但由于日照與兩種指數(shù)的相關(guān)系數(shù)近似一致，因此日照對冬半年與夏半年舒適度的影響基本相同.

王晨迪[13]分析了太原市1951—2011年的氣候變化特征，指出太原市在這60年中，年平均氣溫表現(xiàn)為明顯增加趨勢，牛旭[14]等也得出了相同的結(jié)論.馬義娟[15]等分析了太原市變暖趨勢，表明各季節(jié)變暖趨勢一致，冬季增幅最大，其次為春、秋、夏季，這與全球氣候變暖的大環(huán)境相吻合，將此溫度變化與溫濕指數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)，1951年為年均溫最低值，溫濕指數(shù)最低值也出現(xiàn)在1951年，且該年為寒冷日數(shù)最多的一年；2006年為年均溫最高值，溫濕指數(shù)最高值出現(xiàn)在2006年且出現(xiàn)1d熱日數(shù)； 再結(jié)合氣溫與兩種指數(shù)的相關(guān)性基本可以確定，溫度的升高是導(dǎo)致太原市舒適日數(shù)增多，寒冷日數(shù)減少的最主要影響因素.劉蘇峽[16]等研究了華北平原風速變化特征，表明華北平原風速呈減小趨勢，牛旭[12]等也證實了太原市的風速呈現(xiàn)下降趨勢，以20世紀80年代為分界線，80年代以前平均風速高于多年風速平均值，而80年代后便低于多年風速平均值，對照太原市冬半年風效指數(shù)的變化，從1977年開始，太原市風效指數(shù)開始保持明顯上升趨勢，結(jié)合風速與風效指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系可知，風效指數(shù)的升高很大一部分原因是受風速減小的影響.

4.2 結(jié)論

本文根據(jù)太原市1951—2015年國家氣象基準站站點的氣象數(shù)據(jù)資料，依據(jù)國標評價標準分析了太原市64a來人居環(huán)境氣候舒適度狀況，得到以下結(jié)論：

1)太原市夏半年屬于“舒適”的氣候舒適度等級，冬半年屬于“寒冷”的氣候舒適度等級，自1977年以來，太原市的氣候舒適度呈現(xiàn)明顯變好的趨勢.

2)5月—8月，太原市氣候?qū)儆谑孢m度最好等級，其中5月與同年9月為舒適度過渡月，不同的是，9月氣候偏冷，舒適度較差，1月—4月、10月—12月氣候寒冷，是舒適度最差的月份，人體感覺非常不舒服.

3)太原市夏季屬于舒適度最好等級，冬季屬于最不舒適等級，而春季與秋季總體舒適度屬于最差等級，但由于5月與9月為舒適度過渡月，因此，春秋兩季人體所感受到的舒適度是由寒冷、冷和舒適組成.

4)氣溫是影響太原市氣候舒適度的主要因素，氣溫的升高直接影響到太原市舒適日數(shù)與寒冷日數(shù)的增多與減少，同時，年均溫最低值、最高值與舒適日數(shù)、寒冷日數(shù)的最低值、最高值基本吻合，其次是風速的影響，太原市風速減小的變化趨勢一定程度上導(dǎo)致了冬半年的風效指數(shù)增大，進而使得冬半年的寒冷日數(shù)減少，而濕度在風速小的時候?qū)?、冷、舒適日數(shù)會產(chǎn)生較明顯的影響.